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 22-73-00021
НазваниеКаталитическое преобразование высокомолекулярных компонентов тяжелых нефтей на стадии добычи, обеспечивающее повышение коэффициента нефтеизвлечения и консервацию тяжелых металлов и радионуклидов в пластовой системе
РуководительАлиев Фирдавс Абдусамиевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «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, 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ
Ключевые словатяжелая нефть, акватермолиз, тяжелые металлы, радионуклиды, асфальтены, карбены, карбоиды, крекинг, катализаторы, внутрипластовая конверсия
Код ГРНТИ31.15.27, 31.15.28
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на изучение закономерностей перераспределения тяжелых металлов и радионуклидов в пластовой системе в процессах освоения месторождений высоковязких нефтей при использовании закачиваемых в пласт соединений переходных металлов в каталитических концентрациях. Важной задачей является установление возможности их контролируемой адсорбции на минеральной поверхности породы-коллектора. Это позволит снизить объёмы и токсичность нефтешламов и уменьшить масштабы контаминации окружающей среды. Геохимические аспекты поведения микроэлементов хорошо изучены в области петрологии, в меньшей степени в области нефтяной геологии. В рамках проекта предполагается провести комплексные исследования распределения тяжелых металлов и радионуклидов в пластовой минерало-углеводородной гетерогенной системе при различных термобарических условиях. Техногенное воздействие на пласт в комплексе мероприятий по нефтеизвлечению вызывает в некоторой степени преобразование органического вещества. Часть асфальтенов повышает свою конденсированность, преобразуясь в карбены и карбоиды, по химической природе приближающиеся к коксообразным веществам. При диффузионных процессах в пористой системе пласта-коллектора часть асфальтенов, карбенов и карбоидов адсорбируется на минеральной поверхности вмещающей породы. Предполагается, что именно более склонные к выпадению из нефтяной коллоидной системы асфальтены, карбены и карбоиды концентрируют в себе наибольшую часть тяжёлых металлов и радионуклидов. При этом часть продуктов конверсии асфальтенов обладаю поверхностно-активными свойствами, что дополнительно способствует повышению нефтеотдачи и в то же время активно влияет на стабильность асфальтеновых мицелл.
Перспективы развития тепловых технологий добычи высоковязких нефтей связано с использованием внедряемых в пласт соединений различных металлов переходных групп, которые обеспечивают интенсификацию различных реакций облагораживания состава – снижение содержания смол и асфальтенов, определяющих фильтрационные затруднения в процессе нефтеизвлечения и высокую вязкость добытой на поверхность нефти.
В проекте будет исследовано влияние металлов переходных групп на интенсивность деструктивного гидрирования высокомолекулярных компонентов тяжелых нефтей и состав образующихся коксообразных веществ.
Актуальность: Высоковязкие нефти представляют значительный ресурс для восполнения ресурсной базы нефтехимического комплекса. Немаловажно, что месторождения высоковязких нефтей сосредоточены в старых нефтедобывающих регионах с развитой инфраструктурой. В результате реализации проекта будут созданы подходы к формулированию состава каталитических систем, обеспечивающих снижение в составе добываемых нефтей трудноперерабатываемых компонентов, формирующих токсичные отходы на различных стадиях подготовки, транспортировки и переработки. Данные о перераспределении микроэлементов и радионуклидов в системе осваиваемой залежи послужат основанием для совершенствования технологии добычи тяжелых нефтей с минимальной степенью выноса высокотоксичных компонентов.
Новизна проекта заключается в установлении корреляции между природой металлов переходных групп, обладающих в различной степени каталитическими свойствами в отношении ряда реакций, обеспечивающих снижение молекулярной массы смол и асфальтенов, и концентрированием тяжелых металлов и радионуклидов в высокомолекулярных компонентах органического вещества пластовой системы.
Ожидаемые результаты
Коллективом проекта уже проведены два успешных промысловых эксперимента за период 2018-2020 гг. Запланирована еще одна скважины для проведения закачки нефтерастворимых прекурсоров катализаторов. Т.о. практическая применимость каталитической интенсификации процессов преобразования органического вещества непосредственно в условиях залегания не подлежит сомнению. Однако до полного понимания закономерностей протекающих в пластовой системе процессов еще далеко. С целью развития нового метода и дальнейшего широкого внедрения в практику запланирован комплекс работ, представленных в заявке. Будет установлена корреляция между составом асфальтенов и их фракций, карбенов и карбоидов и содержанием в них различных соединений тяжелых металлов и радионуклидов. Будут выявлены закономерности перераспределения тяжелых металлов и радионуклидов между фракциями асфальтенов, карбенов и карбоидов при различных термобарических условиях в пластовой минерало-углеводородной гетерогенной системе. Будет установлено влияние металлов переходных групп на интенсивность деструкции высокомолекулярных компонентов тяжелых нефтей и на свойства образующихся коксообразных веществ концентраторов-носителей тяжелых металлов и радионуклидов. Будут получены новые данные о микроэлементном составе неуглеводородных компонентов нефти, как остающихся в ее составе, так и адсорбирующихся на минеральной поверхности в зависимости от термобарических условий и присутствия металлов переходных групп, как катализаторов рядя реакций, приводящих к облагораживанию нефти в условиях пласта.
На первом году реализации проекта будут получены новые данные о составе неуглеводородных компонентов тяжелых нефтей в зависимости от состава каталитической системы и термобарических условий. Будут получены закономерности в распределении тяжелых металлов и радионуклидов между смолами, фракциями асфальтенов, карбенами и карбоидами. Планируется установить влияние термобарических условий, химической природы и морфологических и размерных параметров частиц катализатора на интенсивность трансформации смол и асфальтенов в карбены и карбоиды. Будут получены новые данные для нефтей различного состава о концентрировании тяжелых металлов и радионуклидов в неуглеводородных компонентах нефти.
В последующих этапах с использованием образцов нативных терригенных и карбонатных пород и модельных систем будут установлены перечисленные закономерности в зависимости от минерального состава нефтевмещающего коллектора. Комплекс лабораторных экспериментов, моделирующих пластовые условия, позволит выявить влияние минерального состава породы-коллектора на интенсивность конверсии смол и асфальтенов и степень адсорбции коксообразных веществ.
Будет обоснована возможность регулирования концентрирования тяжелых металлов и радионуклидов в наиболее конденсированных фракциях асфальтенов, карбенах и карбоидах и их контролируемой, с использованием коллоидных каталитических систем, адсорбции на минеральной поверхности породы-коллектора.
В результате исследований будут предложены составы каталитических систем, обеспечивающих конверсию высокомолекулярных компонентов тяжелых нефтей в пластовых условиях и консервацию наиболее токсичных компонентов нефтяного флюида в пористой среде породы-коллектора.
На основе полученных новых данных об изменении состава пластовой системы при термокаталитическом воздействии будут предложены подходы к формулированию технологии освоения нетрадиционных углеводородов, обеспечивающей снижение в добываемых нефтях трудноперерабатываемых компонентов, формирующих токсичные отходы на различных стадиях подготовки, транспортировки и переработки углеводородных ресурсов.
Полученные результаты будут использованы для совершенствования технологий нефтеизвлечения с использованием, как естественных характеристик нефтеносных пород, так и внедряемых каталитических систем, позволяющих снизить объёмы и токсичность различных отходов нефтепереработки.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Целью проекта является создание научных основ и разработка методов снижения объёмов и токсичности нефтешламов, образующихся на различных стадиях освоения тяжелых нефтей. Основой такого метода является каталитическая интенсификация внутрипластового преобразования высокомолекулярных компонентов нефти. Полученные данные могут служить основой для создания новой технологии освоения тяжелых нефтей, обеспечивающей высокий коэффициент нефтеизвлечения и консервацию наиболее токсичных компонентов нефти в пласте. Проект рассчитан на 3 года. В этом году выполнены работы по синтезу новых прекурсоров катализаторов с использованием различных лигандообразующих соединений и солей металлов переменной валентности в качестве активного компонента каталитической системы. Впервые синтезирован амфифильный прекурсор катализатора для внутрипластового облагораживания высоковязких нефтей и проведен комплекс экспериментов по тестированию его в качестве прекурсора катализатора для использования в пористой среде пласта. Разработана методика синтеза с возможностью промышленного масштабирования и дальнейшего промыслового внедрения реагента. Подана заявка на патент. По полученным экспериментальным данным установлен механизм термического разложения водорастворимых ацетатов металлов в инертной среде с подробным расчетом кинетических параметров процесса. По результатам кинетических экспериментов, проведенных в реакторе высоко давления при различных термобарических условиях, установлено влияние состава каталитической композиции на деструктивное гидрирование смолисто-асфальтеновых веществ, в частности, на содержание неуглеводородных компонентов нефти и перераспределение группового химического состава нефти в целом. Термокаталитическое воздействие при различной температуре закономерно приводит к возрастанию содержания низкомолекулярных нормальных алканов в результате отрыва алкильных заместителей в смолах и асфальтенах. Более заметные изменения наблюдаются в составе ароматической фракции нефти. По результатам ГХМС, деструкция смолисто-асфальтеновых соединений приводит к значительному образованию различных гомологов алкилбензолов, нафталинов и фенантренов в составе ароматической фракции. Механизм трансформации прекурсоров катализаторов был подробно изучен с использованием комплекса физико-химических методов. Установлено, что дисперсность извлеченного из нефти катализатора после термокаталитического воздействия при различной продолжительности эксперимента идентична вне зависимости от состава лиганда. По результатам микроскопии фиксируются агрегаты коксообразных веществ – карбенов и карбоидов микрометрового размера. В целом, запланированные на первый год задачи успешно завершены, а ожидаемые результаты - получены. Были опубликованы 2 статьи в международном рецензируемом журнале первого квартиля Q2 – Catalysts, индексируемом в базах данных Web of Science и Scopus. Подана заявка на патент на изобретение на новую каталитическую композицию для внутрипластового облагораживания высоковязкой нефти. Полученные результаты обосновывают перспективность применения каталитических систем, обеспечивающих конверсию высокомолекулярных компонентов тяжелых нефтей в пластовых условиях и перераспределение наиболее токсичных компонентов нефтяного флюида в пористой среде породы-коллектора.
Получено подтверждение предположения о концентрировании тяжелых металлов и радионуклидов в неуглеводородных компонентах нефти и активном влиянии катализаторов деструктивного гидрирования на этот процесс. В согласии с результатами группового анализа, демонстрирующими снижение содержания смолисто-асфальтеновых веществ в нефти после термокаталитического воздействия, на порядок снижается содержание урана. Причем этот эффект наблюдается практически в равной степени для катализаторов на основе никеля и железа. На снижение редкоземельных металлов гораздо большее влияние оказывает катализатор на основе железа в сравнении с катализатором на основе никеля. Полученные данные могут послужить основой для разработки технологических подходов по регулированию состава добываемой нефти в части содержания тяжелых металлов и радионуклидов с использованием внутрипластовых каталитических комплексов.
Публикации
1. Абделсалам И.И., Алиев Ф.А., Мирзаев О.О., Ситнов С.А., Катнов В.Е.,Ахметзянова Л.А.,Мухаматдинова Р. Э., Вахин А.В. Aquathermolysis of Heavy Crude Oil: Comparison Study of the Performance of Ni(CH3COO)2 and Zn(CH3COO)2 Water-Soluble Catalysts Mdpi (catalysts), Catalysts 2023, 13(5), 873 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/catal13050873
2. Алиев Ф.А., Ахунов А.А., Мирзаев О., Вахин А.В. Development of New Amphiphilic Catalytic Steam Additives for Hydrothermal Enhanced Oil Recovery Techniques catalysts, №8, Т. 12, С. 921 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/catal12080921
3. - Молодой химик КФУ исследует распределение тяжелых металлов и радионуклидов в нефтяном пласте Медиапортал КФУ, 29.07.2022 (год публикации - )