Химики Научного центра мирового уровня Казанского федерального университета открыли новый катализатор для внутрипластового горения нефти
Ученые НИЛ «методов увеличения нефтеотдачи» НЦМУ КФУ разработали перспективный катализатор на основе масла таллата меди. Он обладает высокой степенью растворимости в нефтяной среде, что значительно снижает вязкость углеводородов и увеличивает долю полезных легких фракций нефти.
Фото: https://ncmu.kpfu.ru
Черное золото
За последние 50 лет интенсивной добычи человечество выработало почти половину мировых запасов нефти. Ресурсов, которые копились в недрах Земли почти 200 миллионов лет, в течение всей мезозойской эры.
Все потому, что нефть – это основа современной экономики. Не всегда очевидно, но нефтепродукты используют для создания большинства привычных вещей – от зубной пасты и жевательной резинки до дорожных покрытий. По оценкам экспертов, сегодня ископаемые углеводороды являются критическим компонентом для производства и сбыта около 90% мировой промышленной продукции.
Само по себе жидкое топливо на 80-90% состоит из сложной смеси углеводородов с примесью других химических соединений. Всего в состав нефти может входить до тысячи различных веществ. На этапе переработки сырье физически разделяют на фракции, а также удаляют нерастворимые примеси с помощью сепарации. После этого отдельные углеводородные соединения используют для нефтехимического синтеза материалов, топлива и масел.
Добыча и потребление нефти стабильно растут последние 100 лет. Только в период с 1950 по 1980 годы использование сырой нефти в мире увеличилось в шесть раз. Хотя в последнее время аналитики стали отмечать постепенное замедление темпов роста.
Еще в 1956 году американский геофизик Мэрион Кинг Хабберт сделал громкое предсказание о том, что к 2000 году добыча нефти во всем мире выйдет на пик, после которого нефтяные компании будут не в состоянии удовлетворять постоянно растущий спрос. Он оказался недалек от правды, но нефтяного коллапса пока что не произошло.
Дело в том, что в последние годы общий рост производства нефти обеспечивают нетрадиционные источники, такие как газовый конденсат, битуминозные пески и сланцевая нефть. Они постепенно заменяют легкую нефть, которая имеет высокую природную очистку и низкую плотность, а значит довольно просто извлекается из-под земли. Более плотные и тяжелые типы «черного золота» требуют значительных ресурсов, что сильно снижает скорость добычи и качество добываемого сырья.
Неэффективная добыча
По данным компании British Petroleum, в 2021 году объем доказанных запасов нефти составлял 1,7 трлн баррелей. Если считать эти данные верными, то всей нефти при текущем уровне потребления должно хватить до 2070 года. При этом в относительном выражении общие доказанные запасы сейчас выглядят примерно так: 29% представляют собой легкую нефть, 57% – среднюю и 14% – тяжелую.
В целом, проблема дефицита нефти на текущий момент отошла на второй план, так как постепенно появляются новые источники горючего, например биотопливо. При этом в мире растет доля энергии из возобновляемых источников, на которые приходится до приходится 90% новых энергетических мощностей, а также атомных электростанций. По прогнозам BP, к 2050 году мировое потребление ископаемых энергоносителей снизится на 85%.
Но к этому же периоду основное количество ценных углеводородов будет извлекаться из тяжелой нефти. Поэтому уже сейчас очень важно совершенствовать технологии добычи. Ведь каждый процент увеличения доли извлекаемой нефти означает до трех дополнительных лет добычи в текущих объемах.
Действительно, многие месторождения сейчас практически выработаны, ведь большая часть из них была открыта и разведана в период с 1946 по 1980 годы, а пик пришелся на 60-е годы XX века. С тех пор темп роста резервов постоянно снижается. Все, как и предсказывал геофизик Мэрион Кинг Хабберт. Сейчас на один баррель новых доказанных резервов приходится два добытых барреля нефти. А большинство новых месторождений находятся в труднодоступных районах планеты, например в Арктике.
По данным исследований Citibank, общие средние запасы месторождений с 2015 года сократились на 25%, при этом текущий доступный мировой запас добычи составляет менее 10 лет. Общая маржинальность добычи нефти, то есть прибыль компании за каждый баррель, постоянно падает. Все из-за тех же проблем: разработка месторождений в суровых условиях и переход на добычу более тяжелых видов нефти.
Новые горизонты
На помощь нефтедобывающим компаниям пришли ученые, которые сейчас исследуют новые способы извлечения нефти из сложных горных пород. Дело в том, что порода, содержащая «черное золото», всегда находится в ловушке из двух непроницаемых слоев. Самые простые – это глина или гипс, но могут быть и другие горные породы. Чтобы добраться до коллектора с нефтью, нужно сначала пробить его оболочку.
Например, для добычи легкой нефти из труднодоступных коллекторов в сланцах, известняках и плотных песчаниках нужны технологии многостадийного гидроразрыва пласта и точного направленного горизонтального бурения. В образовавшийся подземный резервуар закачивают под высоким давлением смесь песка и водного раствора химических реагентов. Этот специальный жидкий состав взрывает горный пласт с нефтяными залежами. Образуется множество трещин, и ранее твердая порода становится проницаемым коллектором. Процесс повторяют цикл за циклом, чтобы увеличилось число трещин, через которые нефть может проходить к нижней части скважины и выходить на поверхность. Это делает себестоимость такой нефти в несколько раз выше по сравнению с традиционными вертикальными способами бурения скважин.
Поэтому прямо сейчас доступные способы извлечения тяжелой нефти зависят напрямую от ученых, которые ищут способы обрабатывать твердый кероген. Это органическое химическое соединение является основным источником жидких углеводородов в низкопроницаемых коллекторах внутри осадочных пород.
Основная задача стоит в поиске эффективных, экологически чистых и экономичных технологий добычи и переработки сланцевой нефти. И многообещающий метод повышения нефтеотдачи уже есть – это внутрипластовое горение после стандартного гидроразрыва пласта. Технология включает нагрев и сжигание углеводородов на месте. Нагрев до температуры в 500-700°C приводит к снижению вязкости нефти и увеличению подвижности, что значительно улучшает скорость прокачки через эксплуатационный ствол скважины и в итоге приводит к значительному росту коэффициента нефтеотдачи месторождения.
В сравнении с внутрипластовым сжиганием, закачка в скважину пара имеет существенные экологические недостатки, такие как огромное количество потребляемой воды и энергии, а также образование большого количества парниковых газов. Воспламенение части тяжелой нефти в недрах Земли является многообещающим и менее вредным для окружающей среды решением облегчения добычи тяжелой нефти. При его использовании значительно снижаются производственные затраты, расходы природного газа и пресной воды, а также необходимое количество растворителей для транспортировки нефти.
Решение найдено
Метод сжигания на месте на самом деле является старейшим методом термического восстановления. Он впервые был опробован еще в 1920 году на юге штата Огайо с целью плавления парафина и увеличения добычи нефти. Но из-за плохого понимания основных кинетических параметров операции и отсутствия контроля многие ранние полевые испытания использования технологии в коммерческих целях потерпели неудачу. Поэтому до последнего десятилетия интерес ученых к методу был очень низким. И сейчас реализация технологии внутрипластового горения в полевых проектах остается сложной задачей, хоть она и имеет значительный потенциал. Тем более, что внутрипластовое горение нефти можно проводить даже при малой толщине пласта, а также в обводненных, глинистых, песчаных и карбонатных породах.
Основные трудности метода связаны с инициированием горения нефти в пласте и с регулированием процесса. Один из самых больших вопросов заключается в том, сможет ли фронт горения установиться и устойчиво распространяться в низкопроницаемой зоне, не охваченной трещинами.
Эффективность процесса можно повысить с помощью введения особого катализатора на основе наночастиц оксидов переходных металлов. Чаще всего, это оксиды ванадия, железа, кобальта, никеля. Сейчас уже создано достаточно большое количество примесей, которые оказывают влияние на процесс горения. Но у всех них есть ряд недостатков, в частности сложная растворимость в битумной нефти и равномерное распределение по объему пласта. Все это уменьшает общий каталитический эффект.
Новый катализатор на основе органической соли меди открыли химики НИЛ «методов увеличения нефтеотдачи» Научного центра мирового уровня (НЦМУ) Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета (КФУ). Перспективное масло таллата меди (Cu-Tall) обладает высокой степенью растворимости в нефтяной среде и поэтому является основной эффективного катализатора. Ученые доказали на практике, что вещество повышает нефтеотдачу и стабилизирует фронт горения углеводородов в пористой среде. Подробности работы опубликованы в тематическом научном журнале Energy & Fuels.
«В данной работе получен эффективный каталитический состав на основе соединения меди с использованием органического соединения в качестве лиганда. Одной из важнейших причин разработки такого рода катализаторов является ускорение окисления тяжелой нефти в пористых средах для снижения ее вязкости и содержания тяжелых соединений в ее составе. Сегодня наш катализатор может быть актуален для многих месторождений тяжелой нефти в том числе Республики Татарстан», – рассказал младший научный сотрудник НИЛ «методов увеличения нефтеотдачи» НЦМУ КФУ Мехраби Каладжахи Сейедсаид.
Лиганд – это частицы, которые связываются с другими молекулами с помощью донорно-акцепторного взаимодействия. Обычно лиганды являются донорами электронной пары, чье присутствие в итоге изменяет химические свойства вещества.
Отличные перспективы
Эффективность нового жидкого катализатора была исследована с помощью запатентованного устройства контроля теплового эффекта в пористых средах. Установка может измерять и записывать температурные параметры перед и за очагом горения материала при использовании внешнего нагрева. Это позволяет изучить динамику в начальной стадии внутрипластового горения.
Также катализатор протестировали на изобретенной казанскими учеными кварцевой трубе горения. Установка позволяет разобраться в движении фронта горения и проанализировать его устойчивость. Это дает уникальную возможность раскрыть все возможные механизмы реакции при внутрипластовом горении.
Практические эксперименты показали, что процесс окисления тяжелой нефти с помощью катализатора привел к снижению содержания высокомолекулярных соединений, таких как смолы и асфальтены, а доля легких фракций, включая насыщенные, увеличилась с 28,79 до 43,05%. А вязкость нефти в процессе окисления снизилась с 2072 мПа·с до 85 мПа·с.
«Разработка уже готова для применения в нефтяной отрасли. Полученный реагент позволяет инициировать воспламенение при более низких температурных режимах, что облегчит процесс внутрипластового горения. Следует отметить, что технология каталитического внутрипластового горения может быть перспективной для месторождений тяжелой нефти, горючих сланцев и традиционных нефтей на последней стадии разработки», – отметил руководитель НИЛ «методов увеличения нефтеотдачи» НЦМУ, заведующий кафедрой разработки и эксплуатации месторождений трудноизвлекаемых углеводородов Михаил Варфоломеев.
Химики НЦМУ и дальше продолжат искать возможности повысить эффективность химических добавок для тепловых методов увеличения нефтеотдачи, а также способы, при которых процесс горения будет протекать более стабильно. Ученые предполагают, что уже в ближайшее время начнется опытное использование катализатора на реальных российских месторождениях для повышения эффективности нефтедобычи.
