Parafinas

Parafinas

Las parafinas constituyen una familia de hidrocarburos también conocidos como alcanos o parafínicos. Están caracterizadas por tener longitudes de C18 hasta C60. Su peso molecular oscila entre 320 y 800, presentan consistencia sólida a temperatura ambiente, poseen cadenas lineales (n-alcanos) o ramificados (iso-alcanos), compuestas por carbonos saturados, representados por la fórmula general CnH2n+2, presentan temperaturas de fusión de 64°F a 211°F.  Los depósitos de parafina están acompañados de resinas, material asfáltico, arena, escamas y en ocasiones agua.  Ellas son de naturaleza cristalina y tienden a cristalizar y precipitar del crudo por debajo de su punto de cristalización.  Las parafinas son moléculas no polares.

Las parafinas se pueden clasificar de acuerdo a la configuración de su estructura molecular y al número de carbonos que contengan. Bajo estos criterios se diferencian las ceras parafínicas de las ceras micro-cristalinas, las cuales presentan un mecanismo de daño diferente, si se llegara a depositar en la formación debido al tamaño de los cristales

Ceras Parafínicas o Macrocristalinas   

Es un depósito procedente de un aceite crudo del 40% al 60 % donde se encuentran ceras parafínicas únicamente. Éstas se encuentran comprendidas por parafinas que contienen entre 16 a 30 carbonos en cadena lineal. La estructura molecular que se forma se conoce como macro-cristales, los cuales tienen forma de agujas que al conglomerase constituyen grandes depósitos de cera que ocasionan diversos problemas en las líneas de producción de pozos petroleros y en la formación. Por esta razón, se produce un aumento de la viscosidad por la aglomeración de grandes cristales que serán la causa del taponamiento de los poros de la formación o en un punto determinado del sistema de producción, aspecto que depende del punto de cristalización del crudo. 

Ceras Microcristalinas

Se encuentran en las parafinas que contienen entre 30 a 60 carbonos, con pesos moleculares entre 450 y 800. Son compuestos de cadena lineal con ramificaciones y grupos cíclicos a lo largo de la cadena principal. A diferencia de las ceras parafínicas (macro-cristalinas) sus cristales son pequeños e irregulares lo que hace que no tiendan a aglomerarse, permaneciendo dispersos y sin formar depósitos.

No constituyen problemas en las líneas de producción pero pueden ocasionar reducción de la permeabilidad si se precipitan en la formación debido a su tendencia a adherirse a la superficie de los granos.

Es importante establecer qué tipo de parafinas se encuentran en el yacimiento para poder identificar el mecanismo de daño a la formación por parafinas y tenerlo en cuenta cuando se vaya a diseñar algún tipo de tratamiento.

Propiedades de las Parafinas

El punto de ebullición, el punto de fusión de las parafinas y en general de los alcanos aumenta con su peso molecular. Otras de las propiedades más importantes que se debe tener en cuenta a la hora de escoger un tratamiento de parafinas, son el punto de fluidez, el punto de cristalización y el punto de nube, los cuales dependen de la temperatura de saturación de los componentes, y la tasa de enfriamiento.

·         Punto de fluidez

Se define como la temperatura a la cual el crudo deja de fluir, debido al aumento de la viscosidad producto de la parafina precipitada a medida que se enfría.  El punto de fluidez de un crudo refleja la capacidad de la parafina dentro del crudo para desarrollar una red cristalina lo suficientemente resistente para retener e inmovilizar la fase aceite.

·         Punto de fusión

Es la temperatura a la cual una muestra de parafina en estado sólido funde, pasando al estado líquido. El punto de fusión de la parafina puede ser usado para definir la temperatura a la cual la pared de la cañería o facilidades de almacenaje deberían ser calentadas en orden a remover depósitos sólidos.

·         Punto de nube

Se define como la temperatura a la cual se forma la primera precipitación o primer cristal de parafina a presión atmosférica.  El punto de nube para cada mezcla de crudo depende de la temperatura de saturación de sus componentes y de la tasa de enfriamiento a la que se someta la mezcla de hidrocarburos.  El punto de nube disminuye a medida que aumenta el número de carbonos.

·         Punto de cristalización

Se define como la temperatura a la cual se forma el primer cristal de parafinas, en un crudo vivo, es decir, con gas en solución; esto ocurre a condiciones (presiones) de yacimiento.  También ese punto es conocido en la industria del petróleo como la temperatura a la que aparecen las ceras en el crudo. 

 Factores que afectan la precipitación de las parafinas 

La precipitación y depositación de parafinas se manifiesta en todas las etapas de la producción de petróleo:

• En  el  yacimiento: reduce el diámetro de la garganta del poro, lo cual causa una disminución en el aporte de fluido de la formación productor.
• Cerca del pozo: ocasiona daños a la formación y obstruye los orificios cañoneados. 
• En los sistemas de producción reduce el radio efectivo por el cual se origina, esto conlleva a una disminución del nivel de fluido en los sistemas de almacenamiento. 

La precipitación de parafinas se desencadena por varios factores, entre los que se puede mencionar: 

• Cambios de presión
• Temperatura
• Composición química del crudo
• Mezclas con diluyentes u otros aceites 
• Durante la estimulación ácida. 

Por otra parte, la solubilidad de la parafina en el crudo es una variable muy importante, ya que disminuye en el momento de la precipitación a causa del cambio de las propiedades termodinámicas del crudo. Cabe aclarar, que no necesariamente se presenta depositación cuando la solubilidad disminuye,  pues si los cristales precipitados, que normalmente tienen forma de aguja, permanecen dispersos en el crudo, no tienden a depositarse en la superficie, caso contrario en el que un material nucleante (asfáltenos, finos de formación, productos de corrosión) ayuda a la aglomeración de los cristales, estas aglomeraciones tienden a depositarse  y causan problemas en las líneas de producción.

Asimismo, se puede decir que la mayor causa de la disminución  de la solubilidad de la parafina en el crudo, es el descenso de la temperatura, que puede provocarse por la disminución  de presión que experimenta el crudo a medida que se acerca a la superficie o por la expansión que ocurre  cuando el crudo sale de la formación hacia el pozo. La pérdida de gas e hidrocarburos livianos del crudo también disminuyen la solubilidad de la parafina, este efecto contribuye a la depositación en líneas de superficie y tanques. Altas relaciones gas-aceite (GOR), evitan los problemas de depositación de parafina. 

1. Temperatura: Los hidrocarburos a condiciones de yacimiento se encuentran a una cierta temperatura que depende de la profundidad.  A medida que los fluidos durante la producción viajan a superficie se van enfriando.  Cuando el crudo se enfría, pierde solubilidad, y no pude mantener las partículas en suspensión por más tiempo.  Las parafinas se solidifican, sus partículas se asientan y se acumulan en depósitos cerosos. La deposición de parafinas está caracterizada por cuatro temperaturas: Punto de Cristalización, Punto de Gel, Punto de Fluidez y Temperatura de Fusión
2. Presión: La precipitación de parafinas es a menudo estudiada para crudos muertos, pero el efecto de la presión y la composición del crudo no es muy clara.  La presión mantiene los gases y componentes volátiles en solución y ayuda a mantener el fluido a la temperatura de formación.  Obviamente, es imposible producir el crudo sin tener una caída de presión considerable; entonces, ambos factores actúan simultáneamente, las caídas de presión y las caídas de temperatura, porque los gases se desarrollan y se expanden, y los componentes más pesados se precipitan formando parafinas
3.  Pérdida de componentes volátiles: La pérdida de los constituyentes más livianos del crudo definitivamente reduce la cantidad de parafinas que pueden mantenerse en solución.   La reducción en el volumen de aceite resulta en menos solvente disponible para disolver la misma cantidad de cera.

Problemas Ocasionados por la Depositación de Parafinas

Las ceras parafínicas pueden llegar a depositarse en los distintos sitios del sistema de producción generando inconvenientes en la producción, transporte y almacenamiento de crudo; incide en el daño a la formación, reduce la permeabilidad de la roca y obstruye el paso del crudo en la cara de la formación.El daño a la formación es probablemente el mayor problema causado por parafina en la industria del petróleo, y en ocasiones pasa desapercibido o se asocia a agotamiento natural y puede eventualmente causar abandono prematuro de pozos.

La precipitación de parafinas en la cara de la formación es casi irreversible, debido a que la cera, una vez precipitada de la solución, es muy difícil de disolver nuevamente en el mismo fluido, incluso elevando la temperatura a la del crudo en formación; por supuesto, yacimientos con temperaturas mucho más elevadas que el punto de disolución (melting point) de la parafina precipitada, no son afectados.

En el pozo, causa daños al cabezal, al equipo de subsuelo y reduce el diámetro efectivo de las tuberías, menguando la producción. La cristalización de la cera crea una reducción en la capacidad efectiva de la tubería incrementando la presión requerida para el bombeo, algunas veces, más allá de los límites del sistema, lo que obliga a detener el transporte de crudo.

En las facilidades, impide una correcta separación aceite-agua en los separadores y se deposita en el fondo de los tanques de almacenamiento. En general, la acumulación de depósitos de parafina puede presentarse en cualquier lugar del sistema de producción aumentando los trabajos de remoción, deteniendo la producción por tiempos prolongados y por consiguiente incrementando el costo del petróleo extraído.

La forma adecuada para tratar el problema de depositación de parafinas involucra estudios de laboratorio de los métodos de control existentes, donde se analiza la efectividad para cada zona del yacimiento en particular a tratar antes de su implementación en campo.

Métodos para el Control de Parafinas

  Método mecánico

El método mecánico es el más antiguo y comúnmente usado para el control de parafinas. Consiste en la remoción de ésta del tubing o tubería de producción mediante el uso de raspadores y cortadores de parafina.

La desventaja de este método es que la parafina raspada puede llegar a ocasionar taponamiento a las secciones cañoneadas. La principal ventaja  es que se convierte en una alternativa relativamente económica, si no es necesaria la limpieza del pozo muy frecuentemente, ya que para realizarla se tiene que detener la producción y por consiguiente se generan pérdidas económicas.

 

El principal enfoque mecánico para ayudar a limpiar un oleoducto y eliminar la acumulación de parafina, es un dispositivo  a través de la tubería que raspa las paredes internas de la misma y empuja a través de la parafina. Este tipo de dispositivo de limpieza recibe el nombre de  "marrano o pig"

El marrano es normalmente impulsado a través de la tubería por un bombeo de alta presión que se ejerce detrás de él. Pero si la acumulación de parafina en las paredes interiores de la tubería es relativamente alta, mientras el marrano avanza recogerá tanta parafina en el frente  que bloqueara cualquier movimiento de los marranos. En otras palabras, a medida que más y más  parafina se raspa de la pared interior de la tubería, más se acumula en la parte frontal de los marranos haciendo su movimiento más difícil, en algún momento la presión de bombeo en la tubería no será suficiente para empujar el marrano junto con la parafina acumulada a su paso

Método operacional

Este método consiste en regular la velocidad y el caudal de producción con el objetivo de disminuir la precipitación de sólidos en la sarta de producción. Una tasa de producción elevada no sólo trae como beneficio evitar la precipitación de parafina sino que también evita que ésta se adhiera a las paredes de la tubería y en ciertos casos desprende la misma que se encuentra depositada en la tubing. Cabe aclarar que sólo desprende las ceras más blandas, ya que el esfuerzo de corte que el fluido hace a los depósitos no es tan fuerte como para remover las parafinas más duras, esto lleva a que con el tiempo se formen depósitos de parafina muy sólidos y por supuesto más difíciles de tratar. La necesidad de mantener el crudo por encima del punto de nube para así evitar que la parafina se precipite, lleva a utilizar el aumento de la tasa de producción para mantener la temperatura por encima del punto en el cual se precipitan las ceras en el crudo.  

Método térmico

Como en ciertas ocasiones los métodos mecánicos  no son muy efectivos, se tiende a utilizar y sacar ventaja de la propiedad que tiene el calor para fundir la parafina y para la resolución de la emulsión. Sin embargo la cantidad de calor utilizada para esta acción es clave, ya que la cantidad de calor por unidad de volumen tiene un precio, la generación de calor para llevar a cabo estos procesos repercute en que el precio de producción por cada barril de petróleo aumente.  En este sentido se han desarrollado muchos estudios referentes al tema y se ha determinado que la cantidad de calor necesaria para fundir la parafina es inversamente proporcional a la distancia existente  entre las moléculas de parafina depositada. 

Entre las técnicas más utilizadas para control de parafinas utilizando métodos térmicos se encuentran:

• Inyección de aceite caliente  
• Inyección de agua caliente
• Calentadores en el fondo del pozo
• Calentadores eléctricos de la tubería

 Método de tratamiento químico

El tratamiento químico es requerido usualmente como una alternativa para el aceite caliente (método térmico). Después de tener repetidas reincidencias usando procesos de aceite caliente, es prudente probar un método químico de radicación del problema.  Los  métodos continuos (consisten en una inducción continua del químico) y a baches (consiste en una inyección cíclica del fluido) son adoptados para inyectar el químico desde el anular hacia el pozo, es decir, circular el químico bajo el anular y retornarlo a través del tubing, para remover el sedimento de parafina que se encuentra adherido a la pared del tubing. El método continuo consiste en una bomba especial de inyección instalada en la cabeza del pozo (wellhead) y a través de una fuerza impulsiva producida por el movimiento de arriba a abajo de la unidad de bombeo se impulsa el pistón de la bomba de inyección, haciendo que el químico caiga dentro del pozo. El tratamiento por baches es llevado a cabo usando un camión de bombeo pequeño con un inyector rápido que agrega el removedor de parafina desde el anular dentro del tubing en un tiempo predeterminado.

El control químico correctivo de los problemas de depositación de parafinas en pozos de petróleo se basa en el uso de cuatro clases de productos químicos:

• Solventes
• Dispersantes
• Surfactantes
• Modificadores de cristal

Los productos químicos mencionados, también se pueden utilizar por separado como métodos preventivos o correctivos.