Соединение никеля поможет эффективно превратить тяжелую нефть в легкую

Ученые нашли способ сделать переработку тяжелой нефти прямо в пласте более эффективной. Эксперимент с применением модельных молекул показал, что можно удалить до 97% серосодержащих соединений и повысить качество сырья с помощью соединений никеля. Благодаря этому добыча трудноизвлекаемого топлива станет проще и дешевле. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Fuel.

Запасы легкой — не очень вязкой — нефти, которую легко добывать и перерабатывать, постепенно истощаются. Поэтому нефтедобывающие компании проводят разведку месторождений тяжелой нефти — густого смолоподобного сырья, которое сложнее извлекать на поверхность и транспортировать. Кроме того, такая нефть содержит много серы и других веществ, ухудшающих ее целевые свойства. Поэтому ученые разрабатывают технологии облагораживания (разжижения) тяжелой нефти и ее очистки от вредных примесей.

Так, например, в скважину под высоким давлением закачивают горячий водяной пар, который за счет повышения температуры снижает вязкость нефти. Если к нему добавить катализаторы, то дополнительно запускаются реакции, приводящие к расщеплению больших молекул смол и асфальтенов до более низкомолекулярных соединений, что повышает качество добываемой нефти. Кроме того, исследования показали, что удалять серу из сырья можно с помощью катализаторов на основе никеля. Однако до сих пор не было известно, с какой скоростью идут такие реакции, какие именно исходные соединения в них участвуют и какие продукты получаются в итоге, а это затрудняло подбор условий добычи тяжелой нефти.

Ученые из Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань) разработали математическую модель, подробно описывающую процессы преобразования серосодержащих соединений, которые моделируют облагораживание тяжелой нефти прямо в пласте.

Авторы в лаборатории смоделировали условия нефтяного месторождения в герметичном реакторе. Ученые поместили в него дибензилсульфид — вещество, содержащее серу и имитирующее молекулы углеводородов в нефти. Исследователи использовали эту упрощенную модель вместо настоящей тяжелой нефти, чтобы точно отследить все превращения, происходящие при очистке топлива от серы. При использовании реальных образцов в автоклаве могло бы происходить множество побочных реакций, усложняющих наблюдение.

«Чтобы проследить ключевые химические стадии процесса, мы использовали не сложную природную смесь, а модельное серосодержащее соединение — дибензилсульфид. Оно позволяет воспроизвести поведение серосодержащих компонентов, характерных для нетрадиционного углеводородного сырья, и при этом точно фиксировать направление превращений и скорость реакций. Такой подход особенно важен для построения надежной кинетической модели, поскольку реальные тяжелые нефти содержат тысячи соединений, одновременно вступающих во множество параллельных реакций, — отмечает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Амин Аль-Мунтасер, кандидат химических наук, научный сотрудник Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ.

Исследователи также добавили в реактор воду, имитирующий нефтяную среду растворитель и в некоторых опытах — органическое соединение никеля, которое, как предполагалось, должно было ускорить удаление серы. Смесь нагрели до 300°С при давлении в два раза выше атмосферного (как на глубине в несколько сотен метров). В этих условиях вода превратилась в водяной пар, и это воспроизвело условия обработки сырья в реальном пласте.

В течение суток авторы отслеживали, какие вещества образуются в реакторе в присутствии соединения никеля и без него. Чтобы описать все происходящие превращения, исследователи создали математическую модель. С ее помощью ученые выяснили: в присутствии соединения никеля молекулы сырья быстрее взаимодействуют с водой и распадаются. В результате прямо в пласте активно выделяется водород. Он, в свою очередь, связывается с серой и выводит ее из состава нефти в виде газа. Это позволяет удалить серу на 97%. Согласно моделированию, в отсутствии никеля происходят другие реакции, в ходе которых удаляется лишь 20% атомов серы.

«Наша модель включает 15 возможных реакций, происходящих при обработке серосодержащих соединений, которые моделируют компоненты тяжелой нефти. Она не только доказала эффективность использования соединений никеля, но и объяснила механизм их действия. Все это позволит усовершенствовать технологии добычи и обработки тяжелой нефти и тем самым уменьшить трудозатраты и стоимость этого процесса. В дальнейшем мы планируем исследовать системы на основе переходных металлов, которые с одной стороны будут обладать поверхностно-активными свойствами и позволят вытеснить больше углеводородного сырья за счет изменения межфазного натяжения, а с другой при трансформации будут образовывать активные фазы катализаторов для частичной переработки тяжелой нефти в пласте», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Варфоломеев, кандидат химических наук, директор центра Технологического парка «Малотоннажные химические технологии» КФУ.