Введение к работе
Актуальность. Сверхвязкие нефти и природные битумы (СВН и ПБ) относятся к так называемым нетрадиционным источникам углеводородного (УВ-) сырья, доля которых с каждым годом растет и, по данным международного агентства U.S. Energy Information Administration, в ближайшие годы на них будет приходиться свыше 40% от всей добываемой в мире нефти. В России их запасы обширны, только в Республике Татарстан выявлено более 450 залежей, расположенных на малых глубинах, из них более 50 месторождений СВН и ПБ являются детально изученными и входят в перечень месторождений, подготовленных ПАО «Татнефть» им В.Д. Шашина к опытно-промышленной разработке. Однако в настоящее время разрабатывается лишь Ашальчинское месторождение СВН.
Технологии добычи и переработки тяжелого УВ-сырья отличны от
традиционных, весьма наукоемки. Это связано с их высокой вязкостью,
значительным содержанием высокомолекулярных соединений (ВМС) – смол и
асфальтенов, в молекулах которых концентрируется большая часть гетероатомов,
присутствующих в исходном сырье. Смолисто-асфальтеновые вещества (САВ)
склонны к конденсации и агрегированию с последующим коксообразованием, что
определяет агрегативную устойчивость нефтяных дисперсных систем (НДС) в
различных термических и каталитических процессах, а при высоких температурах
переработки САВ дезактивируют катализаторы. В связи с этим, для успешной
разработки новых и совершенствования существующих технологий добычи и
переработки тяжелого УВ-сырья, необходимы более глубокие знания о его составе и
характере преобразования при различных вариантах теплового и
термокаталитического воздействия. Исследования в данном направлении ведутся не первое десятилетие нефтяными компаниями и научными центрами, как отечественными (ПАО «ЛУКОЙЛ», ПАО «НК «Роснефть», Институт ТатНИПИнефть ПАО «Татнефть» им В.Д. Шашина, ИОФХ им. А.Е. Арбузова ФИЦ КазНЦ РАН, ИПНГ РАН, ИНХС РАН, ИХН СО РАН, ИНГГ СО РАН, РГУ нефти и газа И.М. Губкина, ВНИГНИ; К(П)ФУ, КНИТУ и др.), так и зарубежными (ACS, Schlumberger, Calgary University, Instituto Mexicano del Petrleo, University of Birmingham, Daqing Petroleum Institute и др.). Но на данный момент все еще нет систематического подхода, позволяющего отслеживать химические процессы, происходящие в пласте во время внутрипластового облагораживания СВН и ПБ, где водород, вода, катализатор совместно взаимодействуют в сложном природном реакторе, сложно предсказывать поведение такого сырья и при переработке. В этой связи, исследования, направленные на детальное изучение особенностей преобразования состава тяжелых УВ в процессах их добычи и переработки, являются важными и актуальными. Работа выполнена в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники РФ «Рациональное природопользование», в соответствии со стратегией инновационного развития РФ на период до 2020 г., и в рамках государственной программы повышения конкурентоспособности Казанского
(Приволжского) федерального университета среди ведущих мировых научно-образовательных центров.
Цель работы: Установление закономерностей превращения смолисто-асфальтеновых компонентов сверхвязких нефтей и природных битумов в природных и модельных гидротермально-каталитических процессах путем комплексного анализа исходного сырья и продуктов конверсии.
Для достижения поставленной цели, необходимо было решить следующие
задачи:
-
Провести сравнительные исследования состава углеводородов (УВ) и асфальтенов СВН и ПБ пермских отложений Татарстана в зависимости от степени их природной преобразованности;
-
Изучить фракционный состав асфальтенов в нефтях и битумах различных химических типов и выявить их отличительные особенности;
-
Исследовать зависимость температурно-вязкостных характеристик СВН от их химического состава, отражающего степень их природной преобразованности;
-
Исследовать влияние гидротермальных и каталитических процессов на состав и свойства СВН пермских отложений в условиях, моделирующих паротепловое воздействие на продуктивный пласт, в присутствии породообразующих минералов;
-
Оценить эффективность природного катализатора - гематита, содержащего оксид железа, в заданных режимах гидротермально-каталитической конверсии СВН;
-
Выявить отличительные особенности преобразования углеводородного и гетероатомного состава асфальтита и СВН различных химических типов в условиях, моделирующих паротепловое воздействие на пласт.
Научная новизна работы.
Впервые выявлены различия фракционного состава асфальтенов, выделенных из СВН и ПБ различных типов, в зависимости от степени их природной преобразованности, проявляющиеся в углеводородном, структурно-групповом и элементном составе, а также средней величине их молекулярной массы.
Изучено влияние водной фазы на изменение качественных характеристик СВН в условиях гидротермально-каталитических процессов при температуре 360С в восстановительной среде в присутствии минералов (кремнезема и двух видов глин -бентонита и каолина). В ходе опытов установлено новообразование легких алканов нормального строения за счет деструкции высокомолекулярных компонентов СВН. Присутствие водной фазы приводит к более интенсивному газообразованию, что проявляется в увеличении доли этана и бутана в продуктах опытов.
Показано влияние температуры и воды на характер преобразования состава СВН Ашальчинского месторождения при 210, 250 и 300C в присутствии природного катализатора - гематита. В продуктах опытов увеличивается содержание легких УВ за счет деструкции САВ. Выявлены фазовые превращения, приводящие к переходу части асфальтенов, через стадию образования карбено-карбоидов, в кокс.
Впервые с применением метода порошковой рентгеновской дифракции рассчитаны структурно-фазовые характеристики асфальтенов СВН Ашальчинского месторождения и продуктов ее конверсии при температурах 210, 250, 300С в присутствии гематита в среде водяного пара. Показано, что по мере увеличения температуры и снижения содержания воды в реакционной массе, увеличивается межпачечное расстояние в ассоциатах асфальтенов при снижении размеров ассоциатов и числа ароматических слоев в них, что влияет на агрегативную устойчивость НДС.
Практическая значимость.
-
Разработана методика фракционирования асфальтенов методом сольвентной экстракции с применением растворителей гептана и толуола на три фракции, которая может быть использована при проведении аналитических исследований асфальтенов.
-
Определены зависимости вязкости нефтей из различных скважин Ашальчинского месторождения от напряжения сдвига или градиента давления, которые необходимо учитывать при решении задач по фильтрации СВН в пористой среде и при разработке месторождений тепловыми методами.
-
Определены оптимальные условия для внутрипластового облагораживания состава сверхвязкой нефти Ашальчинского месторождения в гидротермально -каталитических процессах с применением природного катализатора гематита: температура - 250С, давление - 17 МПа, при которых увеличивается содержание легких углеводородов (с 57,30 до 78,50%), снижается содержание смол (с 36,90 до 11,16%) при низком образовании кокса (2,88%).
-
Показана принципиальная возможность облагораживания состава СВН и ПБ в пластовых условиях, что может быть использовано при создании новых и адаптации существующих технологий разработки месторождений тяжелого УВ-сырья.
Положения, выносимые на защиту:
совокупность данных об углеводородном, элементном, структурно-групповом составе и физико-химических свойствах СВН и ПБ различных химических типов, структуре и свойствах их асфальтенов;
методика фракционирования и исследования структурного состава асфальтенов;
данные о гидротермально-каталитических превращениях СВН Ашальчинского месторождения на природных минералах при температуре 360С в восстановительной среде в присутствии воды;
данные об изменении углеводородного и гетероатомного состава компонентов СВН Ашальчинского месторождения в гидротермально-каталитических процессах с использованием природного катализатора гематита;
данные о преобразованиях СВН и ПБ различных химических типов в условиях, моделирующих паротепловое воздействие на пласт.
Личный вклад соискателя заключается в разработке методологических подходов к изучению углеводородного состава сверхвязких нефтей и природных битумов и фракционного состава их асфальтенов, в проведении гидротермально-
каталитических опытов и исследовании продуктов опытов, а также анализе полученных экспериментальных данных, написании и подготовке к публикации тезисов докладов и статей.
Автор выражает благодарность научному руководителю в.н.с., д.х.н Каюковой Галине Петровне, проф., д.т.н. Кемалову Алиму Фейзрахмановичу и другим соавторам публикаций за консультации и помощь в выполнении работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на следующих международных научно-практических
конференциях: «Инновации и технологии в разведке, добыче и переработке нефти и
газа» (Казань, 2011); «Нефтегазопереработка-2011» (Уфа, 2011); «Увеличение
нефтеотдачи – приоритетное направление воспроизводства запасов углеводородов»
(Казань, 2011); «Высоковязкие нефти и природные битумы: проблемы и повышение
эффективности разведки и разработки месторождений» (Казань, 2012); VIII
Международная конференция «Химия нефти и газа» (Томск, 2012); VIII
Международная конференция «Инновационные нефтехимические технологии-2012»
(Нижнекамск, 2012); «Нефтегазопереработка-2013» (Уфа, 2013); «Проблемы
повышения эффективности разработки нефтяных месторождений на поздней стадии»
(Казань, 2013); «Нефтегазопереработка-2014» (Уфа, 2014); молодежных
конференциях: Х Школа-конференция молодых ученых по нефтехимии (Звенигород, 2011); «Нефть и нефтехимия» (Казань, 2011); XVII Международный научный симпозиум им. академика М.А.Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2013); российско-японский семинар нефтегазовых технологий (КФУ-РОТОБО, Казань, 2013); Международный семинар ThEOR 2017 (Kazan, 2017). Работа поддержана грантами РФФИ № 12-05-97027 р_поволжье_а – 2012-2013 гг., РФФИ № 15-45-02689 р_поволжье_а – 2015-2016 гг., РФФИ 17-45-160823 р_а – 2017 г.
Публикации. Основные результаты работы изложены в 8 статьях в журналах, рекомендованных ВАК, и 14 публикациях в трудах конференций различного уровня.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, списка сокращений, четырёх глав, заключения, выводов и списка литературы из 247 наименований. Работа изложена на 173 страницах, содержит 31 таблицу, 78 рисунков.