DE2460232A1 - Verfahren zur erzeugung einer kernstroemung in wasser-in-oel-emulsion oder dispersion - Google Patents
Verfahren zur erzeugung einer kernstroemung in wasser-in-oel-emulsion oder dispersionInfo
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Description
Be s ehre ibung
zu der Patentanmeldung
Shell Internationale Research Maatschappij B.V.
Carel van Bylandtlaan 30, Den Haag - Niederlande
betreffend:
Verfahren zur Erzeugung einer Kernströmung in Wasser-in-Öl-Emulsion©».
oder DisOersione-a
Von Kernströmung spricht man,, wenn durch eine Rohrleitung
(Pipeline) eine viskose Flüssigkeit wie Öl oder eine Ölemulsion in einem Kern, umgeben von einem Mantel aus einer leichter viskosen
Flüssigkeit wie Wasser, bei im wesentlichen dem Druckverlust der leicht viskosen Flüssigkeit gepumpt wird. Üblicherweise
wird eine Kernströmung durch Einspritzen von Wasser mit Hilfe eigener Mittel, um das in einer Fernleitung gepumpte viskose
Öl herum bewerkstelligt
Die Erfindung sieht nun vor, daß man eine Kernströmung einer weniger viskosen Flüssigkeit aus viskosen flüssigen Emulsionen oder Dispersionen erzeugt, indem man eine bestimmte Schergeschwindigkeit
für eine bestimmte Zeitspanne in einer Rohrströmung erzeugt, um die Emulsion zu brechen und eine mit geringer
viskoser Flüssigkeit angereicherte Zone in der Nähe der Rohrwand zu erzeugen. Beliebige leicht viskose flüssige Träger
wie Wasser, Erdölprodukte und ihre Destillate können hierfür Verwendung finden. Beliebige hochviskose Flüssigkeiten wie
Erdölprodukte und ihre Nebenprodukte und Gemische davon einschließlich fester Komponenten .wie Wachs und Fremdfeststoffe
wie Kohle oder Konzentrate sind ebenfalls brauchbar.
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-Z-
Das üblicherweise in Ölfeldern geförderte Rohöl enthält etwas Wasser. Bevor dieses Rohöl durch Fernleitungen transportiert
wird, soll es wünschenswerterweise vom Wasser befreit werden. Dies ist nicht schwierig, wenn das Öl-Wasser Gemisch nur freies
Wasser enthält, das sich leicht durch Absitzenlassen in Kesseln oder Tanks aus der Wasser-öl-Phase infolge des unterschiedlichen
spezifischen Gewichtes von Wasser und Öl abscheidet. Ist das Wasser jedoch im Öl in Form kleiner Tröpfchen dJLspergiert, so
ist die Abtrennung sehr viel schwieriger. Dieses Gemisch Wasserin-Öl kann entweder als Emulsion oder als Dispersion, bezeichnet
werden und läßt sich außerordentlich schwer in eine wässrige und eine Ölphase auftrennen, weil die kleinen Wasserteilchen
außerordentlich beständig im Öl dispergiert sind. Die Beständigkeit beruht auf dem sehr großen Grenzflächenbereich zwischen
Wasser und Öl in der Emulsion.
Um Emulsionen aufzubrechen, bei denen Wasser in Öl dispergiert ist, müssen die Wasserteilchen oder -tröpfchen in größere
Tropfen zusammenlaufen, die dann infolge des unterschiedlichen spezifischen Gewichtes sich absetzen oder aufgrund anderer
Effekte abgetrennt werden können. Hierzu gibt es sowohl physikalische als auch chemische Methoden mit Anwendung von Wärme
oder Elektrizität. Alle verschiedenen dem Fachmann geläufigen und technisch angewandten Methoden zum Aufbrechen der Emulsionen
und Gewinnen eines praktisch wasserfreien Öls besitzen verschiedene Nachteile. Die Hauptnachteile sind die unvollständige
Trennung von Öl und Wasser und die hohen Kosten der Trennverfahren, die üblicherweise verschiedene Stufen benötigen.
Die Erfindung bringt nun nicht nur ein neues und einfaches Verfahren
zum Auftrennen von Öl und Wasser sowie anderen stärker viskosen und schwächer viskosen Flüssigkeiten; sie zeigt vielmehr,
wie das Wasser oder eine andere weniger viskose Flüssigkeit, nachdem sie abgetrennt worden ist, für den Transport bzw.
die Förderung des Öls oder einer anderen stark viskosen Flüssigkeit genutzt werden kann mit Hilfe einer stark verbesserten
- 3 509827/0 656
Arbeitsweise, die die Kosten der Trennung mehr als ausgleicht. Die erfindungsgemäße Lösung des bestehenden technischen Problems
der Auftrennung von Wasser und Öl wird nachfolgend näher beschrieben.
Hauptziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens
zum Erzeugen einer Kernströmungmfeiner weniger stark viskosen
Flüssigkeit aus viskosen flüssigen Emulsionen oder Dispersionen
ohne Einspritzen von zusätzlicher weniger stark viskosen Flüssigkeit, wobei die beiden Flüssigkeiten im wesentlichen unlöslich
ineinander sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man eine
ausreichend hohe Schergeschwindigkeit während einer ausreichend langen Zeitspanne in einer Rohrströmung erzeugt, um
die Emulsion zu.brechen und eine wasserreiche Zone in der Nähe
der Rohrwandung zu erzeugen, wodurch der Strömungsdruckverlust drastisch vermindert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ganz älgemein auf
Emulsionen aus weniger stark viskosen Flüssigkeiten in stärker viskosen Flüssigkeiten anwenden, indem diese einer hohen Scherbeanspruchung
unterworfen v/erden, um die weniger viskose Flüssigkeit von der (stärker) viskosen Flüssigkeit abzutrennen.
Vorzugsweise wird die hohe Scherbeanspruchung erreicht durch
laminare Rohrströmung; diese bewirkt ein Wandern der in der viskosen Flüssigkeit dispergierten Tröpfchen der weniger viskosen
oder dünnflüssigeren Flüssigkeit zu einer Ringzone innerhalb des Rohres, die etwa das 0,6 bis 0,9-fache des Radius von
der Rohrmittellinie (Achse) entfernt ist. Die Tröpfchen, die auf diese Weise gewandert sind, agglomerieren sich unter Bildung
einer kontinuierlichen aus der weniger viskosen Flüssigkeit bestehenden Ring- oder Mantelzone, die die Kernströmung erzeugt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren löst nicht nur die oben aufgezählten
Probleme und Nachteile des Standes der Technik, sondern bringt noch weitere bedeutsame Vorteile, die in derrachfolgenden
Beschreibung näher erläutert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Bildung eines Kerns einer viskosen Flüssigkeit in einem Ring oder Mantel aus
einer weniger viskosen Flüssigkeit bei der Rohrströmung aus Emulsionen von weniger viskosen Flüssigkeiten in viskosen
Flüssigkeiten ohne Einspritzen von zusätzlicher weniger viskoser Flüssigkeit. Viskose Wasser-in-Öl Emulsionen werden
häufig während der thermischen Sekundärgewinnung von viskosen
Rohölen erzeugt. Das erfindungsgemäße hochwirksame Verfahren
zum Abtrennen von Wasser aus derartigen Rohölen ist vor allem in solchen Fällen von Vorteil, wenn derartige Emulsionen mit
Hilfe der Kernströmungs-Arbeitsweise transportiert bzw. gefördert werden sollen. Der derzeitige Stand der Technik lehrt,
daß man die Emulsion in eine Rohrleitung einspritzt oder einbringt und sie mit zusätzlichem Wasser umgibt. Diese Verfahren
sind der erfindungsgemäßen Arbeitsweise unterlegen, da sie zusätzlich Wasser benötigen sowie zusätzliche Energie, um eine
größere Menge kombinierter Flüssigkeiten oder fließfähiger Medien zu bewegen.
Erfindungsgemäß v/ird eine im wesentlichen hohe Schergeschwindigkeit
erzeugt während einer ausreichen langen Zeitspanne, um die Emulsion in eine viskose Flüssigkeitsphase (Öl) und eine weniger
viskose Flüssigkeitsphase (Wasser) zu trennen. Die Sehergeschwindigkeit
soll jedoch nicht dem Wert nahekommen oder ihn übersteigen, oberhalb dessen die Emulsionsbildung zwischen viskoser
Flüssigkeit und weniger viskoser Flüssigkeit eintritt. Die benötigten Scherkräfte können auf vielfältige Weise auf die Emulsion
zur Einwirkung gebracht werden, beispielsweise durch Rühren oder in Bewegung halten der Emulsion mit Hilfe mechanischer
Rührwerke wie Schaufelrührer oder anderer Vorrichtungen. Bevorzugt
werden die Scherkräfte mit Hilfe der Rohrströmung auf die Emulsion zur Einwirkung gebracht, insofern, als dieses die Kernströmung
erzeugt, indem eine mit weniger viskoser Flüssigkeit
— 5 — 509827/0656
angereicherte Zone nahe der Rohrwandung erzeugt wird, die auf diese Weise drastisch den Strömungsdruckabfall in der Rohrleitung
verringert.
Unabhängig von der gewählten Kombination von Mitteln, mit der die Scherkräfte auf die Emulsion zur Einwirkung gebracht werden,
muß eine ausreichende Scherkraft zur Einwirkung gelangen während einer ausreichend langen Zeitspanne, damit die weniger
viskose Flüssigkeit zusammenlaufen kann. Der Betrag an Arbeit, der für dieses Zusammenlaufen benötigt wird, hängt sehr stark
ab von der Viskosität der Emulsion und schwankt zwischen etwa 0,014 und 14300 kgm/kg Emulsion. Die Anwendung zusätzlicher
Scherarbeit bringt im allgemeinen keinen weiteren Vorteil verglichen mit den Extrakosten und kann insofern von Nachteil
sein, als sie zu erneuter Emulgierung führt. Ebenso bringt die Anwendung von weniger als 0,014 kgm Scherarbeit je kg Emulsion
nicht die angestrebten Ergebnisse im Hinblick auf das Zusammenlaufen der weniger viskosen Flüssigkeit (Wasser).
Das erfindungsgemäße Verfahren ist von besonderem Vorteil zum Abtrennen von Wasser aus zahlreichen Arten von viskosen Rohölen.
Ist vorgesehen, das Rohöl durch eine Rohrleitung (Pipeline) zu transportieren, so kann das erfindungsgemäße Verfahren angewandt
werden, urn die Wasserphase und die Ölphase in der Rohrleitung voneinander zu trennen. Im anderen Extremfall, wenn
das Rohöl so leicht ist, daß keine Kernströmung für den Transport benötigt wird, wird das erfindungsgemäße Verfahren nicht
benötigt, um das Wasser in Form einer Ring- oder Mantelzone abzutrennen, um die Kernströmung zu erzeugen, sondern lediglich
um die Trennung von Wasser und öl zu erreichen; dies trifft auch zu für die Trennung von anderen viskosen und weniger viskosen
Flüssigkeiten. Die Erfindung ist nützlich für viskose Emulsionen von zahlreichen Flüssigkeiten, deren Viskosität im
Bereich von 10 bis etwa 1 000 000 cSt liegt* vorzugsweise im Bereich von etwa 100 bis etwa 500 000 cSt. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist ebenfalls brauchbar für Emulsionen, die eine kleinere Menge bis zu einer großen Menge der weniger viskosen
Flüssigkeit enthalten. In Zahlen angegeben, die weniger viskose
*und <fte gegebenenfalls eine Streckgrenze (yield strength) besitzen.
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Flüssigkeit kann etwa 5 bis etwa 60 Vol.-%, vorzugsweise etwa
10 bis etwa 55 Vol.-$ ausmachen. Allgemein kann, wenn die viskose Flüssigkeit weniger als etwa 5 Vol.-% (weniger viskose
Flüssigkeit) enthält, das Wasser mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens abgetrennt werden, um so eine gereinigte viskose
Flüssigkeit zu erhalten; andererseits ist aber möglicherweise nicht genügend V/asser vorhanden, um Kernströmung der viskosen
Flüssigkeit innerhalb eines Mantels oder Ringes einer weniger viskosen Flüssigkeit zu ermöglichen. Unter diesen Umständen
kann etwas zusätzliches Wasser eingespritzt werden in die Strömung, so daß man die Kernströmung erzielt. Im anderen
Extremfall, wenn die viskose Flüssigkeit mehr als 60 Vol.-% weniger viskose Flüssigkeit enthält, liegt zu viel an weniger
viskoser Flüssigkeit vor, so daß Kernströmung nicht unter wirtschaftlich annehmbaren Bedingungen durchgeführt werden kann.
In diesem letzteren Falle kann ein Teil der weniger viskosen Flüssigkeit abgetrennt, entfernt und auf Vorrat zur Verfügung
gelagert werden, während mit der verbleibenden weniger viskosen Flüssigkeit dann die Kernströmung erzeugt wird.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren auf laminare (Rohr-) Strömung angewandt; es ist aber auch brauchbar für
turbulente Strömung, Allgemein wird eine solche Strömung erzeugt, daß die Schergeschwindigkeit bezogen auf Viskosität bei
Scherbeanspruchung 0 etwa 2 bis etwa 5 000 l/s beträgt; vorzugsweise wird die Schergeschwindigkeit bei etwa 5 bis etwa
l/s gehalten. Unter diesen Bedingungen wird die Länge des Rohres oder der anderen Strömungsvorrichtung so gewählt, daß die Verweilzeit
der Emulsion im Rohr ausreicht, um das Wandern der suspendierten Tröpfchen der weniger viskosen Flüssigkeit zu ermöglichen.
Allgemein beträgt die benötigte Mindestverwellzeit je nach
dem Prozentgehalt des Wassers, der Viskosität der viskosen Flüssigkeit,
der Temperatur, des Druckes und des Rohrdurchmessers etwa 0,1 bis 200 s, vorzugsweise 2 bis etwa 100 s. Längere Verweilzeiten
ermöglichen die Anwendung von niedrigeren Schergeschwindigkeiten·.
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Nachdem die Emulsion durch das Kernströmung erzeugende Rohr geflossen ist, kann das Rohr entwender trichterförmig erweitert
oder verengt sein oder aber den gleichen Rohrdurchmesser aufweisen. Die jeweilige Wahl hängt selbstverständlich
von der angestrebten Fließgeschwindigkeit in der Rohrleitung
ab. Bei hoher Geschwindigkeit läuft man Gefahr, die Kernströmung insofern zu zerstören, als die viskose Flüssigkeit und die weniger viskose Flüssigkeit infolge der in ihnen
vorhandenen Wirbel und Foucault-Ströme dazu neigen sich zu vermischen und auf diese Weise erneut eine Emulsion zu bilden,
wodurch die Kernströmung verloren geht. Andererseits kann die Kernströmung auch bei sehr langsamer Strömungsgeschwindigkeit
zerstört werden, weil bei solchen Geschwindigkeiten Graviationseffekte
stärker werden als die schwachen Sekundärströme, durch
die die viskose Flüssigkeit innerhalb des Mantels aus weniger viskoser Flüssigkeit suspendiert ist; die Folge ist, daß die
viskose Flüssigkeit die Rohrwand berühren kann und so die Kernströmung verloren geht. Es muß also eine Strömungs- oder
Fließgeschwindigkeit gewählt werden, die dazu beiträgt, die bestmögliche Kernströmung innerhalb der gesamten Länge der
Rohrleitung aufrecht zu halten. Hat man sich darauf festgelegt, daß der Rohrdurchmesser entweder verkleinert oder vergrößert
wird, so bildet der hierzu notwendige Diffusor (oder Trichter) vorzugsweise einen Winkel von 1°-bis 30°, insbesondere von etwa
1° bis etwa 9° (mit der Rohrachse), um eine erneute Emulsionsbildung infolge von Strömungstrennung zu verhindern.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist von sehr großem Vorteil beim Entwässern von Rohöl oder beim Auftrennen von anderen
viskosen.Flüssigkeiten und weniger viskosen Flüssigkeiten am
Endpunkt einer Rohrleitung. Das durch Brechen der Emulsion abgetrennte Wasser, welches für die Kernströmung verwendet wird,
ist freies Wasser und setzt sich ab, vrenn die Strömung in
einem Vorratsbehälter oder Tank unterbrochen wird. 'Der Engergieaufwand
für die üblichen Heiz-Behandlungsvorrichtungen zum ·
Aufbrechen von viskosen Wasser-in-Öl Emulsionen wird stark
verringert.
• - 8 -
509827/0656
Weiterhin wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens das Problem gelöst, wie ein Kernstromsj^stem' durch Öldruckverstärkerpumpen
in Rohrleitungen geführt werden soll, ohne vorher die weniger viskose Flüssigkeit von der viskosen Flüssigkeit abzutrennen
oder zusätzliche weniger viskose Flüssigkeit hinter der Oldruckverstärkerpumpe einzuspritzen. Die in Zentrifugalpumpen
vorhandenen sehr starken Turbulenz-Scherkräfte oder die in Verdrängerpumpen vorhandenen weniger starken Scherkräfte
neigen dazu, den Mantel aus weniger viskoser Flüssigkeit zu dispergieren und manchmal zu emulgieren innerhalb der viskosen
Flüssigkeit. Aus der US-PS 2 821 205 ist bekannt, daß Öl und Wasser voneinander getrennt v/erden müssen vor dem Durchgang
durch die Öldruckverstärker (Booster ) Pumpe, um ein solches Emulgieren zu verhindern. Die alternative Lösung hierzu besteht
darin, daß man neues Wasser oder andere weniger viskose Flüssigkeit hinter der Oldruckverstärkerpumpe zugibt, um die Kernströmung
einer Emulsion fortzusetzen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Notwendigkeit eliminiert, entweder
eine Trennung von Wasser und Öl durchzuführen oder zusätzliches Wasser zuzugeben, weil das erfindungsgemäße Verfahren die Bildung
bzw. erneute Bildung von Kernströmung selbst beim Durchgang durch Pumpen ermöglicht, die dazu neigen, Wasser in Öl
zu emulgieren oder zu dispergieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde in einem Stahlrohr mit
Innendurchmesser 12,7 mm und Länge 135,9 cm durchgeführt. Das Rohr stand mit einem Druckbehälter und einer Kraftmeßdose in
Berührung. Die Kraftmeßdose diente dazu, die Fließ- oder Strömungsgeschwindigkeit
anzugeben. Die Emulsion wurde in den Druckkessel gespeist; an diesen wurde Druck in dem gewünschten Ausmaß
angelegt und die Strömung durch Öffnen eines Auslaßventils in Gang gesetzt. Es wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt
mit einer Emulsion und beginnend bei niederem Druck; der Druck wurde so lange gesteigert, bis die Kernströmung hergestellt war,
In manchen Versuchen wurde anschließend der Druck wieder verringert, um zu zeigen, daß die Kernströmung weiterhin erhalten
blieb.
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Verwendet wurde jeweils Midway-Sunset Rohöl mit einem Wassergehalt
von 10 Vol.-%.
Emulsion: | Test 1 | cSt | * laminar(Shear Thinni |
|
Druck im Vo tank kg/cm |
Viskosität : 5 200 spez. Gewicht: 0,97 |
rrats- Strömungsgeschwin- Strömungs-Bedingung digkeit (cm/s) |
laminar " | |
Versuch | 0,35 | 3,22 | laminar " | |
1 | 0,42 | 4,15 | 1aminar " | |
2 | 0,49 | 5,56 | laminar " | |
3 | 0,56 | 7,15 | Unterbrochene(inter mittierende Kern strömung) |
|
4 | 0,63 | 8,86 | Stetige Kernströmung | |
5 | 0,70 | 10,82-112,10 | ||
6 | 0,77 | 199,30 | ||
7 | ||||
Test 2
Emulsion: Viskosität: 45 000 cSt spez.Gewicht: 0,984
Versuch Druck im Vorrats- Strömungsgeschwin- Strömungs-Bedingung
tank kg/cmr digkeit (cm/s)
1 1,40 0,94 laminar(Shear Thinning
2 1,75 1,29 Laminar »
3 2,81 2,13 laminar
4 3,86 3,24 Laminar "
5 4,92 4,30-26,47 Unterbrochene(inter
mittierende Kernströmung)
6 3,86 27,80 Stetige Kernströmung
- 10 509827/0656
Test 3
Emulsion: Viskosität: 80 000 cSt spez.Gewicht: 0,985
Versuch Druck im Vorrats- Strömungsgeschwin- Strömungs-Bedingung
tank kg/cm2 digkeit (cm/s)
laminar(Shear Thinning Laminar "
laminar " laminar "
Unterbrochene(Intermittierende Kernströmung)
Stetige Kernströmung Stetige Kernströmung
*Shear Thinning laminar bezeichnet die Erscheinung, daß bei zähflüssigen
Rohölen infolge der Einwirkung von Scherkräften der Strömungswiderstand abnimmt. Im Falle von Öl/Wasser Emulsionen
bewirkt die Einwirkung von Scherkräften auf die laminare Leitungsströmung, daß Wassertröpfchen in Richtung Leitungswand v/andern,
woraus sich eine Verdünnung ergibt.
1 | 0,63 | 0,32 |
2 | 1,89 | 1,12 |
3 | 2,10 | 1,35 |
4 | 2,81 | 1,78 |
5 | 3,51 | 2,46-35,20 |
6 | 1,75 | 20,20 |
7 | 1,05 | 23,37 |
72XV
50 98 27/06 5 6
Claims (5)
1. Verfahren zum Erzeugen einer Kernströmung einer Emulsion
aus einer viskosen Flüssigkeit und einer weniger viskosen Flüssigkeit ,insbesondere mit einer Viskosität von etv/a 100
bis etwa 1 000 000 cSt in einer Leitung, dadurch g e k e η nzeichnet,
daß man die in der Leitung strömende Emulsion einer hohen Schergeschwindigkeit ausreichend lang unterwirft,
um die Emulsion zu brechen und eine mit weniger viskoser Flüssigkeit angereicherte Zone in der Nähe der Leitungswand
zu erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η n.z e ic h net,
daß die Emulsion etwa 5 bis etwa 60 Vol.-% V/asser enthält,
" -
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß man die Schergeschwindigkeit, bezogen auf Viskosität bei Scherbeanspruchung O, bei etwa 2 bis
etwa 5 000 l/s, vorzugsweise bei etwa 5 bis etwa 500 l/s, hält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man die Emulsion in der die Kernwährend
Strömung erzeugenden Leitung etwa 0,1 bis 200 s, vorzugsweise
von 2 bis etwa 100 s, hält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e- kennze
ichnet , daß man zur Überführung der Kernströmung aus der Leitung in eine anders bemessene Leitung einen
Diffusor oder einen Umkehrdiffusor anwendet.
5 09827/065 6
1A-45 501
6β Verfahren nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η ze'ichnet,
daß man einen Diffusor mit einem Winkel von etwa 1° bis etwa 30°, vorzugsweise von etwa 1° bis etwa
9°, anwendet.
7· Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 zum Trennen einer weniger viskosen Flüssigkeit von einer viskoseren
Flüssigkeit.
80 Anwendung nach Anspruch 7 zum Transport von Rohöl aus
der Fördersonde bis zur Abtrennung des Wassers,
5 0 9827/0656
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