Deposición de Asfaltenos: Factores, Problemas y Soluciones

Los problemas asociados con la deposición de asfaltenos generan importantes pérdidas de
producción e implican costosas medidas correctivas. La deposición de asfaltenos reduce en gran
medida la productividad de los pozos afectados y, en algunos casos, detiene el flujo del pozo
después de un taponamiento completo de la columna de producción, también puede obstruir las
instalaciones de producción de superficie. Este artículo revisa los diferentes factores que influyen
en la deposición de asfaltenos. En este trabajo se presentan los principales problemas provocados
por la deposición de asfaltenos. Nos centraremos en los métodos actuales para combatir estos
problemas mediante la eliminación y la prevención de la deposición de asfaltenos. Entre los
objetivos de este estudio de revisión se encuentra proporcionar una descripción general de los
inhibidores y dispersantes de asfaltenos actuales que se han utilizado en la literatura. Finalmente,
este trabajo arroja luz sobre la estrategia para controlar y minimizar los depósitos de asfaltenos
por inhibidores o dispersantes para evitar cualquier consecuencia dañina que se producirá
posteriormente por los depósitos de asfaltenos.
Los asfaltenos son la fracción más pesada y polar del petróleo crudo.
Son moléculas poliaromáticas rodeadas de cadenas alifáticas y heteroatómicas (N, O, S), también
pueden tener metales (Fe, Ni, V) (Speight, 2004); donde su composición química varía de un crudo
a otro como se muestra en la Tabla 1; donde el asfaltenos aislado del petróleo crudo de Irak no
tiene Azote en su composición elemental (DeCanio et al., 1990) en comparación con la
composición elemental de los asfaltenos de Kuwait (Ancheyta et al., 2002), esta tabla reagrupa
también la composición química de los asfaltenos extraído de crudos de Aranian (Sato et al.,
2005), canadienses (Ibrahim e Idem, 2004) y chinos (Chen et al., 2012); tienen los mismos
elementos químicos y metales, pero su tenor cambia según el origen del petróleo crudo.
Generalmente, los asfaltenos se caracterizan por un alto peso molecular que juega un papel
importante en la insolubilidad de los asfaltenos. Esta masa generalmente varía de 500 a 1000 uma;
varía considerablemente según la fuente de petróleo crudo y las condiciones de operación.
(Boduszynski, 1988; Lichaa, 1977). Los asfaltenos no tienen una estructura química exacta. Sin
embargo, se caracterizan por anillos poliaromáticos que contienen heteroátomos (O, N, S) y
cadenas laterales alifáticas.
Se han propuesto dos modelos en la literatura para describir la estructura de los asfaltenos. El
primero es el modelo "continental" o "isla" que proporciona una estructura de asfaltenos
moleculares monoméricos que tiene un peso molecular en el rango de ~ 500 a 1000 Da, con un
máximo de ~ 750 Da, que consta de 6 a 7 anillos aromáticos condensados por varios grupos
alifáticos con heteroátomos como se muestra en la Fig. 1 (A) (Castillo et al., 2001; Groenzin y
Mullins, 2000). El segundo modelo presentado en la Fig. 1 (B) es el "archipiélago" o "tipo rosario"
que propone que los monómeros de asfaltenos individuales se componen de grupos
policondensados que contienen de 5 a 7 anillos aromáticos cada uno está unido por cadenas
laterales alifáticas cortas que posiblemente contienen puentes heteroatómicos polares (Acevedo
et al., 2007; Strausz et al., 1999). Este modelo molecular propuesto tiene un peso molecular
alrededor de 6000 g / mol mayor que el peso molecular de la masa determinado en la actualidad
(Kelland, 2014). La definición operativa admite que los asfaltenos constituyen la fracción de
hidrocarburo insoluble en un gran exceso de alcano a temperatura de ebullición pero soluble en
tolueno. La longitud de este alcano es variable según el estándar utilizado, puede ser n-pentano
según ASTM D893-69 y ASTM D2006-70 (Speight et al., 1984), n-heptano según NF AFNOR T60-115
( Savvidis et al., 2001), IP143 / 90 (Nazar y Bayandory, 2008) y DIN51-595 (Ortega et al., 2015).
Los estudios de los asfaltenos del petróleo han aumentado rápidamente durante los últimos años
debido al aumento de los problemas causados por los asfaltenos en las industrias del petróleo.
Esto se puede ver claramente en la Fig.2 que ilustra el número de artículos publicados en revistas
científicas desde el año 2005 hasta noviembre de 2016 (recopilados de la base de datos de Google
Scholar) debido a que este volumen creciente de producción de crudos enfrenta cambios drásticos
en las propiedades de alimentación del petróleo, afectará a todo el sistema de producción. Por
esta razón, nuestro trabajo ha estado cubriendo ampliamente los problemas de deposición de
asfaltenos durante la producción de petróleo y sus métodos de eliminación y prevención. La
inestabilidad de los asfaltenos que causa la precipitación es independiente de la cantidad de
asfaltenos presentes en el petróleo crudo; sin embargo, depende de las propiedades del propio
asfaltenos y de las propiedades de las otras fracciones del petróleo crudo. Por ejemplo, los
asfaltenos del petróleo crudo Boscan de Venezuela constituyen el 17.2% en peso, no causan
problemas en comparación con el petróleo crudo Hassi Messaoud de Argelia que contiene 0.15%
en peso de asfaltenos, que causan muchos problemas en el sistema de producción de petróleo.
(Sarma, 2003). Este artículo actual revisará los factores que influyen en la deposición de asfaltenos
durante la producción de petróleo, incluidos los problemas inducidos por los depósitos de
asfaltenos y los métodos utilizados para remediarlos. Además, esta revisión reagrupa también
diferentes inhibidores y dispersantes que se han desarrollado en estos últimos años para prevenir
la deposición de asfaltenos.
Este artículo actual revisará los factores que influyen en la deposición de asfaltenos durante la
producción de petróleo, incluidos los problemas inducidos por los depósitos de asfaltenos y los
métodos utilizados para remediarlos. Además, esta revisión reagrupa también diferentes
inhibidores y dispersantes que se han desarrollado en estos últimos años para prevenir la
deposición de asfaltenos.
2. Factores que influyen en la deposición de asfaltenos
2.1. Efecto de la composición química
La composición química del petróleo crudo juega un papel importante en la evaluación de la
estabilidad; Los asfaltenos de un petróleo crudo estable se caracterizan por una baja aromaticidad
(baja condensación de anillos aromáticos) y un alto contenido de hidrógeno. Sin embargo, en el
petróleo crudo inestable, los asfaltenos se caracterizan por un bajo contenido de hidrógeno y una
alta aromaticidad (Rogel et al., 2001). Parece fácil estimar la estabilidad de un petróleo crudo a
través del gráfico de Stankiewics que toma en cuenta las fracciones de SARA. En este método, las
proporciones de saturados / aromáticos se representan frente a las proporciones de asfaltenos /
resinas como se muestra en la Fig. 3 para evaluar la tendencia de la precipitación de asfaltenos. Sin
embargo, dos regiones están claramente marcadas como zonas estables e inestables (Stankiewicz
et al., 2002). En el petróleo crudo, los asfaltenos tienen una forma coloidal estabilizada por las
resinas de petróleo, porque las resinas tienen una polaridad intermedia entre los asfaltenos y los
aromáticos. Estas resinas son estructuralmente similares al asfaltenos con un peso molecular
mucho más bajo. sus moléculas se caracterizan por pequeños anillos aromáticos y largas cadenas
de alquilo y contienen menos heteroátomos que los asfaltenos.
los sitios polares de las resinas interactúan con los sitios polares de los asfaltenos, mientras que los
sitios no polares de las resinas interactúan con la fase oleosa para formar una capa estérica
alrededor de las partículas de asfaltenos y crear una entidad combinada llamada "micela" (Schantz
y Stephenson, 1991) . La composición del fluido del yacimiento cambia debido al agotamiento
natural durante la recuperación del fluido primario, lo que puede resultar en la pérdida de
componentes más livianos que conducen a una disminución de la relación gas / petróleo (GOR) y
un aumento de la densidad del fluido. Estos dos efectos reducirán la tendencia a la floculación de
los asfaltenos (Leontaritis, 1989). La inyección de fluidos miscibles (CH4, gas natural) durante la
recuperación secundaria de petróleo tiene el potencial de causar la floculación de los asfaltenos
(Kokal y Sayegh, 1995), porque las resinas naturales del petróleo actúan como un agente
peptizante de los asfaltenos que se disuelven parcial o completamente en presencia de un exceso
de hidrocarburos de bajo peso molecular (Boukherissa, 2008; Takhar et al., 1995), por esta razón
los asfaltenos se despeptizan, coagulan y precipitan (Haskett y Tartera, 1965). Los resultados de la
precipitación de asfaltenos de petróleo crudo Arab-D del campo Ghawar a diferentes valores de
GOR mostraron que la precipitación de asfaltenos ocurre a valores de GOR relativamente bajos (~
625scf / bbl). Considerando que, la cantidad de asfaltenos precipitados es muy baja en las
condiciones de aparición y aumenta con el aumento de la relación gas / petróleo (Kokal et al.,
2003). Debido a varios años de extracción de petróleo, el yacimiento está sometido a un notable
descenso en su producción y como solución prometedora es necesaria la recuperación asistida por
la inyección de CO2 para recuperar el máximo de petróleo. En este caso, la inyección de CO2 en el
yacimiento puede provocar la precipitación de asfaltenos en el yacimiento debido a su miscibilidad
con el petróleo crudo (Leontaritis y Mansoori, 1988; Monger y Fu, 1987; Tuttle, 1983; Vafaie-Sefti
et al., 2003). La existencia de agua en los reservorios de petróleo aumenta la complejidad de la
deposición por precipitación de asfaltenos, debido a que el agua de formación contiene diferentes
iones con diferentes cargas que pueden alterar la estabilidad de los asfaltenos (Hu et al., 2015). El
efecto de la salinidad sobre la estabilidad del asfaltenos está relacionado con la afinidad de
adsorción de aniones y cationes de sales presentes en el agua. Además, la concentración de sal
tiene un impacto negativo en la estabilidad de los asfaltenos. Sin embargo, este impacto depende
en gran medida del contenido metálico de los asfaltenos y del contenido de iones de las
salmueras.
2.2. Efecto de la presión
La precipitación de asfaltenos ocurre durante la disminución de la presión por encima del punto de
burbuja; esta disminución de presión disminuirá su solubilidad y el aceite se convertirá en un mal
solvente para los asfaltenos. Por debajo del punto de burbuja, el cambio de la composición
química del aceite debido a la liberación de gas mejora la solubilidad de los asfaltenos, mientras
que la presión baja, el aceite se convierte en un buen solvente para los asfaltenos (Hirschberg et
al., 1984; Vargas et al., 2009). El cálculo del parámetro de densidad y solubilidad para un petróleo
crudo durante una prueba de agotamiento natural a la temperatura del yacimiento demostró que
durante la disminución de la presión por encima del punto de burbuja, el parámetro de densidad y
solubilidad del petróleo crudo disminuye y hace que los asfaltenos sean menos estables, lo que
resulta en su precipitación ( Figura 5). Sin embargo, la reducción de la presión por debajo del
punto de burbuja libera el gas disuelto del petróleo crudo y aumenta la densidad y el parámetro
de solubilidad; en este caso, los asfaltenos precipitados se disuelven nuevamente en el aceite a
granel (Fig. 6) (Bahramiet al., 2015).
2.3. Efecto de la temperatura
El efecto de la temperatura sobre la estabilidad de los asfaltenos puede ser complejo y se pueden
identificar varios factores. El primer factor es la solubilidad de los asfaltenos, que aumenta con el
aumento de la temperatura y, en consecuencia, se precipita una masa baja de asfaltenos a altas
temperaturas. El segundo factor es el cambio de composición del petróleo crudo debido al
calentamiento; cuando la mezcla del aceite se calienta en fracciones ligeras principalmente los
alcanos se dilatan y reducen el parámetro de solubilidad del petróleo crudo haciendo que los
asfaltenos sean menos solubles, por esta razón a temperaturas más altas la baja solubilidad de los
asfaltenos conducirá a una rápida agregación y menor tiempo de reacción para detección de
precipitaciones. El último factor es el papel de la viscosidad en la tasa de agregación; la viscosidad
del aceite disminuye al aumentar la temperatura.
Además, la difusividad de las partículas de asfaltenos aumenta y conduce a una agregación más
rápida (Maqbool, 2011). Se investigó un estudio sobre el impacto de la temperatura en la
precipitación de asfaltenos para el petróleo crudo iraní y los resultados de este estudio mostraron
que la precipitación de asfaltenos disminuye a medida que aumenta la temperatura (Fig.7) lo que
significa que este fenómeno puede ocurrir debido a la variación molar. volumen de componentes
del aceite que conduce a un cambio en la solubilidad del aceite (Afshari et al., 2010).
2.4. Efecto electrocinético
Debido al potencial eléctrico generado por el flujo de fluidos a través de los poros del yacimiento o
la tubería, los efectos electrocinéticos desestabilizan las micelas de asfaltenos y contribuyen a su
floculación, y la magnitud de estos efectos electrocinéticos está dictada principalmente por la
velocidad de los fluidos del yacimiento. El problema de precipitación de los asfaltenos es mayor
cerca de los pozos; donde la velocidad del flujo es más alta (Kokal y Sayegh, 1995; Sarma, 2003).
2.5. Tratamiento de estimulación ácida
La estimulación matricial es una técnica utilizada para restaurar la permeabilidad inicial de una
formación dañada disolviendo y / o dispersando materiales que perjudican la producción del pozo
mediante la inyección de un fluido (por ejemplo, ácido o disolvente). Sin embargo, los
tratamientos de estimulación con ácido clorhídrico definitivamente pueden precipitar asfaltenos
del petróleo crudo y provocar daños severos a la permeabilidad (Lichaa y Herrera, 1975); donde
los iones de hierro son los responsables de la precipitación de asfaltenos durante el tratamiento
de estimulación mediante inyección de ácido HCl. Se podría explicar el efecto de Feþþ y Feþþþ
sobre la precipitación de asfaltenos como posiblemente un efecto de neutralización de carga
debido a la coordinación del ion hierro con porfirina, pirrol, piridina o grupos hidroxilo fenólicos de
moléculas de asfaltenos (Jacobs y Thorne, 1986).
3. Problemas de deposición de asfaltenos durante la producción de petróleo
La precipitación y la deposición de asfaltenos durante la producción de petróleo son la fuente de
muchos problemas, incluida, por un lado, su tendencia a dañar la roca del yacimiento y, por otro
lado, su capacidad para taponar la tubería y las otras instalaciones de producción.
3.1. Daño de formación
La floculación de asfaltenos en el yacimiento puede reducir efectivamente la movilidad de los
hidrocarburos al obstruir los poros y, en consecuencia, reducir la permeabilidad de la roca del
yacimiento, así como los asfaltenos floculados pueden alterar la humectabilidad de la formación y
convertirla de superficie mojada por agua a superficie mojada por aceite aumentar la viscosidad
del fluido mediante la formación de emulsiones de aceite / agua (Leontaritis et al., 1994; Nabzar et
al., 2005). Se considera que los asfaltenos son responsables de alterar la mojabilidad de la roca del
yacimiento debido a sus grupos funcionales polares que interactúan con los óxidos de las
superficies minerales (Buckley et al., 1989); Como los asfaltenos son más polares y más pesados
que el agua que rodea la superficie de la roca, pueden difundirse a través de la película de agua
para adsorberse en la superficie de la roca e invertir su mojabilidad (Fig. 8) (Leontaritis, 1989).
Leontaritis y Mansoori explicaron el mecanismo de adsorción de asfaltenos de una muestra de
aceite por la carga positiva de asfaltenos floculados que facilita su penetración a través de la
película de agua para unir la carga negativa de las superficies minerales y luego convertirlas en
superficies húmedas de aceite. Este fenómeno aumenta la saturación residual de petróleo y afecta
negativamente la recuperación de crudo (Leontaritis y Mansoori, 1987). La característica
cualitativamente esencial para la reversión de la humectabilidad parece ser el contacto directo
entre las interfaces aceite / agua y mineral / agua después de la ruptura de la película de agua.
Aparentemente, la deposición de asfaltenos es necesaria para alterar la humectabilidad de la
superficie mineral de fuertemente mojada por agua a fuertemente mojada por aceite (es decir,
desde un ángulo de contacto cercano a cero a través de la fase acuosa a uno significativamente
mayor que 90) (Kaminsky y Radke, 1997 ).
3.2. Manifestación de depósitos de asfaltenos en el pozo.
El problema de la deposición de asfaltenos no se limita al embalse; puede llegar incluso a la
columna de producción mediante el taponamiento parcial o total de la tubería de producción,
como es el caso frecuente del campo Hassi Messaoud; donde los asfaltenos forman depósitos en
la tubería (Haskett y Tartera,1965).
Los asfaltenos tienen la tendencia a depositarse también en las válvulas de seguridad de fondo de
pozo (DHSV) y, en consecuencia, a bloquear su funcionamiento. En noviembre de 1986, resultó
difícil abrir las válvulas de seguridad de dos pozos del campo Ula en Noruega. Sin embargo, estas
válvulas fueron removidas y examinadas para encontrar posteriormente que un material negro
identificado más tarde como asfaltenos se había depositado en las válvulas e interfería con el
mecanismo de apertura (Thawer et al., 1990).
3.3. Deposición en instalaciones de superficie
Los asfaltenos tienden a depositarse en las válvulas del cabezal de pozo y los separadores; donde
la presión es menor que la presión de la burbuja. En 1987 se encontró una masa de 25 toneladas
de asfaltenos dentro de dos separadores principales de gas y petróleo durante los trabajos de
inspección en el campo de Ula, Noruega (Thawer et al., 1990).
El problema principal es la seguridad del equipo de control del separador, ya que los asfaltenos
pueden tapar los dispositivos de seguridad y las válvulas y luego bloquear su apertura y cierre
cuando es necesario (Kokal y Sayegh, 1995).
4. Control de la deposición de asfaltenos
La precipitación de asfaltenos causa muchos problemas durante la producción de petróleo. Debido
a la tendencia de los asfaltenos precipitados a flocular y formar partículas grandes, así como a la
afinidad de las partículas floculadas para adsorberse y depositarse sobre superficies sólidas, estos
depósitos de asfaltenos pueden conducir posteriormente a una disminución de la productividad
del pozo y un aumento. en los costos de producción. Para remediar este problema de deposición
que provoca una importante pérdida económica en el sistema de producción de petróleo, se
implementan varias soluciones.
4.1. Eliminación de la deposición de asfaltenos
Los pozos obstruidos parcial o totalmente por depósitos de asfaltenos se limpian utilizando los
siguientes métodos:
4.1.1. Métodos mecánicos
Estos métodos consisten en el raspado mecánico de los depósitos dentro de los pozos (Akbar y
Saleh, 1989). El método común es el uso de la unidad de línea Wire; este método es lento y caro
en el caso de un depósito largo y duro. Otro método es la perforación del depósito mediante una
herramienta de hidro-voladura utilizando una unidad de tubería flexible. Sin embargo, esta unidad
tiene la desventaja de limitar la presión de trabajo, lo que dificulta el método de limpieza. Existe
otro método de limpieza mediante la aplicación de presión para crear una presión diferencial a
través del depósito con el fin de desalojarlo.
4.1.2. Tratamiento ultrasónico
La técnica ultrasónica se puede utilizar para limpiar secciones obstruidas con asfaltenos de pozos y
depósitos de petróleo. La limpieza mediante ondas ultrasónicas parece estar interrumpiendo los
maltenos que forman una fase continua para proporcionar propiedades adhesivas y dúctiles a los
asfaltenos dispersos (Gollapudi et al., 1994). El rendimiento de las ondas ultrasónicas se ve
afectado por diferentes parámetros como el tiempo, la potencia, la frecuencia y el tipo de
radiación necesaria para eliminar los depósitos de asfaltenos (Salehzadeh et al., 2016). Esta
técnica se aplicó experimentalmente en grupos de asfaltenos y daños por permeabilidad de la roca
del yacimiento debido a la deposición de asfaltenos en medios porosos de carbonato. Los
resultados mostraron la descomposición de los cúmulos de asfaltenos en tamaños finos en ese
crudo y la mejora del daño de la permeabilidad de la roca del yacimiento después del uso de
radiación ultrasónica (Shedid, 2004).
4.1.3. Tratamiento químico
Cuando los métodos mecánicos no tienen éxito, el tratamiento químico con
Los solventes son necesarios para eliminar los depósitos de asfaltenos (Voloshin et al.,
2005; Waxman y col., 1980). La mayoría de los disolventes de asfaltenos son aromáticos (Del
Bianco y Stroppa, 1995). Se examinó la solubilidad de los asfaltenos en diferentes hidrocarburos
líquidos (Miadonye y Evans,
2010) y aceites desasfaltados con alto contenido de aromáticos también se utilizaron a bajo costo,
alternativamente con solventes químicos (Jamaluddin et al., 1996; Jamaluddin y Nazarko, 1995;
King y Cotney, 1996); El xileno con un punto de inflamación bajo de 28 ° C es probablemente el
solvente aromático más común (Trbovich y King, 1991). El tolueno es aún más volátil (punto de
inflamación 5 C), también se usa, pero es menos efectivo (Galoppini, 1994).
Sin embargo, el uso de estos disolventes de hidrocarburos está limitado por muchas razones;
pueden crear corrosión, consideraciones de seguridad (riesgo de explosión e incendio debido a su
bajo punto de inflamación) (Shirdel, 2013).
4.1.4. Tratamientos termales
El tratamiento de la deposición de asfaltenos por método térmico incluye muchas técnicas como
la lubricación en caliente, que consiste en inyectar un aceite caliente para eliminar los depósitos
de asfaltenos del pozo. Sin embargo, el uso de esta técnica puede causar daños a la formación
(Bernadiner, 1993). También se puede utilizar una fuente continua de calor proporcionada por el
calentador de fondo del pozo durante un período de tiempo para derretir los depósitos de
asfaltenos en el pozo o en la tubería y luego bombearlos con el petróleo producido. Sin embargo,
la aplicación de esta técnica es limitada debido al alto costo de mantenimiento y disponibilidad de
energía eléctrica (de Andrade Bruining et al., 1990). Otra técnica térmica para eliminar los
depósitos de asfaltenos consiste en utilizar productos químicos que liberan calor, lo que implica
bombear una mezcla de concentraciones equimolares de cloruro de amonio y nitrato de sodio.