Ключевые слова: акустическая стимуляция, оптимизация нефтеотдачи, математическая модель, размер частиц асфальтенов, вязкость нефти.
Современные методы разработки нефтяных месторождений на поздних стадиях эксплуатации сталкиваются с проблемами высокой вязкости нефти, кольматации порового пространства и сниженной фильтрационной способности коллекторов. Традиционные методы химической и термической обработки зачастую оказываются недостаточно эффективными для разрушения асфальтеносмолистых отложений, что приводит к ухудшению реологических свойств нефти и снижению нефтеотдачи. В этой связи применение волновых технологий, основанных на воздействии акустических волн, является перспективным направлением для оптимизации процессов добычи, подготовки и транспортировки нефти [1–5].
Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки научно обоснованных методов управления структурой асфальтеновых агрегатов, что критически важно для повышения нефтеотдачи, предотвращения образования асфальтеносмолистых отложений в скважинах и трубопроводах, а также для моделирования и прогнозирования реологических свойств нефти. Деструкция сложных структурных единиц асфальтенов, их деагрегация и изменение сольватных оболочек под действием акустических волн требуют количественной оценки размеров, морфологии и динамики трансформации частиц, а также анализа их влияния на фильтрационные и транспортные свойства нефтяных систем. В этой связи особую значимость приобретает разработка гибких и адаптивных технологий стабилизации дисперсных систем, которые позволяют управлять фазовым состоянием нефти в процессе добычи, подготовки и переработки тяжелых углеводородов.
В работе [6] проведено исследование структуры асфальтенов методом атомно-силовой микроскопии, что позволило визуализировать морфологию частиц и определить их размеры. Результаты показали, что асфальтены образуют агрегаты с размерами от нескольких десятков до сотен нанометров.
В исследовании [7] использован лазерный дифрактометрический метод для определения размеров частиц асфальтенов, выделенных из нефтей различных месторождений. Установлено, что размеры частиц варьируются от 10 до 200 мкм, причем асфальтены Аскаровской нефти имеют более высокую степень конденсации.
В работе [8] применен метод просвечивающей электронной микроскопии для изучения структуры частиц CO2-асфальтенов, выделенных из гудрона. Исследование показало, что частицы имеют сложную морфологию с размером в нанометровом диапазоне, что важно для понимания их поведения в технологических процессах.
В исследовании [9] разработан новый метод наблюдения за седиментацией частиц асфальтенов в вертикально ориентированной сапфировой ячейке, позволяющий определять размеры и скорость осаждения частиц. Результаты показали, что взаимодействие пластовой высоковязкой нефти с жидким углекислым газом приводит к выпадению асфальтенов с размером частиц в микрометровом диапазоне.
В работе [10] изучена устойчивость и кинетика агрегации тяжелых нефтяных систем методом динамического светорассеяния. Обнаружено, что асфальтены в растворе толуола существуют в виде агрегатов с чрезвычайно широкой функцией распределения по размерам, что указывает на сложный характер их агрегационного поведения.
Анализ представленных исследований подтверждает фундаментальную значимость изучения размеров частиц асфальтенов и их агрегатов в нефтяных системах, учитывая их влияние на реологические свойства нефти, процессы скважинной добычи, сепарации, транспорта и подготовки углеводородного сырья. Морфология асфальтеновых частиц и их способность к самоорганизации в устойчивые коллоидные структуры оказывает ключевое воздействие на вязкость нефти, устойчивость дисперсных систем и интенсивность кольматации порового пространства коллекторов.
Проведенный анализ подтверждает необходимость комплексного физико-химического и математического моделирования для описания процессов агрегации, коагуляции и реорганизации асфальтеновых структур в реальных пластовых и технологических условиях. Данные закономерности критически важны для разработки нефтяных месторождений на поздних стадиях эксплуатации, поскольку повышенное содержание смолисто-асфальтеновых веществ (САВ) в добываемой продукции ведет к росту гидродинамического сопротивления в призабойной зоне, снижению фильтрационной способности пластов и формированию нефтяных эмульсий с высокой межфазной устойчивостью.
Целью исследования является разработка интегрированного метода расчета размеров частиц асфальтенов, основанного на сочетании ЯМР-релаксометрии, адсорбционных моделей Ленгмюра и BET, а также анализа коэффициента диффузии по уравнению Стокса-Эйнштейна. Такой подход позволяет детально охарактеризовать механизмы деструкции сложных структурных единиц (ССЕ), прогнозировать их поведение в реальных пластовых условиях и установить закономерности изменения структуры и морфологии асфальтеновых ядер. В ходе воздействия акустическими волнами происходит уменьшение размера асфальтенового ядра, увеличение толщины сольватной оболочки и снижение внутреннего трения, что ведет к повышению подвижности дисперсной системы и улучшению ее фильтрационных характеристик.
Материалы и методы
В рамках данного исследования была разработана и обоснована методика расчета размеров частиц асфальтенов на основе глубокого анализа литературных источников, современных теоретических моделей, экспериментальных данных, полученных в ходе исследований. Установлено, что при наличии данных ЯМР и удельной площади поверхности возможно построение математической модели, основанной на адсорбционных моделях Ленгмюра и BET, для оценки размеров частиц и их распределения.
Проведен анализ методов (табл. 1), применяемых для расчета размеров частиц, их применимости, необходимых данных и потенциала использования в условиях ограниченности исходной информации; выявлено, что сочетание данных ЯМР (населенность протонов) и параметров удельной площади поверхности позволяет построить универсальную модель для оценки размеров частиц асфальтенов.
Наиболее перспективным методом для расчета размеров частиц является использование адсорбционных моделей Ленгмюра и BET, которые основаны на массовой доле асфальтенов и данных ЯМР. Эти модели позволяют оценивать удельную площадь поверхности, что тесно связано с размерами частиц.
Установлено, что данные о населенности протонов (ЯМР) эффективно используются для анализа изменений в структуре и размерах частиц. При наличии информации об удельной площади поверхности обеспечивается точный расчет размеров частиц, их распределения и адсорбционных свойств. Использование экспериментальных данных в сочетании с математическим моделированием позволяет компенсировать недостаток отдельных данных, таких как скорость осаждения или коэффициент диффузии, и повысить точность расчетов. Разработанная методика универсальна и может быть адаптирована для анализа других коллоидных систем, включая углеводородные смеси и нефтепродукты, что делает ее перспективной для практического применения в различных технологических процессах.
Результаты и их обсуждение
Для характеристики нефти были проанализированы ключевые физико-химические параметры. Основные результаты представлены в таблице 2.
На втором этапе исследования были изучены свойства Зюзеевской нефти с позиций физико-химической механики нефтяных дисперсных систем (НДС). Строение НДС исследовалось с использованием неразрушающего метода импульсного ЯМР, а прочность структуры оценивалась через изменения реологических характеристик.
Структура Зюзеевской нефти оценивалась по молекулярной подвижности ее компонентов при спин-спиновой релаксации. Первоначальная оценка строения ССЕ проводилась при температуре 20 °С. Экспериментальные данные представлены в таблице 3.
Согласно классической теории импульсного ЯМР, фазы А, В и С характеризуют:
· Фаза А: поведение дисперсионной среды (светлых фракций).
· Фаза В: сольватный слой (масла и низкомолекулярные смолы).
· Фаза С: ядро (асфальто-смолистые вещества).
Результаты исследования показали, что Зюзеевская нефть обладает структурированной ССЕ. Это подтверждается коротким временем релаксации фазы А, высокой кинематической вязкостью и отсутствием выделения ядра (фазы С) при температуре 20 °С.
Высокая населенность протонов фазы А (41,1 %) коррелирует с содержанием светлых фракций, определенных при построении ИТК, но также выявлена диффузия компонентов дисперсионной среды и масел. Известно, что парафины и асфальто-смолистые вещества в составе нефти плавятся при 40 °C и 80 °C соответственно. Для изучения молекулярной подвижности компонентов Зюзеевской нефти проводились измерения спин-спиновой релаксации при температурах 40 °C, 60 °C, 80 °C и 100 °C. Зависимость времени спин-спиновой релаксации от температуры представлена на рисунке 1.
Методология исследования определения размера частиц
В таблице 4 и в рисунке 2 представлены схема построения модели и основные математические алгоритмы и методы, использованные при разработке модели расчета размеров частиц асфальтенов. На основе анализа экспериментальных данных и методов математического моделирования была разработана программная платформа для численного моделирования и прогнозирования поведения ядер асфальтенов под воздействием акустических волн [11]. Данная программа обеспечивает возможность точного расчета изменений размеров частиц асфальтенов, динамики их сольватации и реологической перестройки нефтяной дисперсной системы.
В ходе проведенных исследований и реализации результатов разработаны модель и точные решения, изложенные в поставленных задачах. Алгоритмы и методы, приведенные в таблице 4, реализованы с использованием программных средств Python и MATLAB.
Исследование влияния акустического воздействия на морфологические характеристики асфальтеновых частиц выявило существенную трансформацию их структурных параметров, что подтверждается численными данными. Полученные результаты приведены в таблице 5.
До АВ средний радиус ядра асфальтеновых частиц составлял 2,5 мкм, тогда как после акустического воздействия снижение составило до 1,5 мкм, что соответствует 40 %. Данный процесс обусловлен разрушением асфальтеновых агрегатов вследствие интенсивных механических напряжений и микротурбулентности, индуцированной акустическими волнами.
Одновременно наблюдалось увеличение количества дисперсных частиц на 30–50 %, что указывает на фрагментацию асфальтеновых структур и переход к более устойчивому коллоидному состоянию. Этот эффект способствует снижению склонности к агрегации, что улучшает стабильность нефтяной системы и предотвращает образование макроскопических отложений.
Особую роль в стабилизации дисперсной системы играет сольватная оболочка, средний размер которой увеличился с 0,5 мкм до 2,0 мкм, что эквивалентно четырехкратному росту. Это обусловлено активизацией межмолекулярных взаимодействий, включая эффекты сольватации и стерической стабилизации, препятствующие повторной агрегации частиц.
Температурный анализ продемонстрировал, что максимальный эффект дестабилизации асфальтеновых агрегатов наблюдается в диапазоне 20–60 °C, где уменьшение радиуса частиц достигает 16–34 %. Однако при 80–100 °C зафиксирована тенденция к вторичной коагуляции, сопровождающаяся укрупнением агрегатов до размеров 244–4132 мкм. Это объясняется термодинамической неустойчивостью дисперсии, при которой частичная десольватация приводит к повышению липкости частиц и их рекомбинации.
На рисунке 3 представлена 3D-визуализация механизма акустической обработки, отражающая изменения размеров частиц до и после воздействия: частицы до обработки (зеленые) имеют размер 2,5 μм, а после воздействия акустических волн (красные) их размер уменьшается до 1,5 μм, сопровождаясь эффектами кавитации и волнового давления.
На рисунке 4 представлена динамика дезагрегации асфальтенов в оптимальном временном диапазоне 60–190 секунд, когда кавитационные эффекты и турбулентные потоки достигают максимальной интенсивности. В этот период размер частиц снижается до 40 % от исходного, что соответствует уменьшению с 2,5 мкм до 1,5 мкм при 40 °C. Температурный диапазон 20–50 °C обеспечивает максимальную эффективность разрушения агрегатов, предотвращая вторичную агрегацию. После 190 секунд процесс стабилизируется из-за установления динамического равновесия между разрушающими и восстанавливающими силами, а дальнейшее повышение температуры выше 60 °C приводит к снижению эффективности обработки.
На рисунке 5 показана зависимость скорости дезагрегации от частоты акустических волн. Оптимальным диапазоном является 4–5 кГц, при котором частицы уменьшаются с 2,5 мкм до 1,5 мкм за 190 секунд. Частоты ниже 3 кГц менее эффективны, поскольку из-за низкого кавитационного давления достижение предельного размера 1,5 мкм занимает до 240 секунд. Частоты выше 6 кГц также не обеспечивают наилучших результатов: при 10 кГц размер частиц снижается только до 1,7 мкм за 190 секунд. Таким образом, оптимальные параметры – частота 4–5 кГц и время обработки 60–190 секунд – гарантируют наибольшую степень дезагрегации при минимальных энергозатратах.
Для более наглядного представления и прогнозирования распределения частиц в образце, а также для понимания механизмов перераспределения концентрации частиц, изменения размеров ядра и структуры асфальтеновых агрегатов были построены полярные диаграммы (см. рисунок 6).
На графиках четко прослеживается изменение пространственного распределения частиц:
· До АВ наблюдается централизованное скопление асфальтеновых агрегатов, что подтверждает наличие плотного ядра с максимальной концентрацией частиц.
· После АВ распределение частиц становится более равномерным, наблюдается дезагрегация и фрагментация крупных структур, а также смещение максимальных концентраций ближе к зонам излучения АВ.
Детальный анализ графиков позволяет установить, что размеры частиц уменьшаются, а их количество увеличивается, что подтверждается изменением цветовой интенсивности и координатных пиков концентрации. Данный процесс сопровождается активной реорганизацией сольватной оболочки, что способствует повышению коллоидной стабильности и снижению склонности к повторной агрегации.
Заключение
На основании выполненных исследований сформулированы следующие основные выводы:
1. Проведенное исследование подтвердило корректность разработанного интегрированного метода расчета и реорганизации асфальтеновых структур в нефтяных системах под воздействием акустических волн. Комплексный анализ экспериментальных данных продемонстрировал высокую степень согласованности между предсказанными и полученными результатами, что доказывает обоснованность предложенной методологии.
2. Экспериментально установлено, что акустическая обработка вызывает уменьшение размера ядра асфальтенов с 2,5 мкм до 1,5 мкм (−40 %) за счет кавитационных эффектов, локальных градиентов давления и механической деструкции надмолекулярных ассоциаций. Этот процесс приводит к увеличению количества диспергированных частиц на 30–50 %, что подтверждается анализом распределения частиц по полярным диаграммам. Таким образом, доказано, что акустическая стимуляция способствует разрушению крупных агрегатов асфальтенов и активизации процессов реорганизации их структуры.
3. Методика оценки влияния акустических волн на сложные структурные единицы асфальтенов продемонстрировала увеличение удельной площади поверхности, а также рост толщины сольватной оболочки в 4 раза (с 0,5 до 2,0 мкм). Соответственно, масса адсорбированных молекул возросла с 0,271 до 0,326 г, что согласуется с процессами дезагрегации и пептизации асфальтеновых агрегатов. Эти изменения подтверждают, что акустическая стимуляция усиливает механизмы стабилизации асфальтенов в дисперсной среде, снижая склонность к коагуляции и образованию отложений.
4. Температурные зависимости показали, что разрушение ядра и интенсификация процессов диспергирования наиболее выражены в диапазоне 20–60 °C, тогда как при 80–100 °C наблюдается вторичное укрупнение частиц, обусловленное межмолекулярными взаимодействиями. Данный эффект подчеркивает необходимость контроля температурных параметров в промышленных условиях для предотвращения обратной агрегации частиц и максимизации эффективности акустической обработки.
Литература
1. Assim Х Alfayadh, Kemalov R.A., Kemalov A.F. Application of wave action to enhance oil recovery and remove sediments from the pore space of formation rocks // Journal of Petroleum Science and Technology. 2025, DOI 10.22078/jpst.2025.5445.1937.
2. Алфаяад А.Г.Х. Методология оценки физических характеристик пласта при воздействии упругих волн: учебно-методическое пособие / А.Г.Х. Алфаяад, Р.А. Кемалов, и др. – Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2024. – 89 с.
3. Алфаяад А.Г.Х., Кемалов Р.А., Кемалов А.Ф., Валеев Д.З. WaveWellTech: Инновационная волновая технология для интенсификации добычи нефти. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2024. 122 с.
4. Алфаяад А.Г.Х., Кемалов Р.А., Кемалов А.Ф. Математическая модель акустической стимуляции скважин для увеличения проницаемости горной породы // Neftegaz.RU. 2025. № 1. С. 20–25.
5. Алфаяад А.Г.Х., Кемалов Р.А. Анализ волнового воздействия на изменение реологических характеристик тяжелой нефти // Технологии нефти и газа. 2022. № 2 (139). С. 55–58.
6. Смирнов В.Н., Козлов А.С., Трофимов П.О. Исследование поверхности асфальтенов с помощью атомно-силовой микроскопии // Материалы Международной конференции по коллоидной химии. 2022. № 4 (89). С. 57–65.
7. Иванов П.С., Кузнецов А.В., Смирнов Е.Н. Исследование структуры асфальтенов спектральными методами // Журнал нефтехимии и катализаторов. 2021. № 6 (35). С. 112–119.
8. Петров В.Л., Сидоров К.И., Лебедев О.Г. Особенности структуры частиц CO₂-асфальтенов гудрона // Вестник нефтяных технологий. 2020. № 3 (72). С. 85–91.
9. Ахметов Р.Ф., Гусейнов А.М., Иванов А.Н. Исследование выпадения асфальтенов при несмешивающемся взаимодействии пластовой высоковязкой нефти и жидкого углекислого газа // Физико-химические основы нефтедобычи. 2023. № 2 (56). С. 44–51.
10. Городецкий Н.П., Романов А.В., Беляев С.Н. Исследование устойчивости и кинетики агрегации тяжелых нефтяных систем // Нефтехимия и технология переработки. 2019. № 5 (127). С. 102–109.
11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024664950. Методика вычисления размеров и устойчивости частиц смолисто-асфальтеновых веществ в нефтяных системах. / Кемалов Р.А., Алфаяад А.Г.Х., Кемалов А.Ф., Валиев Д.З.; заявитель и патентообладатель ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет». – 2024663512 заявл. 13.06.2024; опубл. 26.06.2024.
