Ученые выяснили, что ацетаты — соли уксусной кислоты с переходными металлами — в комбинации с паровой обработкой снижают вязкость тяжелой, а потому трудно добываемой нефти на 58%. Такой подход оказался на 19% эффективнее по сравнению с действием одного лишь пара, который широко применяется при нефтедобыче. Предложенный метод поможет повысить энергоэффективность применяемых технологий. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Industrial & Engineering Chemistry Research.
Механизм формирования активной формы катализатора в пласте. Источник: Фирдавс Алиев
Несмотря на стремление перейти от использования ископаемого топлива к альтернативным источникам энергии, традиционные нефть и газ на сегодняшний день составляют около 80% объема энергопотребления и служат ценным нефтехимическим сырьем. Однако, по прогнозам, запасы обычной, повсеместно используемой нефти иссякнут примерно через 50 лет, поэтому нефтедобывающие компании начинают использовать менее доступную тяжелую нефть — сырье с высокой вязкостью, плотностью и массой, из-за которых ее очень сложно извлечь из недр. Из-за трудностей, связанных с добычей, производство нефтепродуктов на основе тяжелой нефти очень дорогое. Более того, сырье приходится дополнительно очищать от высокомолекулярных примесей — смол, асфальтенов и других, которые в большом количестве содержатся в тяжелой нефти.
Чаще всего для извлечения такой нефти в пласт закачивают перегретый пар. При этом в результате перехода пара в состояние воды пласт разогревается и нефть становится более подвижной. Такой метод нефтедобычи энергозатратен, и, чтобы сделать его эффективнее, можно вместе с паром вводить в пласт катализаторы. Эти соединения обеспечивают разрушение самых «тяжелых» компонентов нефти — смол и асфальтенов. Это и обеспечивает повышение нефтеотдачи пласта, а добытая нефть легче поддается транспортировке и переработке.
Ученые из Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань) для снижения вязкости тяжелой нефти предложили использовать соли уксусной кислоты с переходными металлами (ацетаты) в качестве дополнения к паровой обработке. Эти соединения служат предшественниками катализатора — из них в пласте образуются частицы сульфидов соответствующих переходных металлов. Они выступают активной формой катализатора, воздействующего на химические связи между углеродом и серой в смолах и асфальтенах.
Сначала авторы смоделировали стандартную паровую обработку образцов тяжелой нефти в лабораторном реакторе — автоклаве. Оказалось, что такой подход снизил вязкость нефти на 39%. Затем исследователи добавили в автоклав ацетаты различных металлов — свинца, магния, натрия, цинка, меди и никеля — и сравнили свойства нефти, прошедшей такую комбинированную (пар вместе с катализатором) обработку с результатами предыдущего эксперимента, где использовался только пар. Ацетаты меди и никеля, совмещенные с действием пара, снизили вязкость исходной нефти на 58%, что на 19% превышает показатели очистки одним лишь паром. Такого эффекта удалось достичь благодаря тому, что катализатор ускорил разрыв химических связей в длинных молекулах смол и асфальтенов.
Авторы доказали, что количество тяжелых высокомолекулярных фракций в нефти действительно снизилось, проанализировав химический состав нефти до и после термокаталитического воздействия. Оказалось, что под действием пара доля тяжелых соединений уменьшилась с 38% до 36%, тогда как при добавлении ацетата никеля — с 38% до 24%. Содержание легких углеводородов и ароматических соединений в этом случае возросло на 24% (с 62% до 76%). Суммарно эти эффекты и позволили добиться снижения вязкости на 58%.
«Мы впервые продемонстрировали, что ацетаты металлов можно использовать для паротепловых технологий добычи тяжелой нефти. Эти недорогие и безопасные соединения помогут повысить энергоэффективность существующей технологии. В дальнейшем мы планируем провести испытания в условиях реального нефтеносного пласта, чтобы доказать возможность использования предложенного подхода на практике», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Фирдавс Алиев, кандидат технических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Внутрипластовое горение» Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского (Приволжского) федерального университета.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда