Weniger Asphaltenablagerungen durch Leistungsultraschall

Die Ausfällung von Asphaltenen verursacht zahlreiche Probleme bei der Erdölförderung: Sie verringert die Permeabilität, verändert die Benetzbarkeit des Lagerstättengesteins, verstopft das Bohrloch und führt zu einem erheblichen Druckabfall im Umfeld der Förderbohrung. Die Deagglomeration und Dispergierung von Asphaltenen mittels Ultraschall verhindert die Bildung und Ablagerung von Asphaltenflocken und beseitigt bereits entstandene Flocken und Ablagerungen.

Das Problem: Asphaltene im Rohöl

Asphalten ist ein im Rohöl enthaltener Feststoff, der als problematisch gilt, da er bei der Förderung und beim Transport von Rohöl aus dem Bohrloch schwerwiegende Probleme verursacht. Asphaltene bilden eine sehr komplexe Molekülklasse und kommen in unterschiedlichen molekularen Strukturen vor – ein Faktor, der zur Problematik beiträgt, da verschiedene Asphaltenformen unterschiedlich schwerwiegende Probleme verursachen. Die zahlreichen unterschiedlichen Strukturen erschweren auch die allgemeine Zuordnung zu einer bestimmten Stofffamilie. Daher werden Asphaltene in der Regel anhand ihrer Löslichkeit als Stoffklasse eingeordnet, da sie durch ihre Unlöslichkeit in n-Alkanen gekennzeichnet sind.
Typische durch Asphaltene im Rohöl verursachte Probleme sind z. B. dichte Ausflockungen und Ablagerungen in der Lagerstätte, in Bohrlöchern und in Transportleitungen, die in der Folge zu Betriebs- und Förderproblemen sowie erhöhten Verarbeitungskosten führen.

Aggregation und Ausflockung von Asphaltenen im Yen-Modell.
Mit freundlicher Genehmigung von O. Mullins, Schlumberger.

Die Lösung: Zerkleinerung von Asphaltenausfällungen mittels Ultraschall

Ausgefällte und ausgeflockte Asphaltenpartikel lassen sich mit Leistungsultraschall zuverlässig behandeln. Hochleistungsultraschall zerkleinert Asphaltenausfällungen und -flocken auf eine geringe Partikelgröße. Dabei werden die Asphaltene wieder in sehr kleine Partikel zerlegt, die keine Verstopfungen verursachen und die Rohölverarbeitung nicht beeinträchtigen. Ultraschalldispergierer verteilen die Partikel homogen im Rohöl. Häufig wird ein chemischer Stabilisator zugesetzt, um Langzeitstabilität zu erzielen. Die Ultraschallbehandlung kann somit makrostrukturierte Asphaltenflocken reduzieren und dadurch Asphaltenablagerungen auf Oberflächen, Porenverstopfungen in der Lagerstätte, Bohrlochverstopfungen und Ablagerungen in Rohrleitungen verhindern.

Zustand am Ende der Soleflutung unter Ultraschalleinwirkung an verschiedenen Stellen des Mikromodells.
Studie und Urheberrecht: Deshibi et al.2018 (CC BY-NC-ND 4.0)

Forschung belegt die Wirksamkeit der Asphaltenreduktion mittels Ultraschall

Dehshibi et al. (2018) untersuchten die Auswirkungen einer niederfrequenten Ultraschallbehandlung mit hoher Leistung (30kHz) auf die Ausfällung, Ausflockung und Ablagerung von Asphaltenen unter Temperaturkontrolle. Die Ultraschallbehandlung verringerte die Asphaltenablagerungen. Ultraschallwellen und die erzeugte akustische Kavitation steigerten die Ölförderung durch einen Mechanismus der Ölschichtbildung. Durch die Ultraschallbehandlung konnten nicht nur Asphaltenagglomerate aufgebrochen, sondern sogar Asphaltenablagerungen rückgängig gemacht werden.
Darüber hinaus konnte die Ultraschallbehandlung verhindern, dass Porenhälse und Poren durch große Asphaltenagglomerate verstopft wurden. Dadurch wurde ein Druckabfall infolge von Asphaltenablagerungen vermieden und die Fluidströmung in den Poren und Porenhälsen verbessert. Mittels Bildanalyse wurde festgestellt, dass sich durch den Einsatz von Leistungsultraschall etwa 80% der ausgefällten Asphaltene nicht ablagerten. „Mit anderen Worten: Die Asphaltenablagerungen wurden um 80% reduziert, und folglich verringerte sich durch den Einsatz von Ultraschall die Wahrscheinlichkeit einer Verstopfung der Mikrokanäle.“ (Dehshibi et al., 2018)
Die Ergebnisse der Studie von Deshibis Forschungsgruppe zeigten, dass Ultraschallschwingungen und Kavitationsschwingungen größere Asphaltenaggregate von Oberflächen ablösen und in die Hauptströmung überführen können. Außerdem verringerte die Ultraschallbehandlung die Menge aggregierter Asphaltene (siehe Abbildung unten). Der Bildanalyse zufolge lagern sich etwa 70% der ausgefällten Asphaltene aufgrund der Beschallung des Systems nicht ab.

Zustand am Ende der Soleflutung (Magnesiumchloridlösung) unter Ultraschalleinwirkung: (a) Reversibilität der Asphaltenablagerung, (b) Entfernung von Asphaltenen.
Studie und Urheberrecht: Deshibi et al. 2018 (CC BY-NC-ND 4.0)

Hochleistungs-Ultraschallgeräte

Hielscher Ultrasonics ist auf die Entwicklung, den Prototypenbau, die Herstellung und den Vertrieb von Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für Anwendungen unter hoher Belastung spezialisiert. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Leistungsfähigkeit, Ausdauer, Robustheit und Zuverlässigkeit werden Ultraschallsysteme von Hielscher weltweit für petrochemische Anwendungen eingesetzt. Typische Anwendungen sind die ultraschallunterstützte oxidative Entschwefelung, die Emulgierung von Rohöl, die Deagglomeration von Asphaltenen, die Dispergierung von Scavengern und die Viskositätsreduktion von Schwerölen. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern, die für Anwendungen unter hoher Belastung erforderlich sind. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb nutzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Industriesysteme von Hielscher verarbeiten problemlos Medien mit sehr hohen Viskositäten und erfordern nur wenig Wartung.
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