Исследование процессов каталитического окисления алифатических и ароматических углеводородов с использованием нефтерастворимых катализаторов для разработки каталитических методов внутрипластового горения с целью повышения эффективности добычи трудноизвлекаемых запасов углеводородов.

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 19-73-10189

НазваниеИсследование процессов каталитического окисления алифатических и ароматических углеводородов с использованием нефтерастворимых катализаторов для разработки каталитических методов внутрипластового горения с целью повышения эффективности добычи трудноизвлекаемых запасов углеводородов.

Руководитель Сайфуллин Эмиль Ринатович, Кандидат технических наук

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

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» 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 увеличения нефтеотдачи, внутрипластовое горение, окисление, алифатические углеводороды, ароматические углеводороды, нефть, термохимия, кинетика, катализ, механизм, калориметрия, термогравиметрия, ЯМР-спектроскопия, ИК-спектроскопия, методы квантово-химического моделирования

Код ГРНТИ31.15.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Из-за истощения традиционных ресурсов легкой нефти источники тяжелых углеводородов (тяжелая нефть, природный битум) рассматриваются в качестве одной из многообещающих альтернатив для удовлетворения возросшего спроса на энергию. Однако эффективное освоение этих ресурсов с использованием новых технологий является большой проблемой, стоящей перед всем миром, поскольку основной используемый в настоящее время метод закачки пара имеет некоторые проблемы, включающие как низкую тепловую эффективность и низкую экономическую выгоду из-за высоких потерь тепла, так и имеет ограничение на использование для некоторых нефтяных залежей. При этом генерация пара вызывает некоторые экологические проблемы, вызванные сжиганием большого количества угля или природного газа для производства пара, а также использованием значительного количества пресной воды. Внутрипластовое горение (ВПГ) является методом, при котором реализуется закачка окисляющего газа (воздуха) в пласт для генерации тепла путем сжигания части пластовой нефти. При этом формируется фронт горения, который продвигает нефть к добывающим скважинам благодаря комбинированному механизму вытеснения горячей водой, паром и дымовыми газами, что позволяет достичь высокого коэффициента нефтеизвлечения. Потери тепла на поверхности и в нагнетательных скважинах отсутствуют из-за выделения тепла непосредственно внутри нефтяного пласта, что делает ВПГ наиболее энергетически эффективным методом воздействия на пласт. В отличие от закачки пара, ВПГ не зависит от глубины залегания нефти. Он может быть использован для различных типов месторождений на любой стадии их разработки или истощения. Это более энергосберегающий, экологически чистый и эффективный метод повышения нефтеотдачи по сравнению с другими термическими методами, имеющий большой потенциал в разработке месторождений тяжелой нефти, битума и сланцевой нефти. Однако, все еще существуют некоторые проблемы, которые ограничивают успешное и широкое применение процесса ВПГ, в том числе связанные с трудностью инициирования горения в пласте и нестабильным фронтом горения, а также сложностями численного моделирования, которое затрудняет прогнозирование успешности нефтеизвлечения. В нашем текущем проекте, поддерживаемом Российским научным фондом (проект № 17-73-10378, срок окончания 30 июня 2019 года), мы обнаружили, что использование некоторых нефтерастворимых катализаторов (таких как стеарат меди) может не только снизить температуру инициирования и время индукции, выступая в качестве инициатора при низкотемпературном окислении, но и также значительно повысить эффективность горения в области высоких температур. Данные соединения показали высокий потенциал применения в качестве катализаторов при использовании ВПГ. Вышеупомянутые проблемы могут быть решены путем систематического исследования, направленного на выполнение следующих научных задач: (1) изучение механизма каталитического окисления углеводородов при использовании нефтерастворимого катализатора (стеарат меди) в процессе ВПГ; (2) разработка методологии целевого выбора каталитических систем для процесса ВПГ; (3) определения эффективных каталитических методов для инициирования окисления нефти и образования стабильного фронта горения при закачке воздуха. Для достижения этих целей требуется комплексное исследование с использованием широкого спектра экспериментальных методов и квантово-химических расчетов. В проекте будут применены дифференциальная сканирующая калориметрия высокого давления (HP-DSC), адиабатическая реакционная калориметрия (ARC), автоклавы высокого давления, термогравиметрический анализатор в сочетании с ИК-спектрометром (TG-FTIR), хромато-масс-спектрометрия (GC-MS), ИК-спектроскопия, ЯМР-спектроскопия (ЯМР), элементный анализ, порошковая рентгеновская дифрактометрия (XRD), сканирующая электронная микроскопия (SEM), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), высокоэффективная жидкостная хроматография (HPLC), матричная лазерная десорбция-ионизация (MALDI-TOF MS) и квантово-химические методы расчета (программное обеспечение Siesta, Gaussian и Priroda) для решения поставленных задач: (1) Систематическое исследование влияния стеарата меди на температурные, термохимические и кинетические параметры процессов окисления индивидуальных линейных и разветвленных алканов, неконденсированных и конденсированных ароматических соединений с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии; (2) Изучение влияния стеарата меди на температуру инициирования и кинетику окисления индивидуальных алифатических и ароматических углеводородов с использованием адиабатической реакционной калориметрии; (3) Исследование структурных изменений стеарата меди при низкотемпературном окислении алифатических и ароматических углеводородов в автоклавах высокого давления с использованием порошковой рентгеновской дифрактометрии, сканирующей электронной микроскопии совмещенной с элементным анализом и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии; (4) Детальное изучение продуктов низкотемпературного каталитического окисления при различных температурах путем анализа газообразных и жидких продуктов окисления, полученных в экспериментах в автоклаве, с использованием методов хромато-масс-спектрометрии (GC-MS), ИК-спектроскопии, ЯМР-спектроскопии и элементного анализа; (5) Моделирование связывания четырех модельных углеводородов с молекулой стеарата меди в присутствии молекулы кислорода (гомогенный катализ при низкотемпературном окислении, НТО) и моделирование сорбции четырех модельных соединений и их окисленных продуктов, полученных на стадии НТО, на поверхности оксидов меди (I) и (II), а также чистой меди в присутствии молекулы кислорода (гетерогенный катализ в области высоких температур); (6) Моделирование наиболее вероятного реакционного пути каталитического окисления с использованием стеарата меди в зоне НТО с использованием программных пакетов Gaussian и Priroda, а также с использованием экспериментальных данных, полученных в экспериментах в автоклаве высокого давления для определения механизма каталитического действия стеарата меди в качестве гомогенного катализатора в зоне НТО; (7) Моделирование связывания четырех модельных углеводородов в присутствии молекулы кислорода со стеаратами, олеатами и нафтенатами меди (II), железа (III) и кобальта (II), моделирование сорбции алифатических и ароматических углеводородов и продуктов их окисления на стадии НТО на поверхности оксида кобальта (II), оксида кобальта (III) и их смесей, оксида железа (II), оксида железа (III) и их смесей для выяснения влияния природы металла, природы лиганда, структуры поверхности в случае гетерогенного катализа на каталитическую активность; (8) Экспериментальное тестирование всех смоделированных катализаторов в процессах окисления алифатических и ароматических углеводородов с использованием методов дифференциальной сканирующей калориметрии высокого давления и адиабатической реакционной калориметрии для определения эффективности катализаторов и сопоставления с результатами квантово-химических расчетов. Выбор наиболее эффективных каталитических систем для их тестирования в процессах окисления бинарных и четырехкомпонентных смесей алифатических и ароматических углеводородов для определения взаимного влияния компонентов при каталитическом окислении; (9) Исследование окисления различных типов нефти с различным групповым составом (подбор нефтей ведется на основе измерений группового состава по методике SARA-анализа и дополнительных исследований методами газовой хроматографии, высокоэффективной жидкостной хроматографии, матричной лазерной десорбции-ионизации) в присутствии двух наиболее эффективных катализаторов методом дифференциальной сканирующей калориметрии высокого давления, а также выявление стабильности фронта горения и эффективности вытеснения при закачке воздуха в кварцевой трубе горения, позволяющей визуализировать все стадии горения. В ходе реализации проекта на основе совместного использования экспериментальных результатов и данных квантово-химических расчетов будет установлена общая методология для целевого отбора каталитических систем для интенсификации процессов внутрипластового горения различных типов нефти за счет снижения температуры инициирования окисления и одновременно стабилизации фронта горения, что значительно повысит эффективность закачки воздуха. Научная новизна представляемого проекта заключается в следующих аспектах: (1) Предложенные нефтерастворимые катализаторы (такие как стеарат меди) могут одновременно проявлять свойства гомогенных катализаторов при низкотемпературном окислении и свойства гетерогенных катализаторов на стадии высокотемпературного окисления за счет образования наноразмерных частиц с высокой площадью поверхности. Это открывает новые возможности для применения метода ВПГ с использованием каталитической интенсификации процессов горения и каталитического преобразования тяжелой нефти в пласте. Применение каталитических систем поможет значительно улучшить показатели успешности применения ВПГ и расширит его использование при добыче трудноизвлекаемых запасов углеводородов. (2) Комплексное исследование с использованием экспериментальных методов и квантово-химических расчетов не только поможет лучше понять механизм каталитического воздействия нефтерастворимых катализаторов (стеарат меди), но и позволит разработать методологии целевого выбора каталитических систем для повышения эффективности ВПГ . (3) Изучение каталитического окисления индивидуальных углеводородов и определения механизма каталитического действия позволит получить исчерпывающую информацию и надежные данные для численного моделирования технологии ВПГ с применением катализаторов, которые будут полезны для прогнозирования разработки месторождений тяжелой нефти. (4) Нефтерастворимые катализаторы (такие как стеараты, олеаты и нафтенаты меди, кобальта и железа) могут быть получены с использованием дешевых исходных реагентов и простых химических превращений. Таким образом, низкая стоимость и высокая каталитическая эффективность могут позволить широко применять данные катализаторы при реализации технологии внутрипластового горения, а также в других процессах, связанных с каталитическим окислением и переработкой углеводородов и их оксопроизводных. Совместная реализация процессов гомогенного и гетерогенного катализа при использовании одного катализатора может стать перспективным направлением интенсификации внутрипластового горения

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Арискина К.А., Абаас М., Юань Ч., Емельянов Д.А., Варфоломеев М.А. Effect of calcite and dolomite on crude oil combustion characterized by TG-FTIR Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol. 184, article № 106550 (год публикации - 2020)
10.1016/j.petrol.2019.106550

2. Юань Ч., Садиков К., Варфоломеев М.А., Халиуллин Р., Пу В. Альмунтасер А., Мехраби-Каладжахи С.C. Low-temperature combustion behavior of crude oils in porous media under air flow condition for in-situ combustion (ISC) process FUEL, Vol 259, article № 116293, (год публикации - 2020)
10.1016/j.fuel.2019.116293

3. Юань Ч., Варфоломеев М.А., Хачатрян А.А. Interaction between aromatics and n-alkane for in-situ combustion process Journal of Petroleum Science and Engineering, article 106770 (год публикации - 2019)
10.1016/j.petrol.2019.106770

4. Юань Ч., Мехраби-Каладжахи С.,Садиков К., Варфоломеев М.А.,Емельянов Д.А., Родионов Н.О., Амерханов М.И. Potential of Copper-Based Oil Soluble Catalyst for Improving Efficiency ofIn-Situ Combustion Process: Catalytic Combustion, Catalytic In-Situ OilUpgrading, and Increased Oil Recovery Society of Petroleum Engineers, SPE-198038-MS (год публикации - 2019)
10.2118/198038-MS

5. Арискина К.А.,Юань Ч., Абаас М., Емельянов Д.А., Родионов Н.О., Варфоломеев М.А. Catalytic effect of clay rocks as natural catalysts on the combustion of heavy oil Applied Clay Science, Volume 193, August 2020, 105662 (год публикации - 2020)
10.1016/j.clay.2020.105662

6. Юань Ч., Емельянов Д.А., Варфоломеев М.А., Родионов Н.О., Сувейд М., Вахитов И.Р Mechanistic and kinetic insight into catalytic oxidation process of heavy oil in in-situ combustion process using copper (Ⅱ) stearate as oil soluble catalyst Fuel, Vol 284, Article №118981 (год публикации - 2021)
10.1016/j.fuel.2020.118981

7. Мехраби-Каладжахи С., Варфоломеев М.А.,Юань Ч., Зинатуллин А.Л., Родионов Н.О., Вагизов Ф.Г., Осин Ю.Н., Якимова Л.С. Improving heavy oil oxidation performance by oil-dispersed CoFe2O4 nanoparticles in In-situ combustion process for enhanced oil recovery(Article) Fuel, Vol 285, Article №119216 (год публикации - 2021)
10.1016/j.fuel.2020.119216

8. Жао Ш.,Пу В.,Варфоломеев М.А.,Юань Ч., Мехраби-Каладжахи С., Сайфуллин Э.Р., Садиков К., Талипов С. Low-temperature combustion characteristics of heavy oils by a self-designed porous medium thermo-effect cell Journal of Petroleum Science and Engineering, Vol 195, Article №107863 (год публикации - 2020)
10.1016/j.petrol.2020.107863

9. Твердов И., Хафизов Н.Р., Маджидов Т.И., Варфоломеев М.А.,Юань Ч., Кадкин О.Н. Theoretical Insights into the Catalytic Effect of Transition-Metal Ions on the Aquathermal Degradation of Sulfur-Containing Heavy Oil: A DFT Study of Cyclohexyl Phenyl Sulfide Cleavage ACS Omega, Volume 5, Issue 31, pp 19589-19597 (год публикации - 2020)
10.1021/acsomega.0c02069

10. Юань Ч., Родионов Н., Мехраби-Каладжахи С., Емельянов Д.А., Зинатуллин А.Л., Варфоломеев М.А., Заиров Р., Степанов А., Мустафина А.Р., Аль-Мунтасер А., Вагизов Ф.Г. Catalytic combustion of heavy oil using γ-Fe2O3 nanocatalyst in in-situ combustion process Journal of Petroleum Science and Engineering, 109819 (год публикации - 2021)
10.1016/j.petrol.2021.109819

11. Мехраби-Каладжахи С.,Варфоломеев М.А., Юань Ч., Родионов Н.О., Зиннатуллин А.Л., Вагизов Ф.Г., Осин Ю.Н Response to Comment on Oil-Dispersed α‐Fe2O3 Nanoparticles as a Catalyst for Improving Heavy Oil Oxidation Energy Fuels, Vol.35, Issue 24, pp. 20413–20417 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.energyfuels.1c03543

12. Юань Ч., Пу В., Ифтисен М.А., Жао Ш., Варфоломеев М.А. Crude oil oxidation in air injection based enhanced oil recovery (EOR) process: chemical-reaction mechanism and catalysis Energy & Fuels (год публикации - 2022)
10.1021/acs.energyfuels.2c01146

Публикации