Соединения никеля помогли почти полностью удалить серу из тяжелой нефти
Новая технология открывает путь к более эффективной переработке тяжелой нефти прямо на месте залегания.
МОСКВА, 4 апреля. /Новости науки/. Ученые нашли способ сделать переработку тяжелой нефти прямо в пласте более эффективной с помощью соединений никеля, которые позволяют удалить до 97% серосодержащих примесей и заметно улучшить качество сырья еще до его подъема на поверхность. По мнению исследователей, это может упростить и удешевить добычу трудноизвлекаемой нефти, сообщает пресс-служба РНФ.
«Наша модель включает 15 возможных реакций, происходящих при обработке серосодержащих соединений, которые моделируют компоненты тяжелой нефти. Она не только доказала эффективность использования соединений никеля, но и объяснила механизм их действия. Все это позволит усовершенствовать технологии добычи и обработки тяжелой нефти и тем самым уменьшить трудозатраты и стоимость этого процесса», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидата химических наук Михаила Варфоломеева.
Как отмечают ученые, запасы легкой нефти, которую проще добывать и перерабатывать, постепенно сокращаются. Поэтому все большее внимание уделяется тяжелой нефти — густому, вязкому сырью, которое труднее извлекать из недр и транспортировать. Кроме того, такая нефть обычно содержит много серы и других нежелательных примесей, ухудшающих ее свойства.
Один из способов сделать тяжелую нефть более пригодной для добычи — обработка прямо в пласте. Для этого в скважину закачивают горячий пар: он нагревает нефть и снижает ее вязкость. Если же добавить катализаторы, можно не только разжижать сырье, но и запускать химические реакции, которые расщепляют тяжелые молекулы на более легкие.
Ранее уже было известно, что катализаторы на основе никеля могут помогать удалять серу. Однако оставалось неясно, как именно идут такие реакции, какие соединения в них участвуют и что получается на выходе. Без этого трудно подобрать оптимальные условия для реальной добычи.
Исследователи из Казанского федерального университета решили подробно разобраться в этом процессе. Для этого они создали математическую модель, описывающую превращения серосодержащих соединений при облагораживании тяжелой нефти прямо в пласте.
Вместо реальной нефти ученые использовали более простое модельное вещество — дибензилсульфид. Оно содержит серу и позволяет точно отслеживать химические превращения, не запутываясь в тысячах параллельных реакций, которые происходили бы в настоящем тяжелом сырье.
«Чтобы проследить ключевые химические стадии процесса, мы использовали не сложную природную смесь, а модельное серосодержащее соединение — дибензилсульфид. Оно позволяет воспроизвести поведение серосодержащих компонентов, характерных для нетрадиционного углеводородного сырья, и при этом точно фиксировать направление превращений и скорость реакций», — отметил участник проекта Амин Аль-Мунтасер.
В лаборатории ученые смоделировали условия нефтяного пласта в герметичном реакторе. Внутрь поместили модельное соединение, воду, растворитель, имитирующий нефтяную среду, а в части экспериментов — еще и органическое соединение никеля. Затем смесь нагрели до 300 градусов Цельсия при давлении, примерно вдвое превышающем атмосферное. В таких условиях вода превращалась в пар, как это происходит в реальном пласте при паротепловой обработке.
В течение суток исследователи наблюдали, какие вещества образуются в реакторе с никелем и без него. Сопоставив результаты с математической моделью, они установили, что в присутствии никеля молекулы исходного вещества быстрее вступают в реакцию с водой и распадаются.
При этом прямо в системе начинает активно выделяться водород. Он связывается с серой и помогает выводить ее из состава нефти в виде газа. В результате удается удалить до 97% серы.
Без соединения никеля картина оказалась совсем другой: шли иные реакции, и из системы удалялось лишь около 20% серы. Иными словами, никель радикально повышал эффективность процесса.
По мнению ученых, это открывает путь к более эффективной переработке тяжелой нефти прямо на месте залегания. Такой подход может сократить затраты на последующую очистку сырья на поверхности и упростить всю цепочку добычи.
В дальнейшем исследователи планируют заняться другими системами на основе переходных металлов. Они надеются подобрать такие составы, которые будут не только катализировать полезные реакции в нефти, но и помогать вытеснять из пласта больше углеводородного сырья.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Fuel.
«Наша модель включает 15 возможных реакций, происходящих при обработке серосодержащих соединений, которые моделируют компоненты тяжелой нефти. Она не только доказала эффективность использования соединений никеля, но и объяснила механизм их действия. Все это позволит усовершенствовать технологии добычи и обработки тяжелой нефти и тем самым уменьшить трудозатраты и стоимость этого процесса», — приводятся в сообщении слова руководителя проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидата химических наук Михаила Варфоломеева.
Как отмечают ученые, запасы легкой нефти, которую проще добывать и перерабатывать, постепенно сокращаются. Поэтому все большее внимание уделяется тяжелой нефти — густому, вязкому сырью, которое труднее извлекать из недр и транспортировать. Кроме того, такая нефть обычно содержит много серы и других нежелательных примесей, ухудшающих ее свойства.
Один из способов сделать тяжелую нефть более пригодной для добычи — обработка прямо в пласте. Для этого в скважину закачивают горячий пар: он нагревает нефть и снижает ее вязкость. Если же добавить катализаторы, можно не только разжижать сырье, но и запускать химические реакции, которые расщепляют тяжелые молекулы на более легкие.
Ранее уже было известно, что катализаторы на основе никеля могут помогать удалять серу. Однако оставалось неясно, как именно идут такие реакции, какие соединения в них участвуют и что получается на выходе. Без этого трудно подобрать оптимальные условия для реальной добычи.
Исследователи из Казанского федерального университета решили подробно разобраться в этом процессе. Для этого они создали математическую модель, описывающую превращения серосодержащих соединений при облагораживании тяжелой нефти прямо в пласте.
Вместо реальной нефти ученые использовали более простое модельное вещество — дибензилсульфид. Оно содержит серу и позволяет точно отслеживать химические превращения, не запутываясь в тысячах параллельных реакций, которые происходили бы в настоящем тяжелом сырье.
«Чтобы проследить ключевые химические стадии процесса, мы использовали не сложную природную смесь, а модельное серосодержащее соединение — дибензилсульфид. Оно позволяет воспроизвести поведение серосодержащих компонентов, характерных для нетрадиционного углеводородного сырья, и при этом точно фиксировать направление превращений и скорость реакций», — отметил участник проекта Амин Аль-Мунтасер.
В лаборатории ученые смоделировали условия нефтяного пласта в герметичном реакторе. Внутрь поместили модельное соединение, воду, растворитель, имитирующий нефтяную среду, а в части экспериментов — еще и органическое соединение никеля. Затем смесь нагрели до 300 градусов Цельсия при давлении, примерно вдвое превышающем атмосферное. В таких условиях вода превращалась в пар, как это происходит в реальном пласте при паротепловой обработке.
В течение суток исследователи наблюдали, какие вещества образуются в реакторе с никелем и без него. Сопоставив результаты с математической моделью, они установили, что в присутствии никеля молекулы исходного вещества быстрее вступают в реакцию с водой и распадаются.
При этом прямо в системе начинает активно выделяться водород. Он связывается с серой и помогает выводить ее из состава нефти в виде газа. В результате удается удалить до 97% серы.
Без соединения никеля картина оказалась совсем другой: шли иные реакции, и из системы удалялось лишь около 20% серы. Иными словами, никель радикально повышал эффективность процесса.
По мнению ученых, это открывает путь к более эффективной переработке тяжелой нефти прямо на месте залегания. Такой подход может сократить затраты на последующую очистку сырья на поверхности и упростить всю цепочку добычи.
В дальнейшем исследователи планируют заняться другими системами на основе переходных металлов. Они надеются подобрать такие составы, которые будут не только катализировать полезные реакции в нефти, но и помогать вытеснять из пласта больше углеводородного сырья.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Fuel.
