Batı Raman Petrolünün Yerinde Yanma Kinetiğine Basıncın Etkisinin Alışılagelmiş Ve Eşdönüşüm Yöntemleri İle İncelenmesi

Abstract

Ham petroller özgül ağırlıklarına göre genellikle üç kategoriye ayrılırlar; ağır petrol (10o – 20o API), orta düzey petrol (20o – 30o API) veya hafif petrol (> 30o API). API dereceleri 10’dan düşük petroller extra ağır petrol (bitümen) olarak adlandırılmakla birlikte bu petrollerin akmazlıkları oldukça yüksektir. Ağır petrollerin moleküler ağırlıkları yüksektir ve daha büyük bileşenleri içermekle birlikte akmazlıkları yüksektir (> 100cp). Alışılagelmiş petroller (hafif petroller) dünya petrol kaynalarının sadece %30’unu içerirler. Bu nedenle teknolojinin ve kaynakların, dünyanın çeşitli yerlerindeki, bol ağır petrol ve bitümen kaynaklarının çıkartılmasına yoğunlaşması beklenir. Ağır petrol ve bitümen kaynaklarının çıkartılmasına kullanılar mevcut yöntemler soğuk ve ısıl yöntemler olarak ikiye ayrılır. Akmazlığı çok yüksek petroller için, akmazlığı düşürmeyi hedefleyen ısıl yöntemler tercih edilir. Isıl yöntemler buhar basma, yerinde yanma ve sıcak su basmayı kapsar. Diğer yandan, akmazlığı daha düşük ağır petroller içi madencilik, su basma gibi soğuk yöntemler uygulanır. Yüzey madenciliği rezervuar koşullarında mobilitesi olmayan bitümen çıkarımında tercih edilirken, su basma Kuzey Denizi gibi ağır petrollerin akmazlığı daha düşük olduğu yerlerde tercih edilir. En yaygın kullanılan ısıl yöntem buhar basma, bir enjeksiyon kuyusundan buharın rezervuara iletimi ve buharın etkisi ile mobilitesi artan petrolün üretim kuyularından üretilmesini içerir. Buhar basma ile ilişkili en önemli problem ısı kayıplarıdır. Isı kayıpları esas olarak buharı kuyuya ulaştıran yüzey hatlarında, kuyu içerisinde kuyu boyunca ve rezervuarda üst ve alt formasyonlara gerçekleşir. Buna ek olarak göreli olarak kalın rezervuarlara yerçekimi ardalanması karşılaşılan diğer önemli bir problemdir. Uzun süredir bilinen yerinde yanma yöntemi buhar basma yönteminin bir çok sınırlamasını içermemektedir. Temel olarak kuru ileri basma şeklinde uygulanır. Bu uygulamada kuru buhar ile rezervuar süpürülür. Diğer bir yandan ıslak ileri yanma yönteminde hava ve su beraber veya sırayla basılırlar. Buradaki amaç geride kalan ısıyı su yardımı ile süpürüp taşımaktır. Diğer bir yöntem ise tersinir yanmadır. Bu yöntemde basılan hava ve yanma cephesi zıt yönlerde haraket ederler. Yerinde yanmanın en önemli avantajı ısının yer altında üretilmesi ve yanma ürünlerini yer altında kalmasıdır. Yanma için gerekli hava ücretsiz olmakla birlikte heryerde ulaşılabilirdir – karada veya suda. Ancak yerinde yanma prosesi karmaşık olmakla birlikte mühendisliği zordur; kinetik modellerinin kurulması ve yanma özelliklerinin anlaşılması için birçok laboratuvar çalışması gereklidir. Bu çalışmanın temel amaçları; Türkiyenin güneydoğusunda yer alan Batı Raman sahasının 12o API’lık ağır petrolü için yanma kinetiği reaksiyon modelini oluşturmak, basıncın eş-dönüşüm yöntemi üzerine etkisini incelemek ve kullanılan petrolün yanmaya uygun olup olmadığını eş dönüşüm yöntemi ile incelemektir. Literatüredeki yanma kinetiği çalışmaları alışılagelmiş yöntemler ve eş dönüşüm yöntemleri olarak iki gruna ayrılabilir. Tadema (1959), Bousaid ve Ramey (1968) ve Fassihi (1981) tarafından gerçekleştirilen yerinde yanma kinetik çalışmalarının hepsi bir tür eğri-çakıştırma yöntemine dayanmaktadır. Bu çalışmalarda, reaksiyonlar gruplanır ve bir veya birden fazla reaksiyona indirgenirler. Ancak gerçekte yanma birçok karmaşık reaksiyonu içermektedir. Eş-dönüşüm yöntemi ise modelden bağımsız bir yöntem sunarak, karmaşık reaksiyon modelini devre dışı bırakarak aktivasyon enerjisinin tahminin sağlar. Ayrıca eş dönüşüm yöntemi kullanarak bir petrolün yanmaya uygun olup olmadığı incelenebilir. Daha önce geliştirilen alışılagelmiş ve eş dönüşüm yöntemleri üç grup reaksiyona işaret ederler. Bu reaksiyonlar düşük sıcaklıkta oksidasyon (DSO), orta sıcaklıktaki reaksiyonlar (OSO) ve yüksek sıcaklıkta oksidasyondur (YSO). LTO reaksiyonları petrol ve oksijenin 300oC altındaki reaksiyonlarıdır.Bu reaksiyonlar su ve kısmı olarak oksitlenmiş bileşenler ve carbon oksitler üretir. Orta sıcaklıktaki reaksiyonlar 300o-400oC (573.15– 673.15 K) arasında gerçekleşirler ve sıcaklığın artarken, oksijen tüketiminin azaldığı negatif sıcaklık gradyanı bölgesi içerir. Bu reaksiyonlar sırasında kok katı kayaç matrisi üzerine çökelir. HTO reaksiyonlar çökelen kokun oksijenle reaksiyonu sonucu oluşur ve 400oC’nin (673.15 K) üzerinde gerçekleşir. Yakıtın (kok) yanması bu dönemde gerçekleşir ve karbonmonoksit, kardondioksit ve su, bu dönemin en önemli ürünleridir. HTO reaksiyonları ısı üreten reaksiyonlardır. Bu çalışmada 100, 150, 200 ve 250 psig basınç altında ve farklı ısıtma hızlarında deneyler gerçekleştirilmiş ve Batı Raman petrolünün yanma kinetiği irdelenmiş, buna ek olarak basıncın eş dönüşüm yöntemi üzerine etkisi incelenmiştir. Gerçekleştirilen deneylerde sıcaklık artırımlı oksidasyon yöntemi uygulanmış ve üretilen gazlardan karbon oksitler ve oksijen, sıcaklık ölçümleri ile birlikte analiz edilmiştir. Bu deneylerde örnek (petrol, kum ve su karışımı) reaktörün içerisine konulur. Ardından reaktör fırının içine yerleştrilir ve sıcaklık daha önceden belirlenen ısıtma hızına göre ısıtılır. Reaktör içerisine yerleştirilen sıcaklık sensörleri aracılığıyla sıcaklık deney boyunca kayıt edilir. Deneyler boyunda reaktöre sabit debide hava basılır. Rektör içerisinde sıcaklığın artmasıyla birlikte öncelikle su buharlaşır. Ardından petrolün ayrışması başlar ve sıcaklık yeterince yükselince kinetik reaksiyonları gerçekleşir. Sistem basıncı, geri basınç regülatörü sayesinde kontrol edilir. Reaktörden çıkan gaz bir dizi filtreden geçerek sudan, yoğuşan hidrokarbonlardan ve parçaçıklardan temizlenir ve çıkan gazın içerindeki CO2, CO, O2 ve CH4 derişimleri kayıt edilir. Elde edilen oksijen tüketim verileri zamana göre çizildiğinde bütün ısıtma hızlarında ve bütün basınçlarda üç ana reaksiyon bölgesi olduğu görülmüştür: DSO, OSO sıcaklıktaki reaksiyonlar ve YSO. Isıtma hızı arttıkça oksijen tüketiminin ulaştığı maksimum değer artmaktadır. Alışılagelmiş yöntemler, doğrusal eğri-çakıştırma yöntemlerini kullanmaktadır. Aktivasyon enerjisi YSO bölgesi için Fassihi modeli kullanılarak hesaplanmıştır. Fassihi yöntemi ile elde edilen aktivasyon değerleri irdelendiğinde, artan ısıtma hızıyla hesaplanan aktivasyon enerjisi değerlerinin azaldığı, artan basınçla birlikte arttığı gözlemlenmiştir. Buna ilaveten modeleden bağımsız ve reaksiyon gruplarını ayrıştırabilen eş-dönüşüm yöntemi kullanılarak aktivasyon enerjisi hesaplanmış ve Fassihi yönteminden elde edilen değerlerle kıyaslanmıştır. Fassihi yöntemi ile elde edilen aktivasyon enerjisi değerlerinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Basıncın etkisi eş-dönüşüm yöntemi ile hem oksijen ölçümleri hem de karbonoksit ölçümleri kullanılarak incelenmiştir. Eş-dönüşüm eğrileri farklı basınçlarda karşılaştırıldığında, Batı Raman petrolünün YSO bölgesinde basıncın artmasıyla daha yüksek aktivasyon enerjilerinin hesaplandığı görülmüştür. Bunlara ek olarak, bütün basınçlar için reaksiyon modelleri oluşturulmuştır. Son olarak eş dönüşüm eğrileri değerlendirilerek Batı Raman petrolünün yanma için iyi bir aday olduğu sonucuna varılmıştır.

Crude oils are often grouped into three categories based on specific gravity range as either; heavy oil (10o – 20o API), intermediate oil (20o – 30o API), or light oils (> 30o API). A fourth classification is the so-called extra heavy oils ( 100 cp) and contain larger molecular weight components. Conventional oils (light oils) consist of only 30 % of the world oil resources and therefore technology and resources must be focused on how to extract the abundant heavy and bitumen resources in the various parts of the world. Current methods for extracting heavy and bitumen resources are usually grouped as thermal and non-thermal methods. For very viscous oils, thermal methods, which employ the use of heat to reduce oil viscosity, are usually preferred. Thermal methods include, steam injection, in situ combustion, and hot water injection. On the other non-thermal methods of oil recovery such as waterflooding, CO2 flooding etc. are employed for less viscous oils. Surface mining is usually employed in bitumen extraction, since there is practically no mobility in bitumen reservoirs and waterflooding is a preferred choice in North Sea area where heavy oils are less viscous. Steam injection, which is by far the most popular of the thermal methods, involves the use of an injection well to introduce steam into the reservoir and the use of a production well to produce the mobilized oil from the effect of the steam. The main problem with steam injection method is heat losses. Heat losses for steam injection occurs in the surface lines used for the transportation of steam, in the wellbore to the surrounding formations and in the reservior to overburden and underburden. In addition, problem of gravity override is experienced in relatively thicker formations. In situ combustion, which has been around for a while, is not as limited as steam injection. It is mainly applied as dry forward combustion, in which dry air is injected to a reservoir to create a hot air sweep within the reservoir, as wet forward combustion in which a water alternating gas process is employed to utilize the heat generated efficiently through the water vapor and the hot air sweep and finally as reverse combustion, where injected air and burning zones move counter currently. The main advantage of the in situ combustion process is the generation of heat in situ within the reservoir and the containment of combustion products within the reservoir. The air required for injection is free and can be found in any environment – onshore or offshore. The in situ combustion process is however complex and difficult to engineer and requires several laboratory studies to acquire kinetic parameters and to formulate appropriate reaction models to understand the burning characteristics of the oil involved during the combustion process. The main objectives of this study is to formulate reaction models for the Bati Raman crude oil, a 12o API heavy oil from the Southeastern part of Turkey, to study pressure effect on the isoconversional kinetic analysis, and finally to predict the suitability of the crude oil to undergo combustion using isoconversional methods. Combustion kinetic studies within the literature usually fall under conventional and isoconversional methods. Conventional in situ combustion kinetic studies done by Tadema (1959), Bousaid and Ramey (1968) and Fassihi (1981) all apply a sort of straight-line approach in their interpretation of kinetic data. In these studies, reactions are grouped and lumped together but in reality, crude oil combustion involves several complex reactions. The isoconversional approach, however, provides model free methods which can by-pass the complex reaction model for activation energy estimation. The isoconversional method also provides screening criteria for determination of good and bad candidates for combustion. Conventional and isoconversional studies, which have been done previously point to three main reactions during in-situ combustion process. These reactions are namely: Low Temperature Oxidation (LTO), Middle Temperature Reactions (MTR) and High Temperature Oxidation (HTO). LTO reactions occur below 300oC (573.15 K) as a result of injected oxygen reaction with oil. It produces water, partially oxygenated compounds and carbon oxides MTR occurs between 300o – 400oC (573.15– 673.15 K) and show the characteristic negative temperature region where oxygen consumption decreases as temperature increases. More coke (carboneous material) deposits on the rock matrix during this reaction period. HTO reactions occur above 400oC (673.15 K) as a result of reaction between injected air and deposited coke. Fuel combustion occurs during this period and it produces carbon dioxide, carbon monoxide and water as its main products. In this study, kinetic experiments were conducted at 100, 150, 200 and 250 psig to study the in situ combustion kinetics of Bati Raman oil. In addition effect of pressure on the isoconversional analysis was investigated. The ramped temperature oxidation method was employed, and the produced gases were analyzed for the oxygen and carbon oxides in the effluent gas composition. A plot of gas composition versus time at all heating rates for all operating pressures give a curve that shows the three regions of the three major reactions that take place during crude oil oxidation namely; LTO, MTR and HTO. Using the gas composition plots at various heating rates, it is observed that peak oxygen consumption increases with increasing heating rate. Conventional methods of kinetic studies employ straight-line approach for kinetic data analysis. Activation energy values are estimated for high temperature oxidation region by Fassihi’s method. For this method activation energy values generally decrease with increasing heating rate and increase with increasing pressure. The isoconversional technique which is model-free and deconvolve multi-step reactions naturally is also used in the calculation of activation energy in the high temperature region and compared with those obtained with the Fassihi method. The Fassihi method activation energy values are generally higher than those estimated with the isoconversional method. Pressure effect on activation energy is studied using the isoconversional fingerprints generated at different pressures for consumed oxygen with the isoconversional method. The isoconversional fingerprint comparisons show that increase in pressure has a corresponding activation energy increase in estimated values for Bati Raman crude in HTO region. In addition, reaction models were formulated for all operating pressures. Finally, using the various fingerprints obtained at different pressures, Bati Raman crude oil is viewed as a good candidate for combustion.