В работе представлено физическое моделирование паротепловой обработки высоковязкой нефти с добавлением в систему катализатора на основе никеля и без добавления катализатора. В процессе акватермолиза, помимо снижения содержания смол и асфальтенов, наблюдается значительное повышение содержания легких фракций (насыщенные и ароматические углеводороды) в результате интенсификации деструктивного гидрирования и, следовательно, повышения степени обессеривания и снижения вязкости вследствие разрыва связей углерод-гетероатом в высокомолекулярных компонентах.
В настоящее время тенденция добычи трудноизвлекаемых углеводородов с каждым годом набирает большую популярность на фоне истощения запасов легкой нефти и увеличения потребности энергоносителей. Ресурсы, извлечение которых осложнено и требует новых методов добычи, называются нетрадиционными. К нетрадиционным ресурсам относят высоковязкие нефти (ВВН) и природные битумы (ПБ) [1–3].
Особенности состава и свойств ТН (высокое содержание смолисто-асфальтеновых веществ, гетероатомов, значительные вязкость и плотность, а также широкое внедрение тепловых методов извлечения, в частности паротеплового воздействия) делают актуальным поиск технологических решений, предполагающих целенаправленное изменение характеристик подобного сырья в пласте. Закачка горячего теплонoсителя и каталитические свoйства порoды создают уникальный «внутрипластовый реактoр», позволяющий осуществлять облагораживание ПБ [4–6].
Использование катализаторов вместе с закачкой пара при внутрипластовом облагораживании нефти дает много преимуществ, одним из них является увеличение степени нефтеизвлечения [7–9]. Катализаторы стимулируют протекание реакций гидрирования, гидрогенолиза, гидролиза, крекинга, приводящих к улучшению физико-химических и реологических характеристик нефти. Образование каталитических металлов усиливает возможность минерального скелета породы обеспечивать конверсию нефти уже в пласте. Это не только позволяет увеличить охват пласта за счет снижения молекулярной массы смол и асфальтенов, но и необратимо снизить вязкость добытой нефти и содержание в ней трудноперерабатываемых компонентов [10–15].
Целью данного исследования является лабораторное моделирование явления акватермолиза с добавлением катализатора и исследование его влияния на физико-химические и реологические свойства нефти Туйметкинского месторождения.
В задачи исследования входит:
- синтез катализатора на основе никеля;
- моделирование некаталитического и каталитического акватермолиза в реакторе высокого давления;
- определение вязкостно-температурных свойств продуктов каталитического и некаталитического акватермолиза;
- определение компонентного состава полученных продуктов некаталитического и каталитического акватермолиза методом SARA-анализа;
- анализ распределения н-алканов насыщенных фракций исходной нефти и продуктов акватермолиза методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС).
Объектом исследования выступает высоковязкая нефть Туйметкинского месторождения Республики Татарстан, а также продукты некаталитического и каталитического акватермолиза.
Экспериментальная часть
Синтез катализатора
Первоначально был синтезирован прекурсор катализатора для исследования его влияния на нефть при гидротермальном воздействии. Принципиальная схема представлена на рисунке 1. На первой стадии изготовления катализатора происходит синтез натриевой соли жирной кислоты взаимодействием ДТМ со щелочью. Процесс омыления жирной кислоты может быть описан уравнением ( на примере олеиновой кислоты):
С17Н33СООН+NaOH → C17H33COONa+H2O
Натриевая соль жирной кислоты при нагревании взаимодействует с сульфатом никеля (NiSO4):
2С17Н33СООNa+NiSO4 → (C17H33COO)2Ni+Na2SO4
Для лабораторного моделирования процесса акватермолиза был использован реактор высокого давления Pаrr Instruments (Молин, США). В ходе работы в автоклав загружалась модельная система из нефти и воды при массовом соотношении 70:30. Эмульсия подвергалась воздействию при определенной температуре и давлению в течение 24 часов в условиях некаталитического и каталитического процесса. Прекурсор катализатора и донор водорода вводили из расчета 0,2 масс. % по металлу и 2,0 % масс. на нефть соответственно. Вязкостно-температурные характеристики нефти определялись с помощью ротационного вискозиметра FUNGILAB Alpha L. Разделение по методу SARA проводили с учетом методических рекомендаций стандарта ASTM D 4124-09 и ГОСТ 32269-2013. Данный метод основан на разделении нефти на четыре аналитические группы соединений: насыщенные углеводороды, ароматические соединения, смолы и асфальтены (saturates, aromatics, resins, asphaltenes – SARA) по их растворимости и полярности. ГХ/МС анализ фракций насыщенных углеводородов проб исходной нефти и нефти после акватермолиза проводился на хроматографе Хроматэк-Кристалл 5000.2 (Йошкар-Ола, Россия) с масс-спектрометрическим детектором 214.2.840.083-10 (источник ионов ADVIS) с использованием компьютерной обработки данных по ионам m/z 85 для нормальных алканов и изо-алканов.
Обсуждение результатов
Результаты определения вязкости нефти после гидротермально-каталитического воздействия при температурах 300 и 250 °С без и с катализатором представлены на рис. 2 и 3.
Так, по графику можно судить о том, что вязкость по сравнению с исходной нефтью снизилась в 1,5 раза при 20 °С и 1,3 раза по сравнению с контрольным опытом без катализатора при 10 °С.
Каталитический акватермолиз при 250 °С повлиял на снижение вязкости почти в 1,5 раза по сравнению с контрольным опытом (измерение при 10 °С). А наиболее эффективным оказалось воздействие в реакторе с добавлением таллата никеля при 300 градусах. Вязкость при этом снизилась почти в два раза по сравнению с исходной нефтью при 20 градусах.
