パワー超音波によるアスファルテンの堆積低減
アスファルテンの析出は、浸透率の低下、貯留層岩石の濡れ性の変化、坑井の閉塞、さらには生産井周辺での大幅な圧力低下を引き起こし、石油生産に多くの問題をもたらします。超音波によるアスファルテンの解凝集と分散は、アスファルテンのフロック形成とその堆積を防止し、すでに生じたフロックや堆積を解消します。
問題：原油中のアスファルテン
アスファルテンは原油中に存在する固体であり、掘削井からの原油の生産と輸送の際に深刻な問題を引き起こすため、厄介な物質とされています。アスファルテンは非常に複雑な分子群であり、さまざまな分子構造をとります – アスファルテンの形態によって生じる問題の深刻度が異なるため、このことが問題を複雑にしています。アスファルテンには多様な構造があるため、特定の化合物群として一般化することも困難です。そのため、アスファルテンは通常、n-アルカンに不溶であるという特徴に基づき、溶解性によって分類されます。
原油中のアスファルテンが引き起こす典型的な問題には、貯留層、坑井、輸送パイプライン内での高密度のフロック形成や堆積などがあり、その結果、操業と生産が複雑になり、処理コストが増加します。
Yenモデルで示されたアスファルテンの凝集とフロック形成。
提供：O. Mullins, Schlumberger。
超音波プロセッサー UIP16000 は、原油処理用の高性能ホモジナイザーです
解決策：超音波によるアスファルテン析出物の低減
析出してフロックを形成したアスファルテン粒子は、パワー超音波処理によって確実に処理できます。高性能超音波処理は、アスファルテンの析出物やフロックを微細な粒子に分解します。これにより、アスファルテンは再び非常に小さな粒子に分離され、閉塞を引き起こしたり、原油処理を妨げたりしなくなります。超音波分散機は、原油中の粒子を均一に分散させます。長期的な安定性を得るために、化学的安定剤を添加することもよくあります。つまり、超音波処理はアスファルテンの巨視的なフロック構造を低減でき、表面へのアスファルテンの堆積、貯留層内の細孔の閉塞、坑井の閉塞、パイプライン内の堆積物の蓄積を防ぎます。
マイクロモデルの異なる箇所に超音波を照射した条件での塩水圧入終了時の状態。
研究および著作権： Deshibi et al.2018 (CC BY-NC-ND 4.0)
- アスファルテンの粒径低減
- アスファルテン凝集体の分解
- フロック形成の抑制
- 原油の粘度低減
超音波設備：3x UIP1000hdT による原油処理
研究で実証された超音波によるアスファルテン低減の有効性
Dehshibi et al. (2018)は、温度制御下で、低周波・高出力の超音波処理（30kHz）がアスファルテンの析出／フロック形成と堆積に及ぼす影響を研究しました。超音波処理によってアスファルテンの堆積が低減しました。超音波と、それによって生じた音響キャビテーションは、油の層形成機構によって石油生産量を増加させました。超音波処理により、アスファルテン凝集体を分解するだけでなく、アスファルテンの堆積を解消することさえ可能でした。
さらに、超音波処理の適用により、大きなアスファルテン凝集体による細孔喉部や細孔の閉塞を防ぐことができました。これにより、アスファルテンの堆積に起因する圧力低下が回避され、細孔や細孔喉部内の流体の流れが改善されました。画像解析により、パワー超音波の適用によって、析出したアスファルテンの約80%が堆積しなかったことが確認されました。「言い換えれば、超音波を使用することにより、アスファルテンの堆積が80%低減し、その結果、マイクロチャネルが閉塞する確率が低下します。」（Dehshibi et al., 2018）
Deshibiの研究グループによる研究結果は、超音波振動とキャビテーション振動が、大きなアスファルテン凝集体を表面から除去し、流れの本体へ移動させることができると示しました。さらに、超音波処理によって凝集したアスファルテンの量が減少しました（下図参照）。画像解析によると、システムに超音波処理を施すことにより、析出したアスファルテンの約70%は堆積しません。
超音波照射下での塩水（塩化マグネシウム溶液）圧入終了時の状態：(a) アスファルテン堆積の可逆性 (b) アスファルテンの除去。
研究および著作権：Deshibi et al. 2018 (CC BY-NC-ND 4.0)
高性能超音波処理装置
Hielscher Ultrasonicsは、高負荷用途向けの高性能超音波プロセッサーの開発、試作、製造、販売を専門としています。卓越した性能、耐久性、堅牢性、信頼性により、Hielscherの超音波システムは世界各地で石油化学用途に導入されています。代表的な用途には、超音波支援酸化脱硫、原油の乳化、アスファルテンの解凝集、スカベンジャーの分散、重質油の粘度低減などがあります。Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、高負荷用途に必要な非常に高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅に対応するために、特注の超音波ソノトロードも用意されています。Hielscherの産業用システムは、非常に高い粘度にも容易に対応し、わずかなメンテナンスしか必要としません。
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以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています：
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 該当なし | 10–100L/min | UIP16000 |
| 該当なし | より大きい流量 | クラスター構成の UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonicsは、ラボ、パイロット、産業規模での混合用途、分散、乳化、抽出に対応する高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献／参考文献
- Reza Rezaei Dehshibi, Ali Mohebbi, Masoud Riazi, Mehrdad Niakousari (2018): Experimental investigation on the effect of ultrasonic waves on reducing asphaltene deposition and improving oil recovery under temperature control. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 45, 2018. 204-212.
- Amani, Mahmood, Retnanto, Albertus, AlJuhani, Salem, Al-Jubouri, Mohammed, Shehada, Salem, Rommel Yrac (2015): Investigating the Role of Ultrasonic Wave Technology as an Asphaltene Flocculation Inhibitor, an Experimental Study. International Petroleum Technology Conference, Doha, Qatar, December 2015.
- Khosrow Naderi, Tayfun Babadagli (2010): Influence of intensity and frequency of ultrasonic waves on capillary interaction and oil recovery from different rock types. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 500-508.
- Goual Lamia (2012): Petroleum asphaltenes. In: Crude Oil Emulsions – Composition Stability and Characterization. InTechOpen 2012.
- Salehzadeh, M., Akherati, A., Ameli, F. and Dabir, B. (2016): Experimental study of ultrasonic radiation on growth kinetic of asphaltene aggregation and deposition. Canadian Journal of Chemical Engineering 94(11). 2202-2209.
知っておきたい基礎知識
アスファルテン
アスファルテンは主に炭素、水素、窒素、酸素、硫黄からなり、微量のバナジウムとニッケルも含みます。C:H比は約1:1.2ですが、アスファルテンの由来によって異なります。アスファルテンは、「n-ペンタンやn-ヘプタンなどの軽質n-アルカンに不溶である一方、トルエンなどの芳香族化合物には可溶な、石油流体中で最も重い成分」と定義されています（Goual 2012）
アスファルテンは、以下の特徴によって同定および分類できます：
- 固体：アスファルテンは、貯留層条件下で原油中に均一に分散している固相です。
- n-アルカンに不溶：アスファルテンには複数の構造があり、その一般化された構造を示すことが極めて困難なため、溶解性によって分類されます。したがって、n-ペンタンやn-ヘプタンなどの軽質n-アルカンに不溶であり、トルエンやキシレンなどの芳香族化合物に可溶な、原油中で分子量が最も大きい成分と定義されています。
- 高い極性：原油全体は非極性とされていますが、アスファルテンは原油中で高い極性を持つごく少数の成分の一つです。
- ヘテロ原子：アスファルテンにはヘテロ原子が含まれており、主に窒素、酸素、硫黄として存在します。
