HAAKE Viscotester iQ Reometresi ile Ham Petrolün Karakterizasyonu

Giriş

Ham petrolün üretimi ve taşınması, genellikle akışa dayalı süreçlerle ilgilidir. Bu akış sürecinin gerçekleşeceği yer çoğu zaman oldukça erişilmesi güç bir noktada olabilir; örneğin yerin derinliklerinde bir petrol sahasında ya da derin deniz boru hattında. Bu akış süreçlerinin nasıl sorunsuz bir şekilde çalışacağını tahmin ederken yapılacak herhangi bir hata, akışın yeniden başlatılması için son derece maliyetli işlemlere yol açabilir.

Ham petrolün akış davranışını modellemek için gereken parametreler, kesme hızı bağımlı viskozite (η) ve sıcaklık bağımlı viskozitedir. Sıcaklık bağımlılığıyla doğrudan bağlantılı olan bir durum da naftenlerin kristalleşmesidir, bu da boru hattı taşımacılığında wax birikimi nedeniyle ciddi sorunlara yol açabilir (1). Son olarak, ham petrolün akışını yeniden başlatmak için aşılması gereken kuvvetle doğrudan ilişkili olan akış gerilmesi (τ0) önemlidir, örneğin bir boru hattı bakımının ardından akışın yeniden başlatılmasında.

Ham petrolün viskozitesi, kökenine ve sıcaklığına bağlı olarak önemli ölçüde değişebilir. Farklı özelliklere sahip örneklerle çeşitli reolojik testler yapabilmek için, reolojik cihazın bir dizi test yöntemi ve geniş bir ölçüm aralığı sunması gerekir.

Thermo Scientific™ HAAKE™ Viscotester™ iQ Reometresi, koaksiyel silindirler, koni ve levha, paralel levhalar ve pervane geometrileriyle donatılabilen kompakt ve esnek bir cihazdır (Şekil 1). Geliştirilmiş hassasiyeti sayesinde, HAAKE Viscotester iQ Reometresi, küçük boyutlu ölçüm geometri kullanarak örnek hacmini, sıcaklık dengeleme süresini ve temizlik çabasını azaltmayı sağlar. Birçok test yöntemi ve çok sayıda test sonucu cihazda depolanabilir. HAAKE Viscotester iQ Reometresi, entegre dokunmatik ekranı aracılığıyla kontrol edilebildiği için herhangi bir PC bağlantısına gerek duymadan bağımsız olarak çalıştırılabilir.

Eğer reolojik testlerin saha koşullarında, örneğin bir kamyonun arkasında mobil bir laboratuvarda yapılması gerekirse, HAAKE Viscotester iQ Reometresi, entegre bir ısı değiştiricisine sahip Peltier sıcaklık kontrol ünitesiyle donatılabilir. Bu yapı, hızla sökülebilir ve kompakt bir taşıma kutusuna (2) yerleştirilebilir, dakikalar içinde tekrar kurulabilir ve çalıştırılmak için sadece bir elektrik prizi gerektirir.

Materyaller ve Metot

Ham petrol örneği
Test edilen örnek, düşük ile orta viskoziteye sahip tipik Kuzey Denizi petrolüdür. Yüksek bir wax (parafin) içeriğine sahip olmasına rağmen, wax görünüm sıcaklığı (WAT) nispeten düşüktür.

Cihaz konfigürasyonu
Burada açıklanan testler için, HAAKE Viscotester iQ Reometresi, silindir geometrileri için Peltier sıcaklık modülü (TM-PE-C) ve bir ısı değiştirici ile donatılmıştır. Özellikle sıcaklık bağımlı testler için, Peltier sıcaklık kontrol modülü tercih edilen bir seçenektir, çünkü geniş bir sıcaklık aralığında dinamik ısıtma ve soğutma kapasitesi sunar. Yüksek sıcaklık veya düşük sıcaklık testi tamamlandığında, Peltier modülü başlangıç sıcaklığına hızlıca geri dönebilir, böylece testler arasında verimsiz zamanı en aza indirir.

Kuzey Denizi petrol örneğinin tahmin edilen özelliklerine göre, yalnızca 16.1 ml örnek hacmi gerektiren koaksiyel silindirik ölçüm geometri CC25 DIN seçilmiştir.

Farklı sıcaklıklarda viskozite eğrileri
Ham petrolün viskozitesinin sıcaklık bağımlılığı, 10 dakika boyunca 0’dan 400 s-1’e kadar kesme hızı artışlarıyla test edilmiştir. Sıcaklıklar +30 °C ile -5 °C arasında, her bir akış eğrisi arasında -5 °C’lik bir sıcaklık düşüşü ile yapılmıştır. Tüm test dizisi, Thermo Scientific™ HAAKE™ RheoWin™ Yazılımı ile programlanmış ve operatör müdahalesi gerekmeksizin tek bir dizide çalıştırılmıştır.

Sonuç ve Tartışma

+30 °C’den başlanarak, ilk akış eğrileri doğrusal bir ilişki gösteriyor veya diğer bir deyişle, Newtonian akış davranışı sergiliyor (Şekil 2). +5 °C’de ilk non-Newtonian davranış gözlemleniyor. 260 s-1’in üzerindeki kesme hızlarında, akış eğrisi, Newtonian akış davranışını temsil eden yeşil çizgiden farklılaşıyor. 0 °C’de non-Newtonian davranışın başlangıcı 200 s-1’de, -5 °C’de ise zaten 150 s-1’de gözlemleniyor. Beklendiği gibi, test edilen ham petrol, sıcaklık azaldıkça daha belirgin bir non-Newtonian akış davranışı sergiliyor.

Viskozitenin Sıcaklık Bağımlılığı
Üretim kuyusundan doğrudan çıkan ham petrol hala sıcaktır, dolayısıyla nispeten düşük bir viskoziteye sahiptir ve pompalanması oldukça kolaydır. Boru hattı taşımacılığı için kritik bilgi, petrolün sıcaklığı çevre sıcaklığının düşmesiyle birlikte azaldığında viskozitesinin artmasıdır; örneğin, derin su boru hattı etrafında olduğu gibi. Eğer viskozite çok yüksek olursa, bir boru hattının ulaşabileceği üretim hızı ve dolayısıyla kâr marjı düşer.

Testin başında, petrol +30 °C’de 100 s-1’lik sabit bir kesme ile dengeleme yapılmış ve ardından 30 dakika içinde sıcaklık, kesme hızı sabit tutulup -5 °C’ye düşürülmüştür. Sonra dengeleme aşaması dahil olmak üzere test tekrarlanmış, ancak bu sefer sabit bir kesme hızı olan 250 s-1 uygulanmıştır.

Yaklaşık +6 °C’ye kadar her iki sıcaklık eğrisi birbirine oldukça benzerdi. +6 °C’nin altındaki sıcaklıklarda, daha düşük kesme hızında ölçülen viskozite daha hızlı bir artış gösterdi.

+30 °C’deki ilk değerlerle -5 °C’deki son değerler karşılaştırıldığında, Kuzey Denizi Petrolü, 100 s-1’lik sabit kesme hızında viskozitesinde 23 kat, 250 s-1’de ise 15 kat bir artış göstermiştir (Şekil 3).

Şekil 2: Ham petrolün +30 °C ile -5 °C arasında her 5 °C’de bir toplanan viskozite eğrileri. En düşük 3 sıcaklık için ham petrol, 200 s-1’in üzerindeki kayma hızlarında hafif bir Newtonyen olmayan davranış göstermektedir.

Şekil 3: 100 s-1 ve 250 s-1’de test edilen Kuzey Denizi ham petrolünün sıcaklığa bağımlılığı. 30 °C ve -5 °C arasında viskozite sırasıyla 23 ve 15 kat artmaktadır.

Bir ham petrolün soğutulması sırasında viskozite artışı, iki etkiden kaynaklanmaktadır. Diğer tüm sıvılar gibi, ham petrol de soğutulduğunda viskozite artışı gösterir. Ancak, bunun yanı sıra, WAT (Wax Appearance Temperature – Wax Görünüm Sıcaklığı) altındaki sıcaklıklarda oluşan kristaller, viskozitesinin daha fazla artmasına neden olur.

Bu testin sonuçları, daha yüksek bir kesme hızının kristal büyüme sürecini değiştirdiğini ve bunun da soğuma sırasında viskozite artışının daha düşük olmasına yol açtığını göstermektedir.

Sonuçlar, teknik uygulamalarda bulunan davranışla uyumludur; burada daha yüksek akış hızları veya karıştırma ile kristalleşme süreci engellenebilir. Özellikle düşük akış hızlarına sahip bölgelerde, boru hatlarında mum birikintisi riski artacaktır.

Sonuç

Kompakt ve çok yönlü HAAKE Viscotester iQ Rheometer, ham petrolün farklı koşullar altında hızlı ve güvenilir viskozite ölçümleri yapabilmek için ideal bir cihazdır. Test laboratuvarlarında kurulabilir veya sahada taşınabilir bir cihaz olarak kullanılabilir; küçük yer kaplaması sayesinde neredeyse her türlü serbest masa alanına sığar.

Ham petrolün kesme hızı veya sıcaklıkla olan akış davranışını karakterize etmek için tipik testler, HAAKE RheoWin Yazılımı ile ya da cihazın dokunmatik ekranı kullanılarak bağımsız modda yapılabilir.

Bu raporda gerçekleştirilen tüm testler, geniş bir kesme hızı ve sıcaklık aralığında yüksek kaliteli viskozite verileri sağladı; bu, çeşitli mevcut yöntemler ve modellerle güvenilir bir veri analizi için mükemmel bir temel oluşturur. Elde edilen test sonuçları, test edilen Kuzey Denizi petrol örneğinin beklenen davranışıyla uyuşmaktadır.

Test için gereken küçük örnek hacmi, sıcaklık dengeleme ve temizlik için gereken zamanı azaltır, bu da daha verimli bir işlem sağlar.

Kaynak: ThermoFisher