Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в связи с истощением мировых запасов легких неструктурированных нефтей происходит переориентация на использование тяжелых структурированных нефтей и битумов, которые характеризуются высоким содержанием смолисто-асфальтеновых веществ. Осаждение и формирование асфальтеновых отложений на рабочих поверхностях вызывают проблемные ситуации при добыче, транспорте и переработке нефти. Образование подобных отложений может быть вызвано различными процессами, включая первичное истощение, закачку природного или углекислого газа, кислотную обработку или совместную добычу несовместимых нефтяных флюидов. Таким образом, поведение асфальтенов находится в сильной зависимости от внешних условий - температуры, давления, параметров внешних полей, изменения состава дисперсионной среды нефти и других. Асфальтены могут концентрироваться на различных участках системы добычи, начиная с пор пласта и заканчивая насосами, колонной насосно-компрессорных труб и наземным оборудованием. С целью предотвращения подобных осложнений и эффективной борьбы с отложениями асфальтенов необходимо изучить механизмы их агрегации.
Экспериментальное исследование свойств асфальгеносодержащих систем и поиск факторов, ответственных за наблюдаемое поведение, а также создание методики, позволяющей описать поведение асфальтенов и прогнозировать их осаждение, имеют большое значение для нефтяной промышленности.
Настоящая работа посвящена изучению характера агрегации асфальтенов в модельных и природных нефтяных системах и исследованию фазового поведения нефтей в широком диапазоне температур и давлений.
Цель и задачи работы. Целью работы являлись разработка экспериментальных методик оценки стабильности асфальтенов в нефтях и исследование процесса стеклования нефтей в широком интервале параметров фазового состояния.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1. Экспериментальные исследования диэлектрических характеристик
нефтей в широком диапазоне температур (123-320 К) и давлений (до 1 ГПа).
-
Создание экспериментальной методики, основанной на анализе спектров диэлектрической релаксации нефтей, позволяющей оценить риски формирования асфальтеновых отложений в пластовых условиях.
-
Исследование влияния компонентного состава нефтей на их диэлектрические характеристики в широком диапазоне частот.
-
Исследование процесса кластерообразования полярных асфальтеновых наноагрегатов методами компьютерного моделирования.
-
Анализ и расчет физико-химических свойств (дипольный момент, молярный объем, полярная составляющая параметра растворимости Хансена) гипотетических усредненных структур молекул асфальтенов.
-
Разработка методологии оценки коллоидной стабильности нефтей на основании их компонентного состава и диэлектрических параметров нефтяных фракций.
Научная новизна. Получены новые данные о процессах кластерообразования асфальтенов методами компьютерного моделирования. Учет диполь-дипольных взаимодействий между наноагрегатами в подобных расчетах ранее не проводился. Методом функционала плотности впервые вычислены диполь-ные моменты усредненных гипотетических структур молекул асфальтенов. Предложен новый показатель коллоидной стабильности нефтей, учитывающий компонентный состав и полярность нефтяных фракций. Разработана новая экспериментальная методика, позволяющая качественно определить степень межкластерных взаимодействий асфальтенов в нефтях и оценить риски асфальте-новой преципитации. Построена фазовая диаграмма стеклования нефтей с использованием метода диэлектрической спектроскопии.
Практическая значимость. Проведенное исследование позволяет сделать вывод о существенности диполь-дипольных взаимодействий высокомолекулярных компонентов нефти в процессе их агрегации. Предложенный показатель коллоидной стабильности нефтей может быть использован для прогнозирования преципитации асфальтенов. Разработанная экспериментальная методи-
ка оценки степени межкластерных взаимодействий асфальтенов в нефтях позволяет охарактеризовать стабильность асфальтенов в пластовых условиях (давление, температура). С использованием данной методики могут быть исследованы как исходные нефти, так и смеси нефтей. Данные по фазовому поведению нефтей, полученные методом диэлектрической спектроскопии в широком интервале температур и давлений, могут быть востребованы при разработке сверхглубоких месторождений.
Положения, выносимые на защиту:
-
Фазовая диаграмма стеклования нефтей, рассчитанная на основании спектров диэлектрической релаксации.
-
Экспериментальная методика оценки степени межкластерных взаимодействий асфальтенов в нефтях при различных температурах и давлениях с использованием диэлектрической спектроскопии.
-
Степенная зависимость дипольного момента кластера от его массы (количества, составляющих его наноагрегатов), полученная в результате компьютерного моделирования.
-
Расчет физико-химических свойств усредненных гипотетических структур молекул асфальтенов с использованием компьютерного моделирования.
-
Показатель коллоидной стабильности для нефтей, учитывающий компонентный состав и полярность нефтяных фракций.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на IV Всероссийской научно-практической конференция «Добыча, подготовка, транспорт нефти и газа» (Томск, 2007), на IV международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2007), на научно-практической конференции «Методы интенсификации добычи углеводородного сырья. Опыт и перспективы» (Москва, 2008), на XV и XVI Всероссийской конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Казань, 2008, 2009), на V международной научно-технической конференции «Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем» (Москва, 2009), на VII международной конференции «Химия нефти и газа» (Томск, 2009), на II международной науч-
но-практической конференции «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям» (Москва, 2010), на IX и X (9th and 10th) международной конференции «International Conference on Petroleum Phase Behavior and Fouling» (Канада, 2008; Бразилия, 2009).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 14 публикациях, среди них 4 статьи в зарубежных рецензируемых научных журналах; 6 статей в сборниках; 4 тезиса.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 108 страницах, состоит из введения, 5 глав, выводов; содержит 12 таблиц, 35 рисунков, 119 наименований цитируемой литературы, приложение.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность коллективу кафедры физики за постоянную и всестороннюю помощь при выполнении работы, а также сотрудникам компании «Schlumberger» (Сафонову С.С, Зозуле О.М., Мутиной А.Р., Коробкову Д.А.) за помощь в проведении экспериментов и полезные обсуждения.
