Подготовка ТрИЗ: уникальные задачи и адаптивные решения

Ключевые слова: высоковязкая нефть, подготовка нефти, депрессорные присадки, эффективность, температура застывания, динамическая вязкость, лабораторные исследования.

В России, как и во всем мире, все большее значение приобретает разработка трудноизвлекаемых запасов (ТрИЗ) нефти. По мере истощения традиционных месторождений ТрИЗ становятся ключевым фактором поддержания уровня добычи и обеспечения энергетической безопасности страны. Статистические данные по ТрИЗ в России отражают как огромный ресурсный потенциал, так и серьезные проблемы, с которыми сталкиваются нефтедобывающие компании.

По оценкам экспертов, трудноизвлекаемые запасы составляют значительную часть общего нефтяного потенциала России. По некоторым оценкам, на долю трудноизвлекаемых запасов приходится более 60 % всех российских запасов нефти [1].

В структуре ТрИЗ в России выделяются несколько основных типов [2]:

• залежи с высоковязкими нефтями;

• выработанные (истощенные) залежи с высокой обводненностью;

• тонкие нефтяные оторочки;

• месторождения, удаленные от инфраструктуры;

• залежи с низкопроницаемыми коллекторами;

• нетрадиционные запасы;

• газогидратные залежи.

Статистика добычи трудноизвлекаемых запасов в России показывает постепенный рост, хотя доля таких запасов в общей добыче нефти пока остается относительно небольшой. По данным Минэнерго РФ, добыча трудноизвлекаемых запасов в России в последние годы демонстрирует положительную динамику.

Разработка трудноизвлекаемых запасов в России сопряжена с рядом трудностей, включая высокую себестоимость добычи, технологические сложности, экологические риски и необходимость привлечения значительных инвестиций. Государство оказывает поддержку проектам по разработке трудноизвлекаемых запасов, предоставляя налоговые льготы и стимулируя разработку новых технологий.

В целом статистика по ТрИЗ в России свидетельствует о большом ресурсном потенциале, требующем дальнейших исследований, разработок и инвестиций для его эффективного освоения. Разработка ТрИЗ играет ключевую роль в обеспечении долгосрочной энергетической безопасности России и требует комплексного подхода, учитывающего экономические, технологические и экологические аспекты.

Подготовка трудноизвлекаемой нефти – это комплексная задача, которая в корне отличается от подготовки традиционной нефти и требует применения специализированных технологий и адаптивных решений. Ключевые особенности трудноизвлекаемой нефти, такие как повышенная вязкость, высокая обводненность и минерализация, высокое содержание асфальтенов и смол, стабильные водонефтяные эмульсии, высокий газовый фактор нефти, а также нестабильность и расслоение, создают уникальные проблемы на всех этапах подготовки [3].

Мировые запасы традиционной легкой нефти уменьшаются. Высокий ресурсный потенциал месторождений с трудноизвлекаемыми запасами, запасы высоковязкой нефти (ВВН) почти в 5 раз превышают объем остаточных извлекаемых запасов нефти малой и средней вязкости [4].

Положения Энергетической стратегии Российской Федерации на период 2025 года гласят об увеличении добычи и транспортировки ВВН [5].

С технологической точки зрения добыча и транспортировка высоковязких нефтей представляют собой наиболее значительные вызовы. Добыча такой нефти требует более сложных и дорогостоящих технологий, поскольку обычные методы неэффективны из-за высокой вязкости сырья.

Вязкость нефти является главным препятствием для наличия необходимой при транспортировке скорости, что ведет к дополнительным материальным затратам. При транспортировке такой нефти наблюдается повышенный износ оборудования, значительное нарушение технологических процессов, а также ухудшение экологической обстановки из-за учащения аварийных ситуаций.

Большая вязкость нефти приводит к увеличению трения между нефтью и стенками труб, что снижает скорость течения нефти и увеличивает энергопотребление насосных станций. В свою очередь, это влияет на эффективность и экономическую целесообразность трубопроводного транспорта.

В условиях Крайнего Севера низкие температуры оказывают влияние на свойства нефти. При низких температурах могут выделяться парафины и асфальтены, что приводит также к затруднению транспортировки, отложениям на стенках оборудования, увеличению гидравлического сопротивления. Существует проблема энергообеспечения. Необходимо обеспечить требуемую мощность для подогрева нефти и работы насосных станций.

Поскольку важным этапом является подготовка нефти к транспорту, а вязкость значительно затрудняет перекачку по трубопроводам, хранение и последующую переработку, то основная цель подготовки ВВН для транспорта заключается в снижении ее вязкости до приемлемых значений, обеспечивающих возможность эффективной и экономичной транспортировки [6].

Высоковязкая нефть имеет большую внутреннюю сопротивляемость потоку, что означает, что для перемещения этого типа нефти требуется больше энергии. Она также содержит парафины и асфальтены, которые увеличивают вязкость и вызывают дополнительные проблемы при транспортировке и подготовке. Для достижения этой цели применяются различные методы, которые можно классифицировать на термические, химические, физические и комбинированные.

Наиболее распространенными и традиционными являются термические методы, основанные на нагреве ВВН. С повышением температуры вязкость нефти снижается, что облегчает ее перекачку. Существуют разные способы нагрева ВВН, начиная от прямого нагрева с использованием печей и заканчивая более сложными технологиями, такими как паротепловое воздействие (ПТВ) и внутрипластовое горение (ВПГ).

Химические методы подготовки ВВН направлены на изменение ее состава и структуры с помощью специальных химических реагентов. Наиболее распространенным методом является добавление разбавителей или депрессорных присадок. Разбавители, как правило, представляют собой легкие углеводороды (например, газовый конденсат или бензин), которые смешиваются с ВВН, снижая ее вязкость и улучшая текучесть. Депрессорные присадки, в свою очередь, представляют собой полимерные соединения, которые адсорбируются на поверхности асфальтеновых частиц, препятствуя их агрегации и повышая стабильность нефти.

К физическим методам подготовки ВВН относятся методы, основанные на использовании физических воздействий, таких как ультразвук и электромагнитное поле. Ультразвуковая обработка может разрушать устойчивые водонефтяные эмульсии, снижать вязкость нефти и интенсифицировать процессы массообмена. Воздействие электромагнитного поля также может изменять структуру нефти, снижая ее вязкость и улучшая текучесть. Однако эффективность физических методов пока не всегда достаточно высока, и требуется дальнейшее исследование для их промышленного внедрения.

Наиболее перспективными являются комбинированные методы, сочетающие в себе преимущества различных технологий [7].

Использование углеводородных растворителей, таких как газовый конденсат и легкие нефти, представляет собой достаточно результативный и экономичный метод улучшения реологических характеристик высоковязких нефтей. Введение депрессорных присадок является распространенным методом снижения напряжения сдвига. Присадка образует комплексы из молекул парафина и самой присадки (нефтерастворимые синтетические полимерные продукты), которые препятствуют формированию контактов кристаллического геля и уменьшают их упорядоченность.

В Компании разрабатываются активы с запасами ВВН. В сложных климатических условиях приходится отказываться от традиционных технических решений при их добыче, сборе, подготовке и транспорте и применять специальные методы.

Применение современных технологий и оптимизация технологических процессов позволяют более эффективно подготавливать высоковязкую нефть к транспортировке и переработке, обеспечивая экономическую целесообразность и экологическую безопасность.

В данном исследовании высоковязкой нефтью является Нефть № 1. Для этой нефти были определены физико-химические показатели. В соответствии с ними данную нефть можно охарактеризовать как битуминозную, высоковязкую, малосернистую, высокосмолистую, с низким содержанием светлых фракций; температура вспышки в закрытом тигле 138 °С, давление насыщенных паров (ДНП) 8,6 кПа при 37,8 С, 21 кПа при 60 °С. В качестве разбавителя использовалась Нефть № 2, которая имеет меньшую вязкость. Характеристики исследуемых образцов нефти представлены в таблице 1. Следует отметить, что тяжелая Нефть № 1 месторождения N характеризуется низким содержанием парафинов, а в легкой Нефти № 2 месторождения N их значительно больше.

ТАБЛИЦА 1. Физико-химические свойства исследуемых образцов нефти

Проанализировав известные методы подготовки ВВН и рассмотрев их экономическую целесообразность для конкретного месторождения с высоковязкой нефтью, предлагается использовать комбинированный метод подготовки.

Комбинированный метод, включающий в себя нагрев нефтяной смеси с последующим смешением с депрессорной присадкой, представляет собой эффективный подход к решению этой задачи, позволяющий достичь оптимальных реологических свойств подготовленной ВВН. Данное исследование касается смешивания нефти с высоким содержанием парафинов с тяжелой нефтью с низким содержанием парафинов и использованием химических реагентов, которые препятствуют парафиноообразованию. А также определение необходимой температуры нагрева нефти, при которой присадка будет наиболее эффективной.

В качестве депрессорных присадок применяются [8]:

• металлические соединения (молибденовый дисульфид);

• полимерные соединения (полиакрилаты);

• добавки (моноглицериды);

• сополимеры этилена с полярными мономерами;

• вещества неполимерного типа (эфиры многоатомных кислот).

В работе был проведен эксперимент с целью определения эффективности присадок.

В общем случае выбор типа присадки производится с учетом эффективности ее воздействия на свойства высоковязкой нефти, затрат на доставку и смешение.

В ходе работы был выполнен комплекс исследований, направленный на оценку реологических характеристик трех смесей, состоящих из компонентов «Нефть 1» и «Нефть 2», в различном соотношении. Соотношение компонентов смесей представлено в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. Рецептура смесей

Плотность образцов при температуре 20 °C определялась согласно ГОСТ 3900-85. Вязкость при той же температуре (20 °C) устанавливалась в соответствии с ГОСТ 6258-85 в градусах ВУ, после чего проводился пересчет для получения значения кинематической вязкости. Содержание серы в образцах определялось по методике, описанной в ГОСТ Р 51947-00. В таблице 3 представлены физико-химические характеристики, определенные для смесей 1–3.

ТАБЛИЦА 3. Физико-химические характеристики смесей 1 – 3

В процессе выполнения работы исследовалось влияние присадок DEO и ИНДЕП на температуру застывания нефти, динамическую вязкость в зависимости от дозировки реагента. Физико-химические характеристики реагентов представлены в таблице 4.

Реагенты ИНДЕП представляют собой синергические композиции высокомолекулярных полимерных производных с активирующими добавками в смеси с органическими растворителями. Реагент «ИНДЕП» – полимерная присадка, снижающая температуру застывания, вязкость нефти и количество АСПО, образующихся на внутренней стенке трубопровода при ее добыче и транспортировке.

Реагенты серии DEO представляют собой также синергетическую композицию высокомолекулярных полимерных производных с активирующими добавками в смеси органических растворителей. Депрессорные присадки серии DEO позволяют значительно снизить вязкость и снизить температуру застывания перекачиваемой нефти на 10–40 °С.

ТАБЛИЦА 4. Физико-химические характеристики реагента

Присадки состоят из двух частей: олеагинофильной части, которая сокристаллизуется с воскообразующими компонентами, и полярного компонента, который ограничивает степень совместной кристаллизации. Присадки с такими свойствами очень избирательны и не очень эффективны для каждой нефти.

Принцип работы реагентов заключается в «обволакивании» кристаллов действующим веществом (адсорбция молекул реагентов на кристаллах), препятствует их слипанию. В неингибированной нефти при ее охлаждении образующиеся кристаллы парафинов слипаются между собой (коагулируются) за счет острых краев. Дальнейшее снижение температуры приводит к образованию дисперсных пространственных структур, или иными словами – густого тумана, распределенного в объеме нефти. Эти сгустки являются причиной повышения вязкостных свойств.

Температура застывания нефти – это самая низкая температура, при которой нефть в стандартных условиях теряет подвижность во время охлаждения. Температура застывания – один из ключевых параметров, определяющих товарные свойства нефти, и для высоковязкой нефти (ВВН) его определение приобретает особое значение. Результаты определения температуры застывания нефти представлены в таблице 5.

Температура застывания нефти определялась по методике ГОСТ 33910-2016 «Определение температуры застывания. Автоматический метод с импульсным давлением». Используемый прибор регулирует подачу импульсов газообразного азота на поверхность охлаждаемой пробы с интервалом температуры 1 °С или 3 °С. Для контроля перемещения поверхности образца используется система оптических детекторов вместе с источником света. Регистрируются значение самой низкой температуры, при которой наблюдается перемещение поверхности образца при подаче импульса азота, как температура застывания.

ТАБЛИЦА 5. Результаты определения температуры застывания нефти

Изменение температуры застывания нефти с применением присадок в различных дозировках представлено на рисунках 1 и 2.

РИСУНОК 1. Температура застывания смесей 1 – 3 и с реагентом DEO в различных дозировках

РИСУНОК 2. Температура застывания смесей 1 – 3 и с реагентом ИНДЕП в различных дозировках

Реагенты DEO и ИНДЕП обладают одновременно свойствами депрессоров и ингибиторов парафиновых отложений.

Более правильное название реагентов этого класса – модификаторы кристаллов парафинов (МКП). МКП наиболее эффективны, если их вводить в нефть выше температуры начала кристаллизации парафинов.

Температура застывания определялась в смеси чистой (неингибированной) и в пробах с добавлением реагентов разных дозировок. Реагенты дозировались в нефть, предварительно подогретую до температуры +50 °С. Подогрев необходим для ликвидации парафиновой решетки, образующейся при хранении нефти.

Динамическую вязкость нефти определяли по методике ГОСТ 1929-87 «Методы определения динамической вязкости на ротационном вискозиметре». Измерение динамической вязкости в присутствии реагентов выполнялась с использованием оборудования: вискозиметр Брукфильда ротационный DV2T, подключенного к циркуляционному термостату СТ-150АР с улучшенным программируемым контроллером температуры с диапазоном температуры от минус 20 до 200 ℃.

ТАБЛИЦА 6. Результаты испытания динамической вязкости

На фоне реагента ИНДЕП немного в более выигрышной ситуации оказывается реагент DEO, однако его эффективность также низкая. Также следует отметить, что эффект, хотя и небольшой, начинает проявляться в зоне низких температур в диапазоне ниже минус 10 °С. В целом можно отметить, что чем ниже температура, тем заметнее эффект.

По результатам лабораторных исследований: для динамической вязкости при температуре минус 20 ℃ наиболее высокий эффект получен с реагентом DEO. При дозировке 250 и 500 г/т он составил 7 и 10 % соответственно. Для температуры застывания эффективны обе присадки при дозировке 250–300 г/т для смеси 1 (соотношение 80:20). Применение рассмотренных реагентов позволяет заметно облегчить процесс пуска трубопровода после длительной остановки. Наиболее высокий эффект получен с реагентом DEO. Его эффективность при дозировке 300 г/т составила 36 %. Увеличение дозировки до 500 г/т позволяет усилить эффект 44 %.

Таким образом, в целях повышения безопасности эксплуатации трубопровода рекомендуется к применению реагент DEO в дозировке (250–300 г/т) согласно испытаниям на комплексе Flow Loop. Добавление депрессорной присадки рекомендуется в качестве меры, обеспечивающей безопасность остановки трубопровода на длительные периоды (от 72 часов) при температурах воздуха ниже минус 25 °С.

Определив в ходе лабораторных исследований требуемую дозировку реагента, далее необходимо смоделировать процесс подготовки высоковязкой нефти.

Далее нами предлагается модель подготовки нефти (рисунок 3). По схеме подготовка нефти происходит в три этапа. Необходимо подобрать температуру предварительного нагрева нефти с целью максимизации эффекта реагента.

Для улучшения действия депрессорных присадок требуется предварительная термообработка нефти, подразумевающая нагрев до определенной температуры. Поскольку температурный режим оказывает значительное влияние на процесс кристаллизации парафинов, определение температуры для максимальной эффективности присадки является критически важным. В процессе работы было смоделировано добавление депрессорной присадки при температурах 40–90 ℃ с шагом в 10 ℃ с помощью регулятора. Установлено, что наибольшее снижение динамической вязкости и температуры застывания наблюдается при Т = 50 ℃. Следовательно, по технологическому режиму нагревание нефти будет происходить до 50 °C с добавлением реагента DEO с дозировкой 250 г/т и последующее ступенчатое охлаждение до температуры ее перекачки по трубопроводу.

РИСУНОК 3. Модель комбинированного метода подготовки ВВН

Таким образом, комбинированный метод, сочетающий нагрев нефти, разбавление, с добавлением депрессорных присадок, является одним из наиболее эффективных и широко применяемых подходов к подготовке высоковязкой нефти к транспортировке. Такое сочетание позволяет эффективно бороться с высокой вязкостью и склонностью ВВН к парафинообразованию, обеспечивая ее транспортную готовность.

Литература

1. Тагиев, Ш. Трудноизвлекаемые запасы нефти и проблемы их добычи: увеличение нефтеотдачи трудноизвлекаемых запасов нефти и проблема их добычи / Ш. Тагиев // Мировая наука. – 2023. – № 6 (75). – С. 120–124. – EDN HVLYBQ.

2. Ященко, И.Г. Трудноизвлекаемые нефти и анализ их свойств на основе классификации по качеству нефти / И.Г. Ященко, Ю.М. Полищук // Вестник Российской академии естественных наук. Западно-Сибирское отделение. – 2016. – № 19. – С. 37–44. – EDN YHCNSF.

3. Туров, Ю.П. Химия нефти, трудноизвлекаемые запасы и коэффициент извлечения нефти с позиции химика-аналитика / Ю.П. Туров // Северный регион: наука, образование, культура. – 2015. – № 2-2 (32). – С. 120–124. – EDN VCTZCF.

4. Мирошников, Д.А. Перспективы разработки трудноизвлекаемых запасов нефти / Д.А. Мирошников // Технологические решения строительства скважин на месторождениях со сложными геолого-технологическими условиями их разработки: материалы международной научно-практической конференции посвященной памяти Георгия Степановича Грязнова, Тюмень, 15 февраля 2024 года. – Тюмень: Тюменский индустриальный университет, 2024. – С. 248–250. – EDN QFHYZE.

5. Распоряжение от 12 апреля 2025 г. № 908-р.

6. Сайдахмедов, Э.Э. О методологии принятия решений по совершенствованию технологии подготовки нефти на месторождении с трудноизвлекаемыми запасами / Э.Э. Сайдахмедов, Р.У. Шафиев // Academy. – 2022. – № 1 (72). – С. 10–12. – DOI 10.24411/2412-8236-2022-10102. – EDN UNZNQO.

7. Оптимизация процессов сбора и подготовки нефти на промыслах / М.Н.А. Аль-Тахери, А.А.Х. Аль-Тахери, С.С. Бен, Е.В. Карелина // Экономика строительства. – 2025. – № 5. – С. 304–309. – EDN UVXGCA.