Asfaltenos
Los asfáltenos son
una clase de componentes de los hidrocarburos; son aromáticos de alto peso molecular de
aspecto negro y se desboronan fácilmente cuando estos precipitan.
Los asfaltenos son insoluble en n-alcanos, tales como el n-pentano o el n-heptano, y soluble en tolueno.Son sólidos friables, de color oscuro, con una densidad de aproximadamente 1.2 g/cm3. Además son infusibles, lo que significa que no poseen un punto de fusión definido, pero se descomponen frente al calor, dejando un residuo carbonoso.
La estructura química de los asfáltenos consiste en anillos
aromáticos con oxígeno y nitrógeno en cadenas heterocíclicas. Esto permite que
los asfáltenos estén presentes en el petróleo crudo como micelas parcialmente
disueltas de partículas coloidales dispersas.
Generalmente se descomponen al ser calentados
a temperaturas mayores de 200°C.
Factores que Influyen en la Precipitación de Asfáltenos
Presión
La
presión es uno de los factores más importantes que influencia los depósitos de
sólidos en crudos asfálticos. El efecto de la presión es más intenso cuando el
petróleo es rico en fracciones livianas y está cercano a su punto de burbujeo
Cuando la presión cae por debajo del punto de burbujeo
permitiendo la formación de la fase gaseosa, comienza a ocurrir diferentes
fenómenos los cuales originan una rápida deposición de asfáltenos. Estos
fenómenos incluyen la pérdida de los hidrocarburos livianos, liberación de gas
disuelto en solución y pérdida de volumen molar debido a la vaporización de los
constituyentes más livianos. La expansión de los gases y la subsiguiente
evaporación de los materiales volátiles a medida que el crudo deja la formación
y entra al pozo van acompañadas de la disminución de la temperatura
Efecto
de la solubilidad por la temperatura
La solubilidad de los asfáltenos es menor a
bajas temperaturas, similar a la de las parafinas. Esto puede hacer que los asfáltenos
se depositen en la tubería cuando la temperatura sea tan baja durante la
producción. Los efectos de la temperatura y la solubilidad de los asfáltenos
son unos de los pocos y raros acontecimientos en los que la temperatura cambia
abruptamente. La depositación puede ser repentina y devastadora.
Cambio de la Composición de los Fluidos del
Yacimiento
La composición de un fluido del yacimiento puede cambiar como
consecuencia de un agotamiento normal durante la producción primaria del mismo.
Esto resultará en la pérdida de los componentes más livianos del petróleo
causando una disminución en la relación gas-petróleo (RGP) y un aumento en la densidad de los
fluidos.
Como una regla general, ambos efectos reducirán la
tendencia de precipitación de asfáltenos de los fluidos del yacimiento. Esto es
porque tanto el gas como los asfáltenos compiten por la solvencia en el
petróleo crudo y cuando el petróleo pierde sus fracciones ligeras, más asfáltenos puede ir en solución. Por
consiguiente, como la producción en el yacimiento declina, la presión disminuye
y el petróleo se hace más pesado, debe esperarse que los problemas de asfalteno
disminuyan.
crudos
con un alto contenido de hidrocarburos saturados, pocos hidrocarburos
aromáticos y resinas tendrán mayor probabilidad de precipitación de asfáltenos
que los petróleos con pequeña
cantidad de hidrocarburos saturados. La determinación de los porcentajes
de saturados,
aromáticos,
resinas y asfáltenos presentes en el petróleo crudo se lleva como una medida de
control de la precipitación.
El porcentaje presente de asfáltenos en el petróleo es
indicativo de la probabilidad de precipitación en el sistema. La determinación
del porcentaje del asfáltenos es aplicable a cualquier tipo de petróleo crudo y
permite determinar la segregación de petróleos crudos, para tomar control de
los pozos candidatos para la instalación de un sistema de inyección química así
como la caracterización de yacimientos donde se encuentran los pozos de
petróleo.
Viscosidad
del Petróleo
Esta es afectada tanto por la presión como por
la temperatura. Una disminución en la presión al igual que un aumento en la
temperatura causa una disminución en la viscosidad.
Además, se tiene que en crudos pesados en
comparación con los medianos y livianos, la alta viscosidad impide la formación
de depósitos, por ser menos probable la agrupación de los flóculos, la cual es
atribuida a la alta resistencia molecular que debe ser vencida, siendo más
probable la deposición de asfáltenos en crudos medianos y livianos.
Precipitación de Asfáltenos
La precipitación de asfáltenos se refiere al
fenómeno mediante el cual un crudo, bajo ciertas condiciones de presión,
temperatura, composición y régimen de flujo, se separa en una o dos
fases fluidas de grandes proporciones (gas y/o líquido) y en una fase
insoluble, de menor tamaño, constituida principalmente por los asfáltenos.
Con base en la numerosa información
experimental se ha propuesto que el fenómeno de precipitación de asfáltenos
puede ser descrito como un proceso en varias etapas que van desde la asociación
de asfáltenos para formar pequeños agregados o pseudo-micelas, pasando por el
crecimiento de éstos para conducir a agregados más grandes, los cuales, en
condiciones favorables, crecen lo suficiente como para precipitar.
Agregación y depositación de Asfáltenos
Se presume que los asfáltenos, considerados como
la fracción pesada del crudo, se encuentran en suspensión
coloidal en el petróleo,
debido a que la superficie de las
partículas asfalténicas, dispersas en una fase continua como es el aceite, se
encuentra totalmente rodeada de resinas en forma micelar.
Las resinas son las responsables de mantener separados a los asfáltenos
manteniendo al sistema en estabilidad, debido a que la fuerza de repulsión
electrostática es mayor que la fuerza de atracción. Sin
embargo, si a este sistema en
estabilidad coloidal se le
inyecta un solvente ionizador (como n-pentano, tolueno, etc.) o existe alguna perturbación físico-química ocasionada en el campo
petrolífero (como las que suceden en la producción de pozos), se provoca
que la concentración de moléculas de resina cambie, ya que algunas resinas
abandonan la micela, alterando la estabilidad de las partículas asfalténicas
suspendidas en el aceite y causando
la debilitación de las fuerzas
repulsivas, provocando una
interacción mutua entre asfáltenos. Por lo
tanto, cuando dos partículas de
asfalteno presentan contacto en áreas libres de
resina, quedan pegadas, formando un cúmulo asfalténico de dos partículas que se
difundirá en el sistema, con la
probabilidad de quedar pegado a otras partículas individuales o a otros agregados asfalténicos de tamaño variable que se encuentren en el
aceite A este fenómeno se le conoce como agregación. En otras palabras, la
agregación es el proceso en el que las partículas individuales o cúmulos de
partículas se adhieren a otras partículas de asfáltenos o cúmulos, haciendo que
los agregados crezcan.´
Conforme el proceso
de agregación transcurre en el tiempo, el número de partículas individuales y
cúmulos asfalténicos disminuye, debido a que se juntan para formar agregados
más grandes y pesados. Además, elementos externos, tales como la gravedad,
adsorción, etc., ocasionan que las partículas y agregados asfalténicos tiendan
a precipitarse hacia al fondo y a pegarse a las paredes de las tuberías. A este
fenómeno se le conoce como
deposición orgánica
Determinación del Contenido de Asfáltenos en el Petróleo Crudo
Dado que el contenido de asfáltenos constituye
un factor importante en la determinación de los trayectos de procesamiento y
refinación de un crudo, se ha desarrollado un método de laboratorio conveniente
para cuantificar la fracción de asfáltenos. Esta técnica separa el petróleo
muerto, o petróleo que ha perdido sus componentes gaseosos, en saturados,
aromáticos, resinas y asfáltenos (SARA), dependiendo de su solubilidad y
polaridad.
Diagnostico del Tipo de Daño
El
camino más directo para determinar si un pozo está experimentando un problema
de depositación de asfáltenos es recuperar y analizar una muestra del pozo.
Observando en el campo la apariencia de la muestra y realizando pruebas de
solubilidad para distinguir los asfáltenos de las parafinas y de las
incrustaciones inorgánicas. La presencia o depositación de asfáltenos y
parafinas pueden también ser identificados.
Una
forma de hacerlo en campo o laboratorio es la siguiente:
Observe
de manera visual la muestra. Un asfalteno es un sólido negro. Aunque las
parafinas tienen un color oscuro, su apariencia es más cerosa y los asfáltenos
tienden a ser más como carbón o alquitrán.
Caliente
lentamente una parte de la muestra. Las parafinas se derretirán, pero los asfáltenos
y las incrustaciones inorgánicas no.
Mezcle
una parte de la muestra con xileno. Tanto las parafinas y los asfáltenos se
disuelven parcialmente el xileno. Sin embargo, si es añadido pentano, hexano o
heptano a la solución con xileno, los asfáltenos precipitarán mientras que las
parafinas permanecerán en la solución.
Problemas ocasionados por la deposición de Asfáltenos
Los problemas asociados a la deposición de asfáltenos ocurren
tanto en subsuelo como en superficie, afectando la explotación efectiva de los
yacimientos petrolíferos. A continuación
se presentan los problemas típicos ocasionados por la precipitación de asfáltenos:
• Taponamiento del yacimiento y en la vecindad del pozo.
• Taponamiento de la tubería de producción.
• Taponamiento de las líneas de flujo y demás equipos de
superficie.
• Deterioro de la calidad del crudo por la formación de emulsiones
estables.
Taponamiento del Yacimiento y en la Vecindad del Pozo
Un problema de gran relevancia es cuando la deposición de los asfáltenos
ocurre a nivel del yacimiento y en las cercanías del pozo, debido a que en esta
zona ocurren las mayores caídas de presión en el yacimiento, pudiéndose
alcanzar condiciones por debajo del umbral superior de precipitación. Debido a
que en esta zona el área de flujo es pequeña, la mayor cantidad de flóculos se
adhiere a la roca o es retenida en las gargantas de los poros ocasionando el
taponamiento de la formación, ya que sólo una pequeña cantidad de estos es
transportada por los fluidos hasta la tubería del pozo.
Taponamiento de Pozo y de la Tubería de
Producción
Quizás el lugar dónde el problema de asfáltenos es muy agudo es en el pozo y en la tubería de
producción. Durante la producción, el crudo sufre cambios de presión y
temperatura a medida que fluye desde el yacimiento hasta la superficie.
Dependiendo de estas variaciones y de la composición del mismo,
puede suceder que el crudo a condiciones de yacimiento, se separe en dos o tres
fases (gas-liquido o gas-liquido-sólido), mientras se encuentra fluyendo en la
tubería de producción.
En muchos casos el depósito de asfáltenos tapona el pozo y resulta
en pérdidas de producción. Las pérdidas de producción y la limpieza del pozo
por la precipitación de asfáltenos conducen a un incremento de los costos y
pueden afectar la economía de un proyecto de recuperación del petróleo
Taponamiento de Líneas de Flujo y demás Equipos de Superficie
La incidencia del problema de precipitación de asfáltenos no sólo
se limita al yacimiento, en el pozo y en la tubería de producción, pero puede
ocurrir en las líneas de flujo y en las instalaciones de superficie. Los
problemas de precipitación de asfáltenos ocurren principalmente en las estaciones de flujo y
en las instalaciones y equipos asociadas a los sistemas de manejo, transporte y
compresión del gas.
Estudios
hechos sobre la deposición de los asfáltenos en los gasoductos, han determinado
que la presencia de estos en los sistemas de compresión, transporte y manejo
del gas, se debe fundamentalmente al arrastre de líquidos por corrientes de gas
en los separadores.
Formación
de Emulsiones Estables
De
estudios experimentales se ha concluido que la presencia de material
asfalténico favorece la formación de emulsiones en la mayor parte de los crudos
que lo contienen. A mayor contenido de este material, las emulsiones agua-crudo
son mas estables; ya que las sustancias asfalténicas envuelven a las partículas
de Agua.
Remoción de Asfáltenos
Los pozos parcial o completamente tapados de los depósitos de
asfalteno son limpiados usando varios métodos.
Tratamientos Mecánicos
Los siguientes tratamientos son usados para remover los depósitos
de asfáltenos de las líneas de flujo y tuberías de producción. Estos métodos
incluyen raspadores de barra, raspadores de guaya fina, raspadores de línea de
flujo, pistón raspador de libre-flotación y tuberías de guaya fina.
Las ventajas del método mecánico son la buena limpieza, es seguro
y un daño mínimo a la formación . Pero por otro lado, las
desventajas son:
- Tratamientos Costosos y restringidos para los equipos de producción pero no para la formación productora.
- La aplicación es limitada por los equipos involucrados y por el tiempo.
- Peligro de pesca de herramientas que pueden perderse en el hoyo.
Tratamientos Químicos
Los métodos químicos son los más comunes para el tratamiento de asfáltenos
ya que pueden usarse para tratar las deposiciones en el pozo y/o en las
formaciones productoras. Numerosos solventes, aditivos y químicos comerciales
están disponibles por muchas compañías para disolver los asfáltenos
depositados. El tratamiento químico se clasifica en
tres clases principales:
- Tratamiento con Solventes: Los solventes (como el tolueno, el xileno y otros solventes como la piridina y bisulfuro de carbono) generalmente se usan para disolver depósitos de asfáltenos, pero su uso ha sido limitado debido a su costo, consideraciones de seguridad y otros problemas.
- Detergentes de Asfáltenos: Los detergentes son una clase de agentes surfactantes. Se usan para fracturar los depósitos de asfáltenos y también les impide re-aglomerarse.
- Modificadores de cristal: Estos son polímeros usados para alterar el crecimiento del cristal rompiendo los “sitios de nucleación”, cristalización, o modificando los cristales de parafina. (Bernadiner, 1993).
Para todos los tipos de tratamientos químicos, la seguridad
medioambiental y los riesgos de exposición personal deben ser considerados, ya
que produce desventajas adicionales y restricciones para muchos materiales de
tratamiento químico. El procedimiento de limpieza generalmente se diseña para
satisfacer un pozo en particular. En muchos casos una inyección química de
solvente (para ablandar el depósito) puede ser seguida de una raspadura
mecánica.
Tratamientos Térmicos
Esta categoría de métodos de tratamiento incluye: lubricación
caliente, calentadores hoyo abajo de agua o vapor.
- Lubricación Caliente: La lubricación caliente consiste en el proceso de inyectar crudo caliente para remover los depósitos de asfáltenos de un pozo. La lubricación caliente causa daños a la formación y no es bueno si los depósitos acumulados son grandes.
- Calentadores Hoyo abajo: El calentador hoyo abajo representa una fuente continua de calor que puede usarse para fundir los depósitos de asfáltenos o de parafina en el pozo o en la tubería por un período de tiempo, después el material fundido puede ser bombeado a la superficie con la producción de petróleo. Esta técnica tiene las siguientes limitaciones: restricciones económicas, mantenimiento costoso del sistema de calentamiento, y disponibilidad de energía eléctrica.
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