ポンプ技術により高粘度オイルを扱うパイプラインのコストを削減

重質原油をパイプラインを通して輸送することは困難であり、費用がかかる場合があります。 パイプライン事業者の営業支出 (opex) に最も大きく寄与するのはエネルギーコスト、特にポンプを駆動するエネルギーです。 重油やビチューメンなどの高粘度で密度の高い材料の場合、エネルギー効率の高いポンプ技術の選択がコスト管理に特に重要であり、電力消費量を 20% ～ 50% 節約できます。

新規原油生産に対する世界的な需要が高まるにつれて、粘度がポンプ性能に及ぼす影響を理解することがより重要になっています。 世界的な管理会社マッキンゼー・アンド・カンパニーは、今後20年間で、探査・生産会社は需要を満たすために日量3,800万バレルの新規原油生産を追加する必要があると推定している。

この需要の増大に伴い、重質原油への依存も高まっています。 世界の回収可能な原油の半分以上は、米国石油協会 (API) の比重が 22 度以下であり、粘度は API の比重、温度、化学組成に応じて 50 ～ 1000 センチストーク (cSt) を超えます。 地球上で技術的に回収可能な重油と天然アスファルトの 80% 以上が西半球に集中しており、その中にはベネズエラ、カナダ、カリフォルニア、アラスカ、ユタの大規模鉱床も含まれています。

パイプラインのオペレーターは、高粘度の影響を軽減するためにさまざまなアプローチを検討してきました。 アルバータ州北部にパイロット施設が建設され、生の重いタール状アスファルトを加熱状態で断熱埋設された長距離パイプラインを通して汲み上げ、粘度を低下させた。 他の方法には、水素化分解、水素化処理、または水素化精製を通じてパイプラインに入る前に石油を部分的にアップグレードすることが含まれます。 このアプローチには上流の施設の構築が必要です。 より一般的には、有効粘度を下げるために粘性流体に希釈剤が添加されます。 希釈剤には炭化水素 (凝縮水、ガソリン、灯油、またはナフサ) を使用できます。 しかし、希釈剤自体は（たとえ輸送された流体から後で回収されるとしても）かなりの運用コストであり、希釈剤を輸送、保管、混合、除去/リサイクルするための設備がさらにコストを増加させます。 水中油型エマルジョンの調製には、30% ～ 35% の水と少量の界面活性剤の添加が必要です。

高粘度を処理し、経済的な利益をもたらす最も効果的な方法は、適切なポンプ技術を使用することです。

遠心ポンプはパイプラインの運用では広く普及していますが、水、精製炭化水素、軽質原油など、比較的粘度の低い液体 (API 45 度以上) 用に設計されています。 これらの低粘度の流体では、遠心ポンプをコスト効率よく運用でき、80% 半ば以上の効率を達成できます。 しかし、遠心ポンプはわずかな粘度の増加でも摩擦損失により性能が低下します。 粘度は、エネルギーが加えられたときの流体のせん断に対する抵抗の尺度です。 ポンプ動作により、流体が遠心力によってインペラから飛び散るため、高い液体せん断が発生します。 粘度が高くなるほど抵抗が大きくなり、遠心ポンプの動作がより難しくなり、より多くの馬力が必要となり、より多くのエネルギーを消費します。

半世紀にわたり、石油会社やパイプライン運営者は、高粘度の石油を移動させる際に、遠心ポンプに代わる代替手段を模索してきました。 容積式ポンプとして知られる容積式 (PD) ポンプは、遠心ポンプとは異なる動作原理を採用しており、摩擦損失の影響を軽減し、高粘度の流体を圧送する際の効率を高めます。 PD ポンプには 1 ポンピング サイクルあたりの容量があります。 そのサイクルは往復運動または回転かもしれません。 PD ポンプの利点は、各動作サイクル中に一定量の液体を移動させるため、圧力が変化しても比較的一定の流量を維持できることです。 この機能により、パイプラインのオペレーターは、流体の圧力に関係なく、ポンプ速度を制御することで流量を正確かつ一貫して制御できます。