Rheological characterization of some Lybyan waxy crude oil

Abstract

The precipitation of wax in crude oils at temperatures below their pour point leads to the formation of a network structure of waxy crystals and the gelation of the oil. It is thus very important to have a good understanding of the behavior of waxy crude oils during transportation at low temperature, and the rheological behavior of the gelled crude, as this would be useful information for the design and operation of pipeline systems that would help decrease the costs of production and transportation. This thesis was motivated by the lack of information on the characteristics of the wax phase of Libyan waxy crude oils and of their rheological behavior at temperatures below the pour point. The characterization of the oil and wax provides useful information required for operational engineering, and process development, including modifications to the processing of the crude oils. This study used DSC to measure the wax appearance temperature for five Libyan crude oils; the carbon number distribution of these waxes was determined by GC-FID; extensive information about the structural composition of these waxes was obtained using C-NMR; and information about the crystalline structure of these waxes was obtained using X-ray diffraction. A better understanding and more detailed knowledge of the rheological behavior of some Libyan waxy crude oils was developed in this work. The characterization of the rheological characteristic of Libyan waxy oils is an important contribution to the Libyan oil industry. This can be illustrated by the fact that the rheological characterization of gelled waxy oils near their pour point is useful to extract information about the gel structure, the gel strength and to further explore the network stability due to wax deposition, i.e. the flowability of crude oils in pipelines by prediction of the successful start-up pressure and pump capacity required after shutdown. This will allow to avoid operational problems and reduce the cost of production by the use of hazardous chemicals, which are not only costly but also have negative environmental impacts, while minimizing losses by reduced production due to line blockage. Based on the considerations exposed above this thesis focus on the study of the flow behavior of the oils below their pour point temperatures. Furthermore the effect of stress applied on the gelling properties and the gel breakdown of crude oil samples after a specified aging time was investigated. Lastly, in order to explore the elasticity, stability and strength of the crude oils gels we have experimentally studied the viscoelastic properties of the oils above and below the pour point.

A precipitação de cera em petróleos brutos a temperaturas inferiores ao seu ponto de escoamento, conduz à formação de uma estrutura de cristais de cera e à gelificação do óleo. Assim, é muito importante ter uma boa compreensão do comportamento dos óleos brutos e da precipitação de cera durante o transporte a baixa temperatura, bem como do comportamento reológico do crude gelificado, já que esta seria uma informação útil para o projeto e operação de sistemas de oleodutos, e que permitiria diminuir os custos de produção e transporte. Esta tese foi motivada pela falta de informação sobre as características de óleos brutos parafínicos da Líbia e do seu comportamento reológico a temperaturas inferiores ao ponto de fluxão. A caracterização do óleo e da sua cera pode fornecer informação útil necessária para a engenharia operacional e o desenvolvimento de processos, incluindo a modificação do processamento dos petróleos brutos. Este estudo utilizou DSC para medir a temperatura de formação da cera em cinco óleos brutos de petróleo Líbio; a distribuição dos alcanos presentes nestas ceras foi determinada por GC-FID; extensa informação sobre a composição estrutural destas ceras foi obtida usando CRMN; e informações sobre a estrutura cristalina dessas ceras foi obtida usando difracção de raios-X. Neste trabalho tentamos desenvolver um conhecimento mais aprofundado acerca do comportamento reológico de alguns petróleos brutos parafínicos da Líbia. A caracterização reológica de petróleos parafínicos é uma contribuição importante para a indústria petrolifera Líbia. Isto pode ser explicado pelo facto de o comportamento reológico de óleos parafínicos próximo do ponto de fluxão ser útil para caracterizar a estrutura do gel, a sua resistência e a estabilidade da rede resultante da deposição de cera, permitindo assim prever os perfis de escoamento do petróleo em dutos, a pressão de arranque e a capacidade da bomba, minimizando problemas de operação, reduzindo o uso de produtos químicos perigosos e impactos ambientais negativos, e em geral, os custos associados ao processo. Baseado nestes argumentos expostos acima, esta tese foca-se no estudo do comportamento reológico dos óleos selecionados abaixo das suas temperaturas de ponto de fluxão. O efeito da tensão aplicada sobre as propriedades de escoamento e de gelificação e a quebra de gel de amostras de petróleo em bruto, após um tempo de envelhecimento especificado foi investigada. Por último, a fim de explorar a elasticidade, a estabilidade e a resistência dos géis formados por petróleos parafínicos, estudamos experimentalmente as propriedades viscoelásticas dos óleos acima e abaixo do ponto de fluxão.