Новый инструмент поможет определить оптимальные условия для добычи тяжелой нефти

Ученые создали модель, которая позволяет подобрать идеальные условия обработки тяжелой нефти горячим паром и углекислым газом при ее добыче. Такая обработка делает сырье более жидким и упрощает его подъем из пласта на поверхность. Разработка поможет нефтяным компаниям повысить эффективность добычи трудноизвлекаемого сырья, сократить затраты энергии и воды, а также снизить вредные выбросы в атмосферу. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Fuel.

Долгое время в качестве топлива по всему миру использовалась легкая — не очень вязкая и простая в добыче — нефть. Однако ее запасы сокращаются, поэтому все больше нефтедобывающих компаний разрабатывают месторождения тяжелой нефти — густого сырья, которое сложно извлекать из-под земли. Чтобы поднять его на поверхность, в скважину закачивают горячий пар, делающий нефть более текучей. Однако этот подход требует колоссального расхода воды и энергии. Поэтому ученые ищут новые, более экологичные и эффективные технологии.

Например, международные исследования показали, что можно закачивать в пласт не только пар, но и углекислый газ. Такая смесь лучше одного лишь пара удерживает тепло, необходимое для разжижения нефти. Углекислый газ также вступает в межмолекулярные взаимодействия с тяжелыми компонентами нефти, еще сильнее повышая ее текучесть. Более того, такой подход позволяет с пользой утилизировать углекислый газ — одну из причин парникового эффекта. Однако до сих пор оставалось непонятно, как подготовить и закачивать смесь пара и углекислого газа, чтобы добыть максимальное количество сырья.

Исследователи из Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань) впервые описали процессы, которые происходят с тяжелой нефтью при ее обработке смесью перегретого водяного пара и углекислого газа.

В лабораторном реакторе авторы воспроизвели условия, близкие к реальному нефтяному пласту. Для этого образец тяжелой нефти нагрели до 300°C при повышенном давлении. Чтобы сравнить добычу только водяным паром и паром, смешанным с углекислым газом, авторы рассмотрели два случая. В первом в реактор закачали инертный газ — азот. Его выбрали потому, что азот не вступает в реакции с компонентами нефти и служит своего рода инертной средой для сравнения. Во втором случае азот заменили на углекислый газ. Затем в обоих экспериментах нефть обработали горячим паром, как при реальной добыче.

Оказалось, что совместная закачка водяного пара с углекислым газом способствует разрушению тяжелых компонентов нефти — асфальтенов, — превращая их сначала в смолы, а затем в еще более легкие соединения. В частности, в присутствии углекислого газа и водяного пара асфальтены превращались в смолы в девять раз быстрее, чем в реакторе, где был азот.

«С химической точки зрения комбинированное воздействие углекислого газа и пара значительно снижает вязкость тяжелой нефти и увеличивает добычу более легких фракций, одновременно разрушая агрегаты асфальтенов. Кроме того, такая смесь создает кислую среду, которая способствует образованию поверхностно-активных веществ, растворению минералов горных пород, улучшая их проницаемость, а также активирует акватермолиз — процесс, который необратимо разрушает некоторые связи в компонентах сырой нефти», — отмечает основной исполнитель проекта РНФ, Хорхе Анчита, ведущий научный сотрудник лаборатории внутрипластового горения Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ.

По результатам экспериментов авторы построили кинетическую модель — математическое описание всех ключевых химических реакций, происходящих в пласте. Эта модель с точностью до 93% предсказывает, как меняется состав нефти с течением времени при разных температурах и концентрациях углекислого газа.

Благодаря этому разработка поможет нефтедобывающим компаниям заранее рассчитывать оптимальные режимы закачки пара и углекислого газа, чтобы добиться максимальной добычи сырья с минимальными затратами и экологическим ущербом.

«С экономической точки зрения повышение эффективности добычи ведет к снижению цены углеводородного сырья, являющегося основной топлива, что выгодно как производителям, так и потребителям. В дальнейшем мы планируем расширить исследования в этом направлении и рассмотреть, как применение катализаторов повлияет на процесс комбинированного воздействия водяным паром и углекислым газом, в том числе также разработать кинетические модели данного процесса. В качестве объектов исследования мы будем использовать различные сверхвязкие нефти с месторождений Татарстана и других стран», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Михаил Варфоломеев, кандидат химических наук, заведующий кафедрой разработки и эксплуатации месторождений трудноизвлекаемых углеводородов Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ.

Тяжелая нефть не только трудно добывается — она еще и требует переработки. Чтобы использовать такое сырье в качестве топлива, из него нужно удалить излишки серы и других веществ, ухудшающих качество. Ранее ученые определили, что с помощью соединений никеля можно удалить до 97% серы из тяжелой нефти прямо в пласте. Таким образом внесение никелевых катализаторов в скважину позволит повышать качество сырья еще до его извлечения на поверхность.