Study of the mechanisms of action of asphaltene deposition inhibitors.
Etude des mécanismes d'action des inhibiteurs de dépôt d'asphaltène.
Résumé
Understanding the mechanisms of action of asphaltene deposition inhibitors is crucial for the petroleum industry, in order to design custom chemical additives tailored to different oil reservoirs and their specific issues. Scientists have strived to offer insights into the interactions between asphaltenes and a range of different chemical additives. However, the majority of these studies have been conducted on model systems (extracted asphaltenes) and under conditions far from actual operational conditions, often involving excessive use of antisolvents.This thesis work proposes a study of the effects of different chemical additives on asphaltene destabilization, aggregation, and deposition. To achieve this, several complementary techniques were employed to characterize the impact of chemical additives on destabilization and deposition mechanisms, spanning scales from nanometers to micrometers. They include a mechanical technique such as centrifugation, an acoustic method based on a quartz crystal resonator, and optical devices underworking at atmospheric pressure. The combined use of these methods, which involve indirect detection and direct visualization, enabled the evaluation of the effectiveness of a commercial chemical additive, particularly its ability to shift the asphaltene destabilization threshold towards higher antisolvent compositions and reduce the amount of deposition on the quartz disk surface.Subsequently, the interactions of alkylbenzene-derived compounds with asphaltenes were studied in nondiluted asphaltene-containing oil to assess their ability to shift the destabilization threshold of asphaltenes and inhibit deposition on the walls of equipment used for producing unstable asphaltenes beyond the destabilization threshold. The impact of the polarity of the functional group and the effect of the chain length of these compounds were examined using the aforementioned experimental methods. The results obtained through all these techniques revealed that the presence of a polar group is necessary for the amphiphile to interact with asphaltenes. Furthermore, it has been demonstrated that increasing the length of the alkyl chain contributes to enhanced stabilization of asphaltenes. However, beyond approximately ten carbons in this chain, this improvement appears to reach a plateau.An investigation into the mechanisms of action of a commercial asphaltene deposition inhibitor and its chemical precursors was also carried out. To understand the mechanism of these chemical additives on the deposition phenomenon, a model of diffusion-limited mass transfer was considered assuming laminar flow between parallel planes. The input parameters for this model, namely the quantity of unstable asphaltenes available in the liquid phase and the rate of deposition of unstable asphaltenes on the surface, were obtained from experimental centrifugation results and continuous titration of the oil with n-heptane using a quartz crystal resonator. The combined use of the mass transfer model and experimental measurements allowed the determination, through inverse techniques, of the diffusion coefficient and the hydrodynamic radius of unstable asphaltene particles. Access to the hydrodynamic radius of unstable asphaltene particles highlighted that the presence of chemical additives affects the size of unstable particles, however, on average, the particles contributing to deposition accumulation exhibit sizes of the same order of magnitude as nanoaggregates and stable clusters (<20 nm). Additionally, the results demonstrate that in the presence of chemical additives, the mass transfer phenomenon remains diffusion-limited. Thus, deposition inhibitors have the effect of stabilizing asphaltenes, reducing the quantity of unstable particles available for diffusion, in addition to impacting the size of the depositing particles.
La compréhension des mécanismes d'action des inhibiteurs de dépôt d'asphaltène est essentielle pour l'industrie pétrolière, afin de concevoir des additifs chimiques sur mesure adaptés aux différents réservoirs pétroliers et à leurs problèmes spécifiques. Les chercheurs se sont efforcés de fournir des réponses concernant les interactions entre les asphaltènes et divers additifs chimiques. Cependant, la majorité de ces recherches ont été menées sur des systèmes modèles (asphaltènes extraits) et dans des conditions très éloignées des conditions opérationnelles réelles, avec par exemple l'utilisation excessive d'antisolvant.Ce travail de thèse propose une étude des effets de différents additifs chimiques sur la déstabilisation, l'agrégation et la déposition des asphaltènes. Pour cela, plusieurs techniques complémentaires ont été utilisées afin de caractériser l'effet des additifs chimiques sur les mécanismes de déstabilisation et déposition qui couvrent des échelles allant du nanomètre au micromètre. Une technique mécanique : la centrifugation, une méthode acoustique basée sur un résonateur à cristal de quartz et des dispositifs optiques ont ainsi été employés à pression atmosphérique. L'emploi conjoint de ces méthodes de détection indirecte et de visualisation directe a permis d'évaluer l'efficacité d'un additif chimique commercial et notamment sa capacité à décaler le seuil de la déstabilisation des asphaltènes vers des compositions en antisolvant plus élevées et à réduire la quantité de dépôt à la surface du disque de quartz.Les interactions des composés de type alkylbenzène avec les asphaltènes ont ensuite été étudiées dans une huile asphalténique non diluée. L'impact de la polarité du groupement fonctionnel et l'effet de la longueur de la chaîne de ces composés ont été examinés à l'aide des méthodes expérimentales mentionnées précédemment. Les résultats obtenus par l'ensemble de ces techniques ont révélé que la présence d'un groupement polaire est nécessaire pour que l'amphiphile puisse interagir avec les asphaltènes. De plus, il a été montré qu'une augmentation de la longueur de la chaine alkyle permet d'améliorer la stabilisation des asphaltènes. Toutefois, au-delà d'une dizaine de carbones dans cette chaîne, cette amélioration semble atteindre un plateau.Une étude sur les mécanismes d'action d'un inhibiteur de dépôt d'asphaltène commercial et de ses précurseurs chimiques a aussi été menée. Afin de comprendre les mécanismes d'action de ces additifs chimiques sur le phénomène de déposition, un modèle de transfert de masse contrôlé par diffusion, en postulant un écoulement laminaire entre plans parallèles, a été utilisé. Les paramètres d'entrée de ce modèle, à savoir la quantité d'asphaltènes instables disponible dans la phase liquide et la vitesse de déposition des asphaltènes instables sur la surface, ont été obtenus à partir de résultats expérimentaux de centrifugation ainsi que du titrage continu de l'huile par le n-heptane en utilisant un résonateur à cristal de quartz. L'utilisation conjointe du modèle de transfert de masse et des mesures expérimentales a permis de déterminer par technique inverse le coefficient de diffusion ainsi que le rayon hydrodynamique des particules d'asphaltène instables. L'accès au rayon hydrodynamique des particules d'asphaltènes instables a permis de mettre en évidence qu'en présence d'additifs chimiques, la taille des particules instables est affectée, mais en moyenne, les particules contribuant à l'accumulation de dépôt présentent des tailles du même ordre de grandeur que les nanoagrégats et les clusters stables (<20 nm). De plus, les résultats démontrent qu'en présence d'additifs chimiques, le phénomène de transfert de matière reste limité par la diffusion. Les inhibiteurs de dépôt ont donc pour effet de stabiliser les asphaltènes, réduisant ainsi la quantité de particules instables disponible pour la diffusion, en plus d'impacter la taille des particules qui déposent.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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