Ключевые слова: нефтепромысловая химия, нефтепромысловые реагенты, системный подход, классификация.
Использование химических реагентов в нефтепромысловых операциях началось на рубеже XIX и XX веков, когда нефтяная промышленность перешла от кустарных методов добычи к более технологичным процессам. Первые шаги в этой области были эмпирическими. Для решения тех или иных задач использовались простейшие подручные или буквально подножные материалы. Первым нефтепромысловым реагентом можно считать глину. В начале 1880-х годов началось использование системы промывки водой при бурении на нефть. Выбуренная порода частично диспергировалась в воде, в результате чего получалась «буровая грязь», или «естественно наработанный буровой раствор». Первая кислотная обработка карбонатных пластов датируется 1895 годом [1]. В 1913 году в России впервые (на год раньше, чем в США) запатентован метод химической деэмульсации нефти [2]. Настоящий скачок в применении химических реагентов в нефтедобыче произошел в первой половине XX века с началом применения синтетических полимеров и поверхностно-активных веществ (ПАВ).
После Второй мировой войны, в 1950-х годах, нефтепромысловая химия начала приобретать черты самостоятельной дисциплины. В этот период активно изучались физико-химические свойства пластовых флюидов, что привело к созданию более эффективных реагентов. Однако до 1970-х годов нефтепромысловая химия находилась в «серой» зоне между различными науками и технологиями: предмет казался «слишком связанным с нефтяными месторождениями» для Американского химического общества (ACS) и «слишком связанным с химией» для Общества инженеров-нефтяников (SPE) [3]. Само понятие «нефтепромысловая химия» (Oilfield Chemistry) впервые появляется в публикациях SPE только в 1972 году в статье «Нефтепромысловая химия – вызов для индустрии» [3], в которой О.Дж. Веттер, специалист по борьбе с солеотложениями, сетует, что, несмотря на многомиллионные вложения в химизацию процессов добычи нефти, результаты часто непредсказуемы и нежелательны: «Большинство этих неудач происходит из-за отсутствия знаний о конкретной задействованной химии» [3].
Датой «выхода из тени» стал май 1973 года, когда под эгидой SPE прошел первый симпозиум по нефтепромысловой химии [4], собравший «химиков с некоторыми знаниями в области нефтяной инженерии и инженеров-нефтяников с большим опытом в области химии».
Днем рождения отечественной нефтепромысловой химии можно считать 24 февраля 1978 года, когда приказом Министерства нефтяной промышленности СССР было образовано научно-производственное объединение по химизации процессов добычи нефти «Союзнефтепромхим», головной единицей которого являлся институт «ВНИПИнефтепромхим» [5].
Последняя четверть XX века стала временем активного прогресса в нефтепромысловой химии. Появлялись как новые реагенты, так и новые типы реагентов (например, ингибиторы отложения парафинов и асфальтенов). Однако формирование нефтепромысловой химии как отдельной науки продвигалось медленно. И тому есть несколько причин. Прежде всего, это фрагментарность исследований. Многие разработки проводились в рамках отдельных проектов, зачастую под эгидой нефтяных компаний. К тому же их результаты охранялись как коммерческая тайна, что затрудняло их систематизацию. В отличие от других разделов химии, нефтепромысловая химия долгое время не имела устоявшегося академического сообщества или признанной научной школы. Это замедляло процесс формирования дисциплины как самостоятельной области знаний.
О том, с каким трудом шел этот процесс, может сказать тот факт, что первая монография, посвященная нефтепромысловой химии, вышла через столетие после начала применения химических реагентов в нефтедобыче. Появление книги «Нефтепромысловые химикаты» [6] авторства Йоханнеса Финка в 2003 году стало важным событием. Этот труд ознаменовал переход от разрозненных исследований к системному подходу. Монография охватывает широкий спектр тем – от ингибиторов коррозии до полимеров для заводнения, что подчеркивает накопление достаточного объема знаний для их обобщения. Это можно рассматривать как признак того, что к началу XXI века нефтепромысловая химия наконец оформилась как самостоятельная научная дисциплина.
За следующие 20 лет вышло несколько монографий, в том числе на русском языке [7–11].
Особо стоит отметить вышедшую в 2018 году на английском языке книгу профессоров Цайли Дай и Фулиня Чжао [12]. Фулинь Чжао, чья карьера охватывает более 50 лет преподавательской и исследовательской работы, является пионером этого научного направления в Китае. Об уровне развития данной дисциплины в КНР может сказать и тот факт, что единственный на данный момент англоязычный научный журнал, посвященный исключительно проблемам нефтепромысловой химии – «Oilfield chemistry», издается в Китае с 1984 года [13].
Нефтепромысловая химия – наука молодая. Но любая наука – это, прежде всего, люди. А где этих людей брать? Желательно готовить со студенческой скамьи. В 1984 году впервые в нашей стране в Казанском химико-технологическом институте на кафедре химической технологии переработки нефти и газа была создана специализация «Нефтепромысловая химия» [14].
Однако и через 30 лет преподавание нефтепромысловой химии в российских вузах оставалось эпизодическим. Как минимум, об этом свидетельствует выход в 2014 году статьи В.Н. Глущенко [14] под говорящим названием «Нефтепромысловую химию на уровень вузовской дисциплины», в которой автор утверждает, что «назрела отраслевая и государственная необходимость создания при нефтяных вузах или факультетах политехнических институтов кафедр «Нефтепромысловая химия» с собственными аспирантурами, которые бы занимались целенаправленной подготовкой квалифицированных химиков-технологов для нефтепромыслов». Автор подчеркивает, что вузовский курс нефтепромысловой химии потребует создания специальной программы, учебных и методических пособий. Однако и в публикации 2023 года В.Н. Глущенко с соавторами сетуют, что в нефтяных вузах практически отсутствует подготовка квалифицированных кадров по нефтепромысловой химии, хотя регулярно издаются соответствующие учебные пособия, проводятся ежегодные конференции [15].
По состоянию на 2024–2025 учебный год магистерские программы по нефтепромысловой химии открыты в трех университетах, а дисциплина «нефтепромысловая химия» преподается как минимум в десятке вузов как на нефтегазовых специальностях, так и на химико-технологических и химических. Содержание дисциплины в разных вузах отличается как по способу организации материала, так и по перечню освещаемых тем. Если, например, деэмульгаторам уделяется время во всех рассмотренных рабочих программах, то реагентам для буровых растворов – только в 30 % случаев, а реагенты для крепления скважин представлены только в каждой пятой программе.
И в таком различии кроется одна из проблем современной нефтепромысловой химии. К сожалению, до сих пор нет консенсуса, какие именно типы реагентов относятся к нефтепромысловым. Например, согласно аннотации магистерской программы «Нефтепромысловая химия», входящей в государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования от 2000 года, «программа включает область синтеза и испытания реагентов для повышения нефтеотдачи пласта, деэмульгаторов, ингибиторов коррозии, соле- парафиноотложений, разработки композиций этих реагентов с оптимальными физико-химическими свойствами» [16]. В круг интереса нефтепромысловой химии не попали ни реагенты для бурения, ни для интенсификации.
ГОСТ Р 54567-2011 «Требования к химическим продуктам, обеспечивающие безопасное применение их в нефтяной отрасли» распространяется на реагенты, применяемые в процессе добычи, подготовки, транспортирования нефти. Согласно этому же документу добыча нефти определяется как «технологический процесс извлечения смеси углеводородов и сопутствующих ценных компонентов из недр, включая процессы подготовки нефти (обезвоживания, обессоливания и стабилизации)». Если буквально следовать тексту стандарта, то круг нефтепромысловых реагентов становится еще уже. Существует, однако, мнение [17], что если химический реагент и/или продукты его реакции физически могут оказаться в добываемом углеводороде, то химический реагент подпадает под действие ГОСТ Р 54567-2011 и определение «химический реагент, применяемый в процессе добычи» или «нефтепромысловый химический реагент». Несмотря предлагаемую формулировку, автор [17] тем не менее не относит реагенты для бурения к нефтепромысловым, хотя фильтрат бурового раствора может проникать в пласт и потенциально оказаться в добываемой продукции скважин.
В России реестр «Перечень химических продуктов, прошедших испытания и рекомендованных для безопасного применения их в нефтяной отрасли» [18] ведет Автономная некоммерческая организация «Головной центр по сертификации и стандартизации химреагентов для нефтяной промышленности» (АНО «ГЦСС «Нефтепромхим»). В 2012 году по рекомендации Департамента добычи и транспортировки нефти и газа Минэнерго РФ в АНО ГЦСС «Нефтепромхим» был разработан стандарт организации СТО 44932911-001-2012 «Химические продукты. Требования к химическим продуктам, правила и порядок испытаний их для безопасного применения в технологических процессах добычи и транспорта нефти». Этот документ распространяется на продукты химического производства, используемые «для интенсификации процесса добычи нефти, ее транспорта к месту переработки, в процессах сбора и подготовки нефти, а также строительства, освоения, эксплуатации, ремонта, реконструкции, консервации и ликвидации скважин, утилизации отходов производства». Данное определение существенно расширяет принятое в ГОСТ Р 54567-2011. Но почему-то из перечня процессов пропали методы повышения нефтеотдачи пластов.
В англоязычных источниках [6, 7, 10–12] к нефтепромысловым реагентам относят наиболее широкий круг химикатов, в том числе такие специфические, как, например, одоранты или трассеры. Однако и за рубежом какой-то устоявшейся классификации нефтепромысловых реагентов не сложилось. Это можно оценить, например, по результатам маркетинговых исследований.
Согласно данным компании Technavio, мировой рынок нефтепромысловых реагентов в разрезе технологических процессов сегментирован следующим образом (рисунок 1).
Согласно данным другой компании, занимающейся анализом рынков – Kings Research, на 2022 год нефтепромысловые реагенты по сегментам рынка распределены несколько иначе (рисунок 2).
И для сравнения: компания Precedence Research, также занимающаяся маркетинговыми исследованиями, предлагает третий вариант распределения (рисунок 3).
При этом следует отметить, что все три компании общий объем рынка оценивают примерно одинаково – от 29 до 32 миллиардов долларов. Такое различие в долях ранка между отдельными секторами свидетельствует о достаточно условном отнесении реагентов к той или иной группе, с учетом того, что многие реагенты одновременно могут использоваться в разных процессах.
С целью упрощения классификации целесообразно выделить шесть групп технологических процессов, в которых применяются нефтепромысловые реагенты, схожие по своему функциональному назначению:
1. Бурение и крепление скважин – реагенты для буровых, тампонажных растворов, буферных жидкостей, а также для ликвидации поглощений в процессе бурения и цементирования;
2. Заканчивание и капитальный ремонт скважин – реагенты для перфорации, освоения, глушения, очистки призабойной зоны пласта;
3. Интенсификация добычи нефти и повышение нефтеотдачи пластов – реагенты для гидравлического разрыва пласта, кислотных обработок, термогазохимического воздействия на пласт, химических методов увеличения нефтеотдачи, методов выравнивания профилей приемистости и притока;
4. Ремонтно-изоляционные работы – реагенты для селективной и неселективной изоляции водопритока, изоляции негерметичностей и заколонных перетоков;
5. Эксплуатация скважин, промысловый сбор и подготовка нефти, газа и воды – реагенты для борьбы с коррозией, солеотложениями, отложениями АСПО, газогидратов, биоциды, поглотители кислорода и сероводорода, деэмульгаторы, флокулянты и коагулянты;
6. Транспорт нефти – ингибиторы коррозии, депрессоры, противотурбулентные добавки.
Приведенная классификация позволяет минимизировать пересечение реагентов из разных групп и в то же время охватить максимальный их круг.
Несмотря на то, что конкретные нефтепромысловые реагенты используются для решения определенных производственных задач, необходимо учитывать их воздействие на всю систему в целом. Например, остатки буровых растворов, выносимых из скважины на начальном этапе эксплуатации, могут существенно осложнить процессы подготовки нефти, избыточное содержание ингибитора коррозии – повышать устойчивость эмульсии, образующейся при механизированной добыче, и также затруднять промысловый сбор и подготовку продукции [17].
По химической природе нефтепромысловые реагенты можно разделить на следующие группы:
1. Неорганические реагенты. Группа включает минеральные кислоты, щелочи, соли и оксиды, применяемые для регулирования pH, растворения пород, утяжеления растворов и других целей.
2. Органические реагенты. Группа включает углеводороды, спирты, эфиры, амины и другие соединения, которые применяются для растворения органических отложений, снижения вязкости, улучшения текучести, а также для борьбы с коррозией, поглощения сероводорода.
3. Полимеры. Синтетические, природные и искусственные высокомолекулярные соединения, используемые для увеличения вязкости, создания гелей, улучшения вытеснения нефти и изоляции.
4. Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Соединения, снижающие поверхностное натяжение, улучшающие вытеснение нефти, стабилизирующие или разрушающие эмульсии.
5. Минеральные и природные материалы. Глины, минеральные вяжущие, утяжелители и облегчающие добавки, кольматанты, проппанты.
6. Биологические и биоразлагаемые реагенты, в том числе биополимеры, ферменты.
По состоянию на 01.11.2024 в «Перечне химических продуктов, прошедших испытания и рекомендованных для безопасного применения их в нефтяной отрасли» [18] содержится информация о 2864 продуктах и 466 компаниях-производителях из 14 стран.
На рисунке 4 представлено распределение нефтепромысловых реагентов из этого перечня по группам. Предлагаемая классификация позволяет охватить все зарегистрированные в России нефтепромысловые реагенты.
Около 85 % производителей нефтепромысловых реагентов – отечественные, при этом на их долю приходится 96,5 % наименований всех нефтепромысловых реагентов.
Наибольшее число иностранных производителей приходится на Китай (6 %) и Казахстан (4 %). Страны СНГ поставляют 1,5 % от всей номенклатуры нефтепромысловых реагентов.
Однако необходимо отметить, что степень локализации производства многих формально отечественных нефтепромысловых реагентов может существенно различаться – от фасовки импортного сырья, до синтеза на основе импортных реагентов.
Итак, можно дать следующее определение нефтепромысловой химии.
Нефтепромысловая химия – это междисциплинарная наука и прикладная область химической технологии, которая занимается изучением и применением химических процессов и реагентов в нефтегазовой отрасли.
Объектом нефтепромысловой химии являются химические реагенты, используемые в нефтегазовой отрасли на всех этапах от добычи (включая бурение) до транспортировки нефти и газа, и их взаимодействие с:
- пластовыми флюидами (нефть, газ, вода),
- горными породами (пластами),
- оборудованием (буровым, добывающим, транспортным).
Предметом нефтепромысловой химии является разработка, синтез, применение и оптимизация химических реагентов и процессов, направленных на:
- повышение эффективности добычи, подготовки и транспортировки нефти и газа,
- обеспечение безопасности и экологичности операций,
- управление свойствами технологических жидкостей,
- предотвращение отложений (солей, парафинов, гидратов),
- улучшение проницаемости пласта,
- изоляцию зон в скважинах,
- обработку пластовых флюидов,
- защиту оборудования от коррозии и износа.
Нефтепромысловая химия эволюционировала от эмпирических методов конца XIX века к самостоятельной научной дисциплине XXI века, однако ее становление все еще не закончено. Достаточно сказать, что термина «нефтепромысловая химия» нет ни в русскоязычной, ни в англоязычной «Википедии». К сожалению, в науке и индустрии до сих пор не сложилось общепринятое понимание границ данной дисциплины. Сегодня преподавание нефтепромысловой химии в российских вузах остается достаточно фрагментарным, несмотря на то что потребность в квалифицированных кадрах в данной области существует – особенно в условиях санкционного давления и курса на технологический суверенитет. Решением стоящих перед отраслью вызовов может стать системный подход, который предполагает рассмотрение всех элементов дисциплины – технологических процессов, реагентов, их взаимодействия с окружающей средой и оборудованием – как единой взаимосвязанной системы.
Литература
1. Глущенко В.Н. Нефтепромысловая химия: В 5 Т. 4 Кислотная обработка скважин / В. Н.Глущенко, М.А. Силин. М.: Интерконтакт Наука, 2010. – 703 c.
2. История разработки и применения деэмульгаторов при добыче и подготовке нефти к переработке / Х.Х. Ахмадова, М.А. Такаева, М.А. Мусаева, А.М. Сыркин // История и педагогика естествознания. – 2015. – № 1. – С. 27–34.
3. Vetter, O.J. Oilfield Chemistry A Challenge for the Industry. // J Pet Technol. – 1972 – 24. – P. 994–995. doi: https://doi.org/10.2118/3922-PA.
4. Vetter, O.J. Oil-Field Chemistry – A Multi-Billion Dollar Challenge. // SPE Oilfield Chemistry Symposium, Denver, Colorado, May 1973. – P. 179–187. doi: https://doi.org/10.2118/4366-MS.
5. История компании: [Электронный ресурс] // АО «СНПХ». url: https://neftpx.ru/about/history/. (Дата обращения: 23.03.2025).
6. Fink J.K. Oil Field Chemicals. Gulf Professional Publishing, 2003. – 495 p.
7. Kelland M. A. Production Chemicals for the Oil and Gas Industry. Taylor & Francis, 2009 – 456 p.
8. Глущенко В.Н. Нефтепромысловая химия: учеб. пособие: в 5 т. / В.Н. Глущенко, М.А. Силин. – М.: Интерконтакт Наука, 2009–2010.
9. Маркин А.Н. Нефтепромысловая химия: практическое руководство / А.Н Маркин, Р.Э. Низамов, С.В. Суховерхов. Владивосток: Дальнаука, 2011. – 288 с.
10. Craddock H. A. Oilfield Chemistry and its Environmental Impact. Wiley, 2018. – 565 p.
11. Oil and Gas Chemistry Management: in 4 vol. / Ed. by Qiwei Wang. Elsevier, 2021–2022.
12. Caili Dai, Fulin Zhao. Oilfield Chemistry. Springer Singapore, 2018. – 395 p.
13. Oilfield Chemistry [Electronic resource]. URL: https://ythx.scu.edu.cn/ (date of treatment: 23.03.2025).
14. Глущенко В.Н. Нефтепромысловую химию на уровень вузовской дисциплины // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2014. – № 11. – С. 130–137.
15. Глущенко В.Н. Перспективные направления совершенствования кислотных составов и методов воздействия на призабойную зону пласта / В.Н. Глущенко, Г.П. Хижняк, А.А. Мелехин // Недропользование. – 2023. – Т. 23, № 3. – С. 122–132.
16. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление 550800 Химическая технология и биотехнология. Степень (квалификация) – магистр техники и технологии. М: Министерство образования РФ, 2000 [Электронный ресурс]. URL: https://www.fgosvo.ru/archivegosvpo/downloads?f=%2Fuploadfiles%2FGOS_VO%2F2000%2F550800_M_2000.doc&a... (Дата обращения: 23.03.2025).
17. Жуков А.Ю. Требования «Газпром нефти» к химическим реагентам, применяемым для добычи углеводородов // Нефтяное хозяйство. – 2022. – № 8. – С. 109–113.
18. Реестр «Перечень химических продуктов, прошедших испытания и рекомендованных для безопасного применения их в нефтяной отрасли» [Электронный ресурс]. URL: https://gcssnph.ru/reestry. (Дата обращения: 25.11.2024).
