Suivi de la déstabilisation et du dépôt des asphaltènes par un résonateur à quartz

Following asphaltenes destabilization and deposition by quartz crystal resonator

• Auteur / Autrice : Ezequiel De Souza Freire Orlandi
• Direction : Hervé Carrier, Jean-Luc Daridon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie pétrolier
• Date : Soutenance le 15/12/2017
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques ; 1995-)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Asphaltènes

Pétrole

Mots clés libres

Pétrole

Flow assurance

Asphaltènes

Quartz

Analyses

Caractérisation

Crude oil

Flow assurance

Quartz

Analysis

Characterization

Résumé

Les asphaltènes et autres constituants lourds du pétrole, comme les résines et les alcanes de haut poids moléculaire, posent des défis importants dans tous les segments de la chaîne de production pétrolière. Parmi les nombreux problèmes, la déstabilisation et le dépôt des asphaltènes dans les opérations en amont ont fait perdre beaucoup de temps à la recherche et ne sont pas encore complètement compris. Une partie de la difficulté à saisir la véritable physique derrière de tels phénomènes est l'utilisation répandue des systèmes modèles et des molécules extraites, modifiant considérablement l'organisation fluide complexe des pétroles bruts, et donc en contournant les processus réels. À ce jour, deux extrêmes de la structure organisationnelle asphaltenes peuvent être dessinés, en tant que partie d'un agrégat, avec des attractions pi-pi simples et des chaînes d'alcane répulsion, contrôlant l'agrégation; et dans le cadre d'une structure macromoléculaire, avec une participation significative d'autres composants bruts. La dernière structure étant beaucoup plus difficile à modéliser, elle capture sa physique et est difficilement reproductible à l'aide de systèmes modèles. Un autre aspect important de la recherche des dépôts d'asphaltènes est la manière dont se produit la déstabilisation des asphaltènes. Lorsque l'on utilise des asphaltènes extraits dans des systèmes modèles, l'affirmation précédente n'a pratiquement aucune moyenne, car les nombreuses fractions d'asphaltènes ont été préalablement mélangées. Cependant, lorsqu'il s'agit de tout le pétrole brut, la voie de la déstabilisation est importante et est encore largement dépassée au sein de la communauté scientifique. Pour résumer les sujets exposés, il y a plutôt la non-spécificité de la majorité des techniques expérimentales utilisées sur la recherche de la déstabilisation et du dépôt des asphaltènes en relation avec les dépôts d'échelle des particules.Les techniques de spectroscopie, capables de balayer les paramètres physiques interfaciaux, sont de bons candidats pour améliorer les points exposés délétères. Dans la présente thèse, le résonateur à quartz connecté à un analyseur de réseau vectoriel présente le potentiel de révéler de nombreux aspects sur la déstabilisation et le dépôt des asphaltènes directement à partir de pétrole brut (huiles vivantes, recombinées ou mortes) et de systèmes modèles. L'équilibre du pétrole brut est perturbé par les changements de solubilité dans un processus continu ou en gradin imitant les processus de production. L'interprétation des paramètres de résonance des cristaux de quartz, de la fréquence et de la dissipation d'énergie, est effectuée de manière qualitative et, dans une certaine mesure, quantitative. L'étude innove dans le sens d'étendre l'utilisation du cristal de quartz pour interpréter le processus, non seulement en détectant les changements de phase, comme c'est le cas de la majorité des études précédentes. L'évaluation des produits chimiques de production est effectuée une fois que la méthodologie a fait l'objet d'une discussion approfondie. Le potentiel de l'analyse proposée est crédité par la microscopie à force atomique qui ouvre l'horizon pour plus de recherche et d'applications potentielles de la méthodologie. Parmi les applications possibles figure le développement de capteurs d'assurance de débit capables de détecter les changements de phase et d'évaluer les dépôts in situ.

Asphaltenes and other heavy petroleum constituents, like resins and high molecular weight alkanes, pose significant challenges in all segments from the petroleum production chain. Among the many problems, asphaltenes destabilization and deposition within upstream operations has rendered tons of research time and is still not completely understood. Part of the difficulty in capturing the real physics behind such phenomena is the widespread use of model systems and extracted molecules, greatly altering the complex fluid organization of crude oils, and thus bypassing real processes. To date two extremes of asphaltenes organizational structure can be drawn, as a part of an aggregate, with simple pi-pi attractions and alkane chains repulsion, controlling aggregation; and as a part of a macromolecular structure, with significant participation of other crude components. The last structure being way more difficult to model, and captures its physics and being poorly reproducible with the use of model systems. Another important aspect when researching asphaltene deposition is the way asphaltenes destabilization occurs. When using extracted asphaltenes in model systems, the former affirmation has virtually no mean, as the many asphaltenes fractions were beforehand mixed. However, when dealing with the whole crude oil, the path of destabilization matters and is still greatly bypassed within the scientific community. Summing up to the exposed topics, there is the rather non-specificity from the majority of experimental techniques used on the research of asphaltenes destabilization and deposition in relation to the depositing particles size scales.Spectroscopy techniques, capable of sweeping interfacial physical parameters are good candidates for improving the deleterious exposed points. In the present thesis quartz crystal resonator, connected to a vector network analyzer is used is shown to present the potential of revealing many aspects on asphaltene destabilization and deposition directly from crude oils (live, recombined or dead oils) as well as model systems. Crude oil equilibrium is disturbed by solubility changes in a continuous or step gradient mimicking production processes. The interpretation of the quartz crystal resonance parameters, frequency and energy dissipation, is performed in a qualitative and to some extend quantitative way. The study innovates in the sense of extending the use of the quartz crystal to interpret process, not only detecting phase changes, as it is the case of the majority of the former studies. The evaluation of production chemicals is undergone once the methodology is thoroughly discussed. The potential of the proposed analysis is credited by atomic force microscopy which opens the horizon for more research and potential applications of the methodology. Among the possible application is the development of flow assurance sensors capable of detecting phase changes and evaluate deposition in situ.