Composition and Heavy Oil Rheology

Abstract

Résumé -Rhéologie des bruts lourds en relation avec leur composition -La forte demande en énergie conduit les industries pétrolières à exploiter les réserves de bruts lourds et extralourds. Ces bruts sont en particulier caractérisés par leur forte viscosité qui rend leur transport en surface impossible sous leur état naturel (pertes de charge importantes). Plusieurs méthodes de traitement existent ; afin de les améliorer, il est nécessaire de comprendre l'origine de ces fortes viscosités. Notre démarche a été de réa-liser des études rhéologiques et structurales (diffusion de rayons X ou SAXS) afin de relier les propriétés macroscopiques et microscopiques des bruts lourds. Nous avons étudié l'influence des deux composés les plus lourds et les plus polaires des bruts que sont les asphaltènes et les résines. Les résultats ont montré le rôle prépondérant des asphaltènes sur la viscosité des bruts lourds. Deux régimes de viscosité, confirmés en SAXS, ont montré l'existence d'une concentration critique à partir de laquelle les asphaltènes ne sont plus des particules indépendantes et se recouvrent. Le rôle des résines a été développé dans un solvant aromatique puis en ajoutant une molécule modèle des résines : le nonylphénol. Il a été montré que la pré-sence de résines réduit l'influence des asphaltènes sur la viscosité. Leur mode d'action sur les asphaltènes est double : d'une part, elles ont un rôle stabilisant en recouvrant les asphaltènes ; d'autre part, elles ont un effet dissociant en diminuant la taille des asphaltènes et en réduisant leur masse. L'influence des résines a été également confirmée dans le brut réel. Enfin, il a été montré que l'addition modérée d'un alcool dans un solvant aromatique réduisait l'association des asphaltènes. Abstract -Composition and Heavy Oil Rheology -Increasing energy demand persuades oil companies to exploit heavy crude oil and extra-heavy crude oil resources. These crudes are essentially characterized by high viscosity that makes impossible surface transportation in their natural state (high pressure drops). Our investigation procedure was to perform both rheological and structural experiments (Small Angle X-ray Scattering SAXS) in order to

Relation between Nanoscale Structure of Asphaltene Aggregates and their Macroscopic Solution Properties

“…The relevant characteristics of the probed medium are, respectively, the electronic density (d e ) or the scattering length density SLD (ρ N ) fluctuations which give rise to the scattering. For a two-component medium labelled by subscripts 1 and 2, the contrast term Δρ 2 , to which scattered intensity is proportional, is simply I e (d e1 -d e2 ) 2 for X-rays and (ρ N1 -ρ N2 ) 2 for neutrons, where I e is the scattered intensity by a single electron (7.9 × 10 -26 cm 2 ).…”

“…Asphaltene particles have been frequently described as mass fractal aggregates of dimension D f [2,13,20,22,30]. In this case, on a much smaller scale than the typical size of aggregates, a simple expression of the scattering cross-section is expected:…”

“…It has been shown that the asphaltene fraction is mainly responsible for large viscosity of heavy crude oils or residues [2,33] and the colloidal particle suspension approach has been used in order to explain the viscosity dependence on asphaltene concentration [34,35]. In this approach, the relative viscosities η r of asphaltene suspensions, defined as the ratio of the solution viscosity η to that of pure solvent η 0 , are measured as a function of the volume fraction φ of the solute.…”

“…This coupling approach constrains the rheological models and allows one to assess a more realistic structure to these asphaltene aggregates. We present in the following the main results [25] obtained by a combination of scattering experiments, from which the structural parameters M w , R g , A 2 and D f have been determined, and viscosimetric measurements from which [η], k and φ m have been inferred. These determinations were conducted on asphaltene fractions obtained by ultracentrifugation.…”

“…In the upstream industry, heavy oils are known [1] to be responsible for high viscosities of heavy crude oils [2], to be involved in wettability alteration of mineral surfaces in reservoir formation and in formation and high stability of water in oil emulsions [3,4]. Heavy oils are also at the origin of the plugging problem via deposition in porous media during production [5] and are thought to affect stability of gas hydrate particles in oil production pipelines, thus preventing the formation of solid plugs which would result in the blockage of the lines [6].…”