Состав тяжелых нефтей и структурные характеристики компонентов как факторы, влияющие на устойчивость нефтей к осаждению асфальтенов

УДК 665.6.033.28

И. М. Зайдуллин, Л. М. Петрова, Н. А. Аббакумова,

Т. Р. Фосс

СОСТАВ ТЯЖЕЛЫХ НЕФТЕЙ И СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОНЕНТОВ КАК ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УСТОЙЧИВОСТЬ НЕФТЕЙ

К ОСАЖДЕНИЮ АСФАЛЬТЕНОВ

Ключевые слова: тяжелая нефть, SARA-анализ, ИК-Фурье спектроскопия, осаждение асфальтенов,

устойчивость нефти, нефтяные компоненты.

Тестирование устойчивости двух тяжелых нефтей Ашальчинского (Аш) и Мордово-Кармальского (М-К) месторождений к осаждению асфальтенов проведено на основе содержания компонентов в нефтях (SARA-анализ) и строения компонентов методом ИК-Фурье спектроскопии. Повышенная устойчивость тяжелой нефти М-К по сравнению с тяжелой нефтью Аш в основном обусловлена высоким содержанием ароматических углеводородов, низкой ароматичностью полициклического ароматического ядра асфальтенов и наличием в нем слаборазветвленных алифатических цепей.

Keywords: heavy oil, SARA-analysis, IR-Fourier spectroscopy, precipitation of asphaltenes, stability of oil, petroleum

components.

Testing of stability of two heavy oils ofAshalchinsky (Ash) and Mordovo-Karmalsky (М-К) fields to asphaltene precipitation is examined on the basis of the maintenance of components in oils (SARA-analysis) and structure of components by method of IR-Fourier spectroscopy. The raised stability of heavy oil М-К in comparison with heavy oil Ash basically is caused by the high content of aromatic hydrocarbons, low aromaticity of a polycyclic aromatic core of asphaltenes and presence of aliphatic chains.

Введение

По проблеме устойчивости нефтей к осаждению асфальтенов имеется большое количество публикаций, в одной из которых [1] приведен целый ряд публикаций, посвященных влиянию на устойчивость изменения физических параметров состояния нефтяной системы и ее состава. Большое внимание уделяется методам тестирования устойчивости нефтей и стабильности асфальтенов [2, 3]. Асфальтены могут находиться в стабильном состоянии в нефти как в молекулярной форме, так и в виде нескольких объединенных молекул, наноагрегатов (от восьми до десяти молекул) и кластеров [4]. Даже при образовании вязкоэластичной сетки из кластеров асфальтенов нефти могут сохранять устойчивость. Ранее нами [5] начаты исследования по оценке устойчивости нефтей разновозрастных отложений к осаждению асфальтенов.

Целью данной работы является определение состава двух тяжелых нефтей и структурная характеристика компонентов для сопоставления их потенциальной склонности к осаждению асфальтенов.

Обсуждение результатов

Характеристика образцов нефтей. Использованы нефти Ашальчинского (Аш) и Мордово-Кармальского (М-К) месторождений Татарстана. В таблице 1 приведены физикохимические свойства образцов этих нефтей и содержание в них компонентов. По плотности их можно отнести к тяжелым нефтям с высокой вязкостью. Содержание компонентов в тяжелых нефтях Аш и М-К оценено с использованием SARA-анализа. определено содержание насыщенных углеводородов, ароматических углеводородов, смол и асфальтенов. Тяжелые нефти отличаются по содержанию углеводородов. В нефти М-К содержится меньше насыщенных углеводородов, но больше ароматических углеводородов, чем в нефти Аш. Содержание смол в этих нефтях близкое, а асфальтенов практически одинаковое.

Таблица 1 - Свойства и состав тяжелых нефтей Татарстана

Показатель Аш М-К

Физические свойства при 20 оС

Плотность (г/см3) 0,9540 0,9487

вязкость (сСт) 3083 879

Содержание компонентов

насыщенные углеводороды 50,0 38,9

ароматические углеводороды 36,8 45,5

Смолы 8,6 10,8

Асфальтены 4,6 4,8

смолы/асфальтены 1,87 2,25

Данные БЛЯЛ-анализа используются для расчета фазовой устойчивости нефтей к осаждению асфальтенов по формуле [6]:

ф _ ароматические углеводороды + смолы_________

насыщенные углеводороды + асфальтены Фазовая устойчивость нефти М-К выше по сравнению с нефтью Аш - 1,30 и 0,83, соответственно. В ряде публикаций [7, 8] отмечается, что тенденция к осаждению асфальтенов зависит от соотношения содержания в нефтях смол и асфальтенов. По этому соотношению устойчивость тяжелой нефти М-К также выше (табл. 1).

Строение компонентов. Для оценки содержания структурных групп в средней молекуле компонентов рассчитаны отношения значений оптической плотности в максимуме характеристических полос поглощения и реперной полосы поглощения 1600 см-1, характерной для колебаний ароматических С_С-связей. В средней молекуле насыщенных углеводородов нефти М-К выше доля парафиновых структур (таблица 2). Доля парафиновых структур выше также в ароматических углеводородах нефти М-К, являющихся растворителем асфальтенов, и в ароматическом ядре молекул смол нефти М-К, пептизирующих асфальтены. Разветвленность алифатических цепей этих компонентов М-К ниже, чем у соответствующих компонентов Аш.

Таблица 2 - Содержание структурных групп в компонентах нефтей

Компонент Содержание структурных групп, о.е.

СН2+СН3 СН3/СН2 во СО

Аш

Насыщенные 9,0 5,8 - - - -

углеводороды Ароматические 3,3 5,1 0,6 - - -

углеводороды Смолы 1,5 7,6 0,6 1,0 0,2 2,8

Асфальтены 1,8 8,0 0,4 0,8 0,2 -

М [-К

Насыщенные 14,3 4,37 - - - -

углеводороды Ароматические 5,1 2,27 1,6 - - -

углеводороды Смолы 2,2 6,0 1,2 1,1 2,8 2,8

Асфальтены 2,3 6,1 0,7 0,7 - -

В соответствии с данными таблицы 2, содержание алифатических цепей выше у асфальтенов М-К по сравнению с асфальтенами Аш. В публикациях [9] установлено, что боковые алифатические цепи в ароматических кольцах повышают стабильность агрегатов асфальтенов, так как после удаления алифатических боковых цепей агрегативная структура асфальтенов легче разлагается при нагревании. Авторами [10] сделано заключение, что размер, ароматичность и, соответственно, молекулярная масса асфальтеновых молекул являются важнейшими факторами, определяющими стабильность асфальтенов. Выделенная из асфальтенов фракция с самой высокой ароматичностью показала наиболее высокую склонность к флоккуляции. Для оценки ароматичности асфальтенов нами использовано отношение оптических плотностей п.п. 1600 см-1 ароматических С=С-связей и п.п. 1460 см-1 алифатических С-Н-связей по данным ИК спектроскопии. Особенностью строения асфальтенов М-К является низкая ароматичность полициклического ароматического ядра по сравнению с асфальтенами Аш 0,39 и 0,52, соответственно.

Заключение

Тестирование устойчивости двух тяжелых нефтей Аш и М-К к осаждению асфальтенов проведено на основе изучения компонентного состава нефтей и строения компонентов. Полученные результаты свидетельствуют о более высокой устойчивости тяжелой нефти М-К к образованию отложений асфальтенов. Устойчивость тяжелой нефти М-К, рассчитанная по данным SARA-анализа, выше, чем устойчивость тяжелой нефти Аш. Повышенная устойчивость тяжелой нефти М-К обусловлена высоким содержанием ароматических углеводородов и низким - насыщенных углеводородов. Особенностями строения асфальтенов М-К, полученного на основе ИК-спектроскопии, является низкая ароматичность полициклического ароматического ядра и его высокая замещенность алифатическими цепями.

Литература

1. Hammami, A. Asphaltene Precipitation from Live Oils: An Experimental Investigation of Onset Conditions and Reversibility / A. Hammami et al. // Energy & Fuels. - 2000. - №14. - С. 14-18.

2. Andersen, S.I. Flocculation Onset Titration of Petroleum Asphaltenes / S.I. Andersen //Energy & Fuels -1999. - №13. - C. 315-322.

3. Donaggio, F. Precipitation Onset and Physical models of Asphaltene Solution behavior / F.Donaggio, S.Correra, T.P. // Lockhart Petroleum science and technology - 2001. -№19 (1&2). - C. 129-142.

4. Akbarzadeh, K. Asphaltenes, Problematic but Rich in Potential / K. Akbarzadeh et al.// Oilfield Review -2007 - №19 (2), - с. 22-43.

5. Петрова, Л.М. Устойчивость нефтей к выпадению асфальтенов / Л.И.Салимова и др.// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №9. - С. 579-583.

6. Hong, E. Study of Asphaltene Solubility and Precipitation / E.Hong, P. A. Watkinson // Fuel - 2004. - №83. - C. 1881-1887.

7. Carnahan, N.F. Properties of Resins Extracted from Boscan Crude Oil and Their Effect on the Stability of Asphaltenes in Boscan and Hamaca Crude Oils / N.F.Carnahan et al.. // Energy & Fuels. - 1999. - №13. - C. 309-314.

8. Khvostichenko, D.S. Electrodeposition of Asphaltenes. 2. Effect of Resins and Additives / Khvostichenko D.S., Andersen S.I.// Energy & Fuels. - 2010. - №24, - с. 2327-2336.

9. Ostlund, J.-A. Characterization of fractionated asphaltenes by UV-vis and NMR self-diffusion spectroscopy / J.-A. Ostlund et al. // Journal of Colloid and Interface Science. - №271 (2004). - C. 372-380.

10. Trejoa, F. Precipitation, fractionation and characterization of asphaltenes from heavy and light crude oils / F. Trejoa, G. Centenoac, J. Ancheytaa // Fuel. - 2004. - №83. - C. 2169-2175.

© И. М. Зайдуллин - асп. каф. химической технологии переработки нефти и газа КГТУ, zaidullin_i@mail.ru;Л. М. Петрова - д-р хим. наук, проф. той же кафедры, petrova@iopc.ru; Н. А. Аббакумова - канд. хим. наук, мл. науч. сотр. отела химии нефти ИОФХ им. А.Е. Арбузова КНЦ РАН; Т. Р. Фосс - - канд. хим. наук, мл. науч. сотр. того же отдела.