1. 48
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т Е Х Н О Л О Г И И№6 • июнь 2010
World Oil: ГЛУБОКОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Ученые пытаются прогнозировать возможно-
сти осаждения асфальтена с начала 1800-х гг. На
основании всех собранных ими данных был сделан
вывод, что асфальтен присутствует во всех видах
сырой нефти. Принципиальные вопросы, ответы
на которые хотят найти исследователи сегодня,
заключаются в следующем: будет ли происходить
осаждение асфальтена в эксплуатационных тру-
бопроводах или нет, и если это произойдет, то как
сильно он будет сцепляться с поверхностью труб
(рис. 1). Были разработаны различные виды испы-
таний, в первую очередь, для измерения концен-
трации асфальтена в пробах сырой нефти и затем
для выбора методов обработки, позволяющих пре-
дотвратить осаждение асфальтена и образование
отложений на стенках эксплуатационных колонн.
Наиболее сложные из этих испытаний включа-
ют масс-спектрометрические или молекулярно-
ИССЛЕДОВАНИЯ
ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ:
ПРОЦЕСС ОСАЖДЕНИЯ АСФАЛЬТЕНА
K. Akbarzadeh, Schlumberger
Z. Huo, G. Broze, Shell Projects and Technology
Полученные результаты дают основание считать, что осаждение асфальтена происходит при
первоначальном контакте с поверхностью оборудования
диффузионные измерения. Но даже эти высоко-
точные исследования не позволили выбрать метод
обработки для асфальтенов, присутствующих в раз-
личных видах сырой нефти. Проблема заключает-
ся в том, что асфальтен сам может иметь ряд раз-
новидностей, сильно отличающихся друг от друга
молекулярным весом и размерами, изменяющи-
мися в пределах 300–1400 г/моль. Выделение ас-
фальтена из нефти обычно зависит от давления, но
даже в случае его осаждения трудно прогнозиро-
вать, будет ли происходить его адгезия на стенках
труб или нет.
Физические условия, влияющие на сырую нефть
на пути ее перемещения из пласта-коллектора в тру-
бопровод, в значительной степени отличаются друг
от друга, особенно на глубоководных месторож-
дениях. Имеющие место значительные изменения
давления и температуры, смешение несовместимых
жидкостей и газов могут дестабилизировать добы-
ваемую жидкость и увеличить риск осаждения и
образования отложений асфальтена. В результате
ученые ищут способы имитирования условий экс-
плуатации месторождений в лаборатории и прове-
дения подходящих испытаний, которые позволили
бы убедительно определить вероятность осаждения
и/или отложения асфальтена.
ДЕГАЗИРОВАННАЯ
И ГАЗИРОВАННАЯ НЕФТЬ
Для получения приемлемого практического ме-
тода, позволяющего надежно прогнозировать ме-
ста и степень осаждения асфальтена и его адгезию,
компании Shell Exploration & Production Company и
Schlumberger доработали испытательную установку
RealView (собственность Schlumberger). С помощью
этой установки осуществлялось моделирование ре-
альных условий течения газированной сырой нефти
в камере осаждения так, чтобы с приемлемой точно-
стью можно было экстраполировать масштабируе-
мые результаты исследований для обеспечения со-
ответствия с условиями на месторождении. Камера
осаждения твердой фазы из газированной нефти,
работающая на основе законов течения Тейлора –
Куэтта, позволяет независимо изменять исследуе-
мые параметры для количественного определе-
Рис. 1. Осаждение асфальтенов может происходить на любом
интервале эксплуатационной колонны от пласта-коллектора до
сепаратора и даже в транспортном трубопроводе.
Рисунок предоставлен Oilfield Review, Summer 2007.
Отложения твердой фазы
в подводном трубопроводе
Осаждающаяся
твердая фаза
в сепараторе
Осаждение асфальтенов
в областях около ствола
скважины
Рост отложений твердой
фазы в стволе скважины
Подводное устье скважины
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

2. 49№6 • июнь 2010
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т Е Х Н О Л О Г И И
World Oil: ГЛУБОКОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ния влияния на характер осаждения парафинов и
асфальтенов и образование отложений давления,
температуры, состава, типа поверхности, режима
течения и касательных напряжений в потоке.
Помимо получения ответа на вопрос об отложе-
ниях компанию Shell интересовало решение про-
блемы подбора требуемых ингибиторов. Раннее
специалисты наблюдали, что ввод в поток некото-
рых реагентов с ингибирующими свойствами пре-
пятствовал адгезии асфальтена к стенкам эксплуа-
тационных колонн, однако затем обнаружили, то
такое решения не является универсальным. Иногда
требовались очень малые концентрации ингибито-
ров для достижения положительных результатов, но
увеличение концентрации ингибиторов в три раза
не повышало эффективность этого способа. Так-
же эффективность ингибиторов была различной у
разных видов сырой нефти, что указывало на неиз-
вестную зависимость от состава. Ингибиторы более
высокой стоимости гарантировали получение более
надежного решения.
Первые попытки решения проблемы отложений
асфальтена включали использование камеры осаж-
дения высокого давления. На этой установке прово-
дились исследования фиксированного объема сы-
рой нефти при изменении физических параметров
окружающей среды с целью получения надежной
фазовой диаграммы с прогнозируемыми границами
осаждения асфальтена. Электродвигатель посто-
янного тока (с регулируемой частотой вращения)
вращал инерциальный шпиндель, который создавал
динамический сдвиг пробы, аналогично системе в
действующем трубопроводе. Однако, стало ясно, что
по результатам испытаний в закрытой камере нель-
зя надежно прогнозировать осаждение асфальтена,
главным образом из-за того, что как только начина-
ется осаждение асфальтена, его количество в раство-
ре уменьшается. Кроме того, взятый для испытаний
объем нефти зачастую не содержит достаточного
количества асфальтена для создания значительно-
го слоя отложений. Поэтому нужна испытательная
установка, позволяющая более точно моделировать
течение сырой нефти в эксплуатационных трубо-
проводах. Это означает, что требуется фактически
непрерывная подача свежих порций газированной
сырой нефти (рис. 2).
ОБРАТНО
К ЧЕРТЕЖНОЙ ДОСКЕ
Неудачное применение испытательной установ-
ки с замкнутой камерой позволило сделать вывод,
что хотя осаждение асфальтена необходимо для об-
разования отложений, тем не менее, отложения не
являются неизбежным результатом этого процесса.
На образование отложений влияют дополнительные
параметры, такие как скорость сдвига потока, тип
и характеристики поверхностей, размеры частиц и
их взаимодействие с поверхностями оборудования.
Поэтому необходимы испытания, в которых могут
быть надежно смоделированы эти параметры. При
разработке требуемых спецификаций исследовате-
ли произвели изменения, которые позволили транс-
формировать предыдущую систему с замкнутой ка-
мерой высокого давления в динамическую систему.
За счет добавления проточной части была изменена
конструкция установки. Теперь в испытательную ка-
меру можно было вводить пробу жидкости достаточ-
ного объема, что позволяло исследовать даже про-
бы, содержащие малые концентрации асфальтена.
Единственное, что требовалось, чтобы объемы проб
газированной нефти были равны или превышали
900 см3
. В то же время для испытаний в замкнутой
камере осаждения или испытаний отдельных доз
требовались пробы объемом 150 см3
. За счет посто-
янного обновления содержимого проточной камеры
пробами жидкости с таким же составом, как у на-
чальной жидкости, в такой установке достигались
более реалистичные условия НКТ, в трубопроводе
и сепараторе.
МЕТОДИКА
ИСПЫТАНИЙ
Испытания начались с того, что испытательная ка-
мера заполнялась нефтью из складского резервуа-
Проточная
камера
Рис. 2. Сравнение данных, полученных на первоначальной установке для исследования отдельных доз нефти (слева) и на
усовершенствованной установке с проточной камерой (справа), показывает существенное увеличение осаждения асфальтена
Вход жидкости
Малое касательное напряжение, 0,56 Па
Массаосаждающегосяасфальтена,мг Минимально
допускаемая 20 мг
Отдельная
доза
жидкости
Исследование
отдельных доз
Исследование
на установке
с проточной
камерой 1
Исследование
на установке
с проточной
камерой 2
Выход
жидкости
Вход жидкости
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

3. 50
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т Е Х Н О Л О Г И И№6 • июнь 2010
World Oil: ГЛУБОКОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ра; без вращения шпинделя проба нефти медленно
вводилась в камеру. Первоначальный объем нефти
удалялся из камеры и отбраковывался, если анализ
показывал, что состав пробы соответствует почти
100 %-ному составу испытываемой нефти. Затем на-
чинал вращаться шпиндель. Давление в камере умень-
шалось до исследуемого показателя, это приблизи-
тельно на 100 фунт/дюйм2
(1 фунт/дюйм2
= 6,9 кПа)
выше давления насыщения жидкости. В процессе ис-
пытаний все параметры, включая расход, давление и
температуру, точно регулировались. В конце испыта-
ний использовался гелий для вытеснения нефти при
исследуемой температуре и давлении. Затем камера
открывалась и измерялась толщина слоя асфальтена
на стенках камеры (аналогия стенок эксплуатацион-
ных трубопроводов). Для гарантии правильного регу-
лирования всех параметров при первых испытаниях
нового аппарата исследователи создали пробу гази-
рованной нефти (типичной скважинной жидкости
в забое) из нефти, взятой из исходного складского
резервуара, которую рекомбинировали с помощью
синтетического газа для получения постоянного га-
зового фактора, равного 865 фут3
/брл. После того как
установили, что переменные параметры могут полно-
стью регулироваться, на испытательной установке
провели 20 испытаний. В первых четырех испытаниях
исследовались отдельные дозы, а последние 16 испы-
таний исследования проводились с использованием
проточной части камеры. Цели испытаний были впол-
не понятными:
• сравнение величин образовавшихся отложений
с использованием метода доз и проточных ис-
пытаний;
• определение влияния касательных напряждений
(за счет изменения скорости вращения шпин-
деля можно моделировать реальные условия в
трубопроводе) на склонность к образованию от-
ложений;
• определение влияния времени пребывания
(среднее время нахождения жидкости в испы-
тательной камере);
• определение не происходит ли осаждение
асфальтена при давлении и температуре выше
полученного значения давления начала осаж-
дения асфальтена и температуры жидкости в
пласте;
• определение эффективности используемого ин-
гибитора осаждения асфальтена.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На протяжении четырехчасовых испытаний в уста-
новке с проточной камерой отложения асфальтена на
стенках камеры были в шесть-семь раз больше, чем
при испытаниях в замкнутой камере отдельных доз
нефти. При испытаниях отдельных доз скорость об-
разования отложений составляла около 7,5 г/м2
/сут.
Главным выводом из этих испытаний было то, что
чем дольше жидкость будет оставаться в камере, тем
больше будут проявляться эффекты истощения за
счет уменьшения концентрации асфальтена в пробе
нефти (рис. 3).
Эффекты истощения можно оценить количе-
ственно путем экстраполяции измеренных при
испытаниях отложений при различных временах
пребывания. Такая экстраполяция позволила с до-
статочной точностью прогнозировать, как будут
проявляться эти эффекты непосредственно на ме-
сторождении. На рис. 3 также можно видеть, что в
испытаниях по этим двум методам асфальтена осаж-
далось больше при малом касательном напряжении
(что соответствует расходу около 2000 брл/сут),
чем при более высоком касательном напряжении
(что соответствует расходу около 8000 брл/сут).
Моделирование касательных напряжений с ис-
пользованием вращающегося шпинделя позволяет
воспроизвести те типы изменений, которые, как
предполагается, могут иметь место в результате из-
менений диаметра эксплуатационного трубопрово-
да или изменений расхода добываемой продукции.
Точнее, чем больше число Рейнольдса жидкости,
тем больше касательное напряжение в осаждаю-
щемся асфальтене. Соответственно, тем мень-
ше скорость его осаждения. Правильность этой
зависимости была подтверждена в условиях место-
рождения.
Связь между осаждением асфальтена и временем
пребывания предполагает, что осаждение его может
происходить главным образом при первоначальном
контакте. Это может быть связано с тем, что чем боль-
ше асфальтеновая нефть контактирует со стенками
камеры, тем больше асфальтена будет осаждаться.
Фактически слой отложений не увеличивается от вре-
мени пребывания, что дает основания предполагать,
что при более продолжительном контакте выделя-
ются такие большие частицы асфальтена, которые
не могут сцепляться со стенками и просто вымыва-
ются из камеры в выпускной трубопровод. Можно
вспомнить, как мельчайшие капельки аэрозольной
краски прилипают к полированной металлической
Рис. 3. Влияние касательного напряжения на скорость осаждения
асфальтена при 69 °C, 3000 фунт/дюйм2
и времени пребывания
около 50 мин (испытания 5–11)
Скоростьосажденияасфальтена,г/м2
/сут
Расход = 3 cм3
/мин
Время пребывания = 50 мин
Касательное напряжение у стенки, Па
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

4. 51№6 • июнь 2010
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т Е Х Н О Л О Г И И
World Oil: ГЛУБОКОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
поверхности, в то время как большие капельки с нее
скатываются.
Также проанализировали влияние давления на
процесс осаждения (рис. 4). Поскольку уже хорошо
известно, что давление, а не температура, является
параметром, с которым больше всего связан про-
цесс осаждения асфальтена при первичной добы-
че, то вероятно следует проверить, изменения ка-
ких параметров при взаимодействии с давлением
влияют на осаждение. Можно предположить, что
масса асфальтена увеличивается при уменьшении
давления до давления насыщения. Осаждения не
наблюдалось при любой величине касательного на-
пряжения, когда давление поддерживалось выше
давления начала выделения асфальтена. Значитель-
ное увеличение массы осаждающегося асфальтена
наблюдалось, когда давление жидкости при боль-
ших и малых касательных напряжениях уменьша-
лось до давления насыщения. Осаждение при малых
касательных напряжениях было в два раза больше,
чем при больших касательных напряжениях. В пер-
спективе эти явления предстоит исследовать под-
робнее, но можно с уверенностью сказать, что при
более высоких темпах добычи асфальтенов будет
осаждаться меньше.
БОЛЕЕ ВЫСОКАЯ
КОНЦЕНТРАЦИЯ
Испытания завершились исследованием эффек-
тивности ингибитора, который обычно использует
компания Shell на проблемных месторождениях.
Хотя доказано, что эффективность ингибитора очень
высока, установили, что химическая эффективность
ингибитора не коррелируется с его концентрацией.
При использовании раствора с концентрацией инги-
битора 150 млн–1
получили трехкратное улучшение
ингибирования. Тем не менее, когда концентрация
ингибитора была увеличена до 500 млн–1
, не наблю-
далось никаких изменений по сравнению с испы-
таниями при концентрации ингибитора 150 млн–1
.
Можно ожидать получения определенных эконо-
мических выгод, потому что такие результаты по-
влияют на отказ от бесполезного расхода реагентов,
так как их добавление выше некоторой пороговой
величины не оказывает заметного влияния на про-
цесс осаждения. К тому же нашли, что при больших
расходах добываемой продукции эффективность ин-
гибитора снижается. Поскольку испытания подтвер-
дили, что осаждение асфальтена было минимальным
при более высоких расходах, то возможно, что ис-
пользование ингибиторов при этих условиях может
быть полностью исключено.
В итоге была подтверждена правильность Shell-
модели осаждения асфальтена и показано, что суще-
ствует четкая связь между результатами, полученными
в процессе лабораторных исследований с использо-
ванием новой проточной камеры и на действующих
месторождениях.
Вывод
Ученые занимаются проблемой осаждения асфаль-
тенов с 1980-х годов. Были разработаны различные
виды испытаний, но даже это не позволило выбрать
эффективный метод обработки асфальтенов, присут-
ствующих в различных видах нефти.
Перевел В. Клепинин
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Zougari, M. et al., «Organic solids deposition and control: Design and ap-
plication», Energy & Fuels, 20, 2006, pp. 1656–1663.
Kamran Akbarzadeh (К. Акбарзадех), старший научный сотрудник и
руководитель группы исследований по обеспечению гарантированно-
го течения жидкости в трубопроводах в DBR Teхнологическом центре
компании Schlumberger. Д-р Акбарзадех более 10 лет занимается ис-
следованиями, целью которых является обеспечение гарантированного
течения жидкости; главными областями этих исследований являются
проблемы осаждения органической твердой фазы и образования отло-
жений. В течение 5 лет работы в компании Schlumberger д-р Акбарзадех
был руководителем ряда промышленных и исследовательских проектов.
Д-р Акбарзадех получил степень доктора химических наук в универси-
тете г. Шираз, Иран.
Zhongxin Huo (Ж. Хуо) инженер-исследователь в области организации
труда и планирования персонала для разработки Shell-проектов и тех-
нологий. Д-р Хуо имеет 12-летний опыт работы в нефтегазовой отрасли
и занимается главным образом исследованиями отложений асфальте-
нов, парафинов и гидратов. В течение пяти лет работы в компании Shell
д-р Хуо возглавлял работы по созданию модели осаждения асфальтена,
которая была проверена с помощью данных, полученных на месторож-
дении, и успешно использована на различных месторождениях. М-р Хуо
получил степень бакалавра по химии в Университете Цянхуа в Пекине,
Китай, и степень доктора химических наук в Горном институте в шт.
Колорадо, США.
George Broze (Дж. Броуз) инженер-исследователь в области организа-
ции труда и планирования персонала для разработки Shell-проектов и
технологий. Д-р Броуз имеет 25-летний опыт исследований в области
динамики жидкости и обеспечения гарантированного течения жидкости,
Последние 15 лет д-р Броуз принимал участие в глубоководных проектах
компании Shell. В настоящее время д-р Броуз руководит исследователь-
ской группой, занимающейся проблемами парафинов и асфальтенов,
которая входят в Отделение глубоководных технологий компании Shell.
М-р Броуз получил степень бакалавра по химии в Университете Райса и
степень доктора по механике в Университете Хьюстона.
Рис. 4. Графики давления и касательного напряжения, влиящих на
отложение асфальтена
Массаосаждающегосяасфальтена,мг
Давление
насыщения ~
2 900 фунт/дюйм2
Малое касательное напряжение, 0,56 Пa
Большое касательное напряжение, 6,8 Пa
Давление начала
выделения асфальтена ~
7 500 фунт/дюйм2
Mинимально допускаемая 20 мг
Давление, фунт/дюйм2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»