Изучение механизма реакций окисления алифатических и ароматических углеводородов и нефти на основе анализа термодинамических и кинетических параметров, а также содержания свободных радикальных частиц

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-73-10378

НазваниеИзучение механизма реакций окисления алифатических и ароматических углеводородов и нефти на основе анализа термодинамических и кинетических параметров, а также содержания свободных радикальных частиц

Руководитель Юань Чэнгдонг, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №23 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-401 - Неравновесные процессы – воспламенение, горение, детонация, взрыв

Ключевые слова Методы повышения нефтеотдачи, закачивание воздуха под давлением (HPAI), внутрипластовое окисление (ISC), подземная нефтепереработка, модельные углеводороды, механизм окисления, термодинамика, кинетика, инициаторы окисления, механизм инициации окисления, дифференциально-сканирующая калориметрия высокого давления, термогравиметрия, ЯМР и ЭПР-спектроскопия.

Код ГРНТИ31.15.27 31.15.25 61.13.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Лабораторные и промысловые испытания процесса закачивания воздуха в пласт указывают на факт того, что поджиг нефтяного пласта (будь то самовозгорание или принудительный процесс поджига), а также поддержание стабильного фронта горения, которые непосредственно зависят от процесса взаимодействия нефти с воздухом, является крайне сложным явлением из-за низкой внутрипластовой температуры, свойств самой нефти, её высокой обводнённости и ряда других факторов. В настоящее время реакцию окисления в основном исследуют современными методами термического анализа, такими как термогравиметрия (ТГА) и дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) с различными модификациями. Различные по свойствам и составу нефти были изучены с помощью методов ТГА и ДСК для выявления кинетических параметров реакции окисления. Эти исследования позволили получить некоторые важные термохимические данные, такие как интервалы реакций и соответствующие им температуры пиков, начальные температуры процесса воспламенения, тепловой эффект, а также кинетические параметры, которые могут помочь объяснить механизм процесса окисления. Было установлено, что для метода повышения нефтеотдачи с использованием технологии закачки воздуха характерны три основные стадии реакции, а именно: зона низкотемпературного окисления, зона высокотемпературного окисления, а также промежуточная стадия, названная зоной образования топлива, относящаяся к процессу пиролиза. Для моделирования и прогнозирования этих процессов были созданы некоторые простые кинетические модели. Однако, к сожалению, механизм реакции окисления еще недостаточно изучен из-за сложного состава нефти (каждая SARA фракция нефти является смесью большого числа компонентов). В свою же очередь, механизмы реакции, которые регулируют различные стадии данного процесса, не ясны до конца, к тому же эффект промотирования или ингибирования горения одного компонента другими фракциями также часто игнорируется. Следовательно, имеющиеся простые модели реакции не способны предоставить полную картину процесса. С нечетким механизмом окисления также трудно изучить начало процесса окисления сырой нефти и разработать эффективные методы инициирования, разработать дешевые и эффективные способы для поджига нефти и поддержки стабильного фронта горения. Все это оказывает серьезное влияние на эффективность закачки воздуха и ограничивает широкое применение данной технологии. Поэтому, чтобы решить эти проблемы, данный проект будет сосредоточен на двух аспектах: во-первых, обеспечение более глубокого понимания механизма окисления сырой нефти на основе изучения модельных соединений и их смесей; во-вторых, разработка химических способов инициирования и стабилизации процессов окисления. Для этих целей будут использованы современные физико-химические методы: дифференциально-сканирующая калориметрия (ДСК) высокого давления, совмещенные методы термогравиметрии (ТГА) и ИК-спектроскопии (ИК), газовая хроматография, масс-спектрометрия, элементный анализ, ЭПР-, ЯМР- и ИК-спектроскопия. Их применение позволит решить следующие задачи: (1) Исследовать механизм реакций окисления, включая каждую стадию, для отдельных компонентов нефти (алифатические и ароматические углеводороды, смолы и асфальтены) и установить кинетическую модель реакции. (2) Изучить влияние отдельных компонентов нефти на кинетику реакций окисления друг друга (промотирование или ингибирование горения), а также на другие параметры реакций: температура начала, температурный диапазон, тепловой эффект и т.д.). Будут изучены бинарные и тройные смеси углеводородов, что позволит восстановить процесс окисления сырой нефти и установить точную модель этого процесса. (3) Изучить механизм инициирования процесса окисления сырой нефти в присутствии различных химических добавок и разработать эффективные методы инициирования окисления для применения в пластовых условиях. Эксперименты с индивидуальными компонентами нефти с использованием ДСК-высокого давления, совмещенного метода ТГА-ИК при различных скоростях нагрева позволит получить информацию о кинетики происходящих процессов и оценить термохимические параметры реакций. Совмещенный метод ТГА-ИК предоставит информацию о выделившихся в результате реакции окисления газообразных продуктах на каждой стадии данного процесса. Элементный анализ, газовая хроматография, масс-спектрометрия, ЭПР, ЯМР и ИК-спектроскопия будут использованы для анализа изменений свойств нефти и модельных соединений до и после окисления. ЯМР и ЭПР могут также предоставить информацию об изменении интенсивности и структуры свободных радикалов для изучения механизма реакции окисления и ее инициации. Таким образом, сочетание представленных методов обеспечит эффективное и направленное исследование механизма окисления и процесса инициирования. Новизна этой работы включает в себя два аспекта: (1) каждый компонент нефти (чистые алифатические и ароматические углеводороды, смола и асфальтены), их бинарные и тройные смеси будут изучены отдельно с помощью целого набора методов (ДСК-высокого давления, ТГА-ИК, газовая хроматография, элементный анализ, масс-спектрометрия, ЭПР-, ЯМР- и ИК-спектроскопия и т.д.). Это позволит нам получить исчерпывающую информацию о взаимном влиянии этих компонентов нефти друг на друга и поможет восстановить картину реакций при ее окислении. (2) будут разработаны некоторые виды химических и природных инициаторов, одновременно являющихся дешевыми и экологичными. Они позволят снизить температуру воспламенения нефти и поддержать равномерный тепловой фронт, что повышает эффективность применения воздуха в технологии обработки пласта и облагораживания нефти.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мехраби-Каладжахи С.С., Варфоломеев М.А., Юань Ч., Емельянов Д.А., Хаяров Х.Р., Родионов А.А., Орлинский С.В., Гафуров М.Р. EPR AS A COMPLIMENTARY TOOL FOR THE ANALYSIS OF LOW-TEMPERATURE OXIDATION REACTIONS OF CRUDE OILS Journal of Petroleum Science and Engineering (год публикации - 2018)
10.1016/j.petrol.2018.05.049

2. Юань Ч., Емельянов Д.А., Варфоломеев М.А. OXIDATION BEHAVIOR AND KINETICS OF LIGHT,MEDIUM, AND HEAVY CRUDE OILS CHARACTERIZED BY THERMOGRAVIMETRY COUPLED WITH FOURIER TRANSFORM IFRARED SPECTROSCOPY Energy&Fuels, Volume 32, Issue 4, 5571-5580 pp (год публикации - 2018)
10.1021/acs.energyfuels.8b00428

3. Мэхраби-Каладжахи С.С., Варфоломеев М.А., Юань Ч., Пу В., Родионов А., Орлинский С., Ванг Р., Гафуров М. Using EPR Technique for Monitoring of ISC Processes and Reservoirs Temperature in Enhanced Oil Recovery SPE Russian Petroleum Technology Conference, pp. 1-11 (год публикации - 2018)
10.2118/191548-18RPTC-MS

4. Абаас М., Варфоломеев М.А., Юань Ч., Емельянов Д.А. EFFECT OF ROCK MINERALS ON THE CRUDE OIL COMBUSTION CHARACTERIZED BY THERMOGRAVIMETRY COUPLED WITH FOURIER TRANSFORM INFRARED SPECTROSCOPY (TG-FTIR) 18th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2018, Volume 18, Issue 1.4, pp. 421-426 (год публикации - 2018)
10.5593/sgem2018/1.4/S06.055

5. Юань Ч., Варфоломеев М.А., Халиуллин Р.,Ескин А.А., Нагриманов Р.Н. MUTUAL EFFECTS OF SARA FRACTIONS ON THE OXIDATION BEHAVIOR CHARACTERIZED BY DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETER (DSC) 18th International Multidisciplinary Scientific Geoconference SGEM 2018, Volume 18, Issue 1.4, pp. 621-626 (год публикации - 2018)
10.5593/sgem2018/1.4/S06.081

6. Юань Ч., Варфоломеев М.А., Емельянов Д.А., Сувейд М.А., Хачатрян А.А.,Старшинова В.Л., Вахитов И.Р., Аль-Мунтасер А.А. Copper stearate as a catalyst for improving the oxidation performance of heavy oil in in-situ combustion process Applied Catalysis A, General, Volume 564, Issue 25, pp. 79-89 (год публикации - 2018)
10.1016/j.apcata.2018.07.021

7. Юань Ч., Емельянов Д.А., Варфоломеев М.А., Абаас М., Comparison of oxidation behavior of linear and branched alkanes Fuel Processing Technology (год публикации - 2019)
10.1016/j.fuproc.2019.02.025

8. Абаас М., Юань Ч., Емельянов Д.А., Варфоломеев М.А., Арискина К.А., Effect of calcite on crude oil combustion characterized by high-pressure differential scanning calorimetry (HP-DSC) Petroleum Science and Technology (год публикации - 2019)
10.1080/10916466.2019.1587461

9. Юань Ч., Емельянов Д.А., Варфоломеев М.А., Абаас М., Combustion behavior of aromatics and their interaction with n-alkane in in-situ combustion enhanced oil recovery process: Thermochemistry Journal of Industrial and Engineering Chemistry (год публикации - 2019)
10.1016/j.jiec.2019.04.014

10. Абаас М., Юань Ч., Арискина К.А., Варфоломеев М.А., Емельянов Д.А., Effect of dolomite on crude oil combustion characterized by high-pressure differential scanning calorimetry (HP-DSC) Petroleum Science and Technology (год публикации - 2019)

11. Юань Ч., Емельянов Д.А., Варфоломеев М.А., Ванфен П.У., Ушакова А.С., Oxidation Behavior and Kinetics of Eight C20−C54 n‑Alkanes by High Pressure Differential Scanning Calorimetry (HP-DSC) Energy & Fuels (год публикации - 2018)
10.1021/acs.energyfuels.8b01401

12. Юань Ч., Варфоломеев М.А., Сувейд М.А., Емельянов Д.А. IMPROVING THE OXIDATION BEHAVIOR OF HEAVY OIL USING COPPER STEARATE AS A CATALYST International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM, Vol. 17, Issue 15, 243-248 pp (год публикации - 2017)
10.5593/sgem2017H/15/S06.031

13. Юань Ч., Варфоломеев М.А., Емельянов Д.А., Ескин А.А., Нагриманов Р.Н., Кок М.В., Афанасьев И.С., Федорченко Г.Д., Копылова Е.В. OXIDATION BEHAVIOR OF LIGHT CRUDE OIL AND ITS SARA FRACTIONS CHARACTERIZED BY TG AND DSC TECHNIQUES: DIFFERENCES AND CONNECTIONS Energy&Fuels (год публикации - 2017)
10.1021/acs.energyfuels.7b02377

14. Варфоломеев М.А., Юань Ч., Емельянов Д.А. EFFECTS OF SAMPLE MASS AND HEATING RATE ON THE OXIDATION BEHAVIOR OF CRUDE OIL USING ALUMINA OR SILICA AS SOLID MATRIX International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM, Vol. 17, Issue 15, 131-138 pp (год публикации - 2017)
10.5593/SGEM2017H/15/S06.017

15. Абаас М.А., Варфоломеев М.А., Юань Ч.,Емельянов Д.А. EFFECTS OF DOLOMITE AND CALCITE ON CRUDE OIL OXIDATION BY THERMAL ANALYSIS TECHNIQUES International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM, Vol. 17, Issue 15, 125-130 pp (год публикации - 2017)
10.5593/SGEM2017H/15/S06.016

Публикации