Новый подход к обработке тяжёлой нефти

Одной из наиболее значительных тенденций, наблюдаемых в нефтедобывающей промышленности, является снижение объемов производства легкой нефти с одновременным вовлечением в разработку месторождений с разведанными запасами тяжелой нефти. Спрос на энергоносители в мире постоянно растет, а количество добываемой легкой нефти в ближайшем будущем не сможет удовлетворить запросы потребителей. Одним из возможных направлений для поддержания инфраструктуры нефтедобычи является вовлечение в разработку тяжелой нефти. Однако ввиду высокой вязкости тяжелой нефти, обусловленной её аномальными реологическими свойствами, содержащим в своем составе высокомолекулярные смолы и асфальтены, представляют основную проблему, требующую новых и экономически выгодных технологических решений.

    Высокая вязкость и низкая текучесть тяжелой нефти значительно влияет на затраты и получаемую прибыль от эксплуатации такого месторождения, а также создает значительные трудности при её транспортировке и последующей переработке. На данный момент все методы уменьшения вязкости тяжелой нефти делятся на три категории: химические, физические и физико-химические.

    В настоящее время существуют различные технологии, применяемые для транспортировки и переработки тяжелой нефти, но экономическая эффективность их различная, что объясняет несовершенство применяемых технологий и в будущем является предпосылкой для разработки новых методов и технологий перекачки и переработки высоковязкой нефти. На современном этапе разрабатываются и опробуются новые технологии обработки тяжёлой нефти с применением различных химических реагентов, водородсодержащего газа, использование низкотемпературной плазмы, микроволнового и ультразвукового излучения. Существует обоснованное предположение, что комплексная химико-физическая обработка тяжёлой нефти, включающая в себя ультразвуковую и плазменную обработку в среде водородсодержащего газа, является наиболее эффективной и энергосберегающей технологией. Под воздействием её состав тяжелой нефти может быть существенно изменен из-за разрушения высокомолекулярных компонентов нефти. Эффективность такой обработки в первую очередь зависит от химического состава реагентов, наличия водородосодержащего газа, времени обработки, физических параметров, температуры среды и концентрации асфальтенов.

    В предлагаемом технологическом проекте с производительностью по сырью до 1,0 м3/час предполагается освоить альтернативный подход к снижению вязкости тяжелой нефти с возможностью увеличения содержания «светлых» фракций в обрабатываемой нефти, удалению из тяжелой нефти сернистых соединений и определить его экономическую эффективность, что послужит расширению дальнейших возможных способов снижения вязкости тяжёлой нефти для их успешной транспортировки и переработки.

    Созданная пилотная установка предполагает её масштабирование с производительностью по сырью до 10 м3/час поэтому для нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности уже сейчас в случае положительных результатов возможно её применение для:

- подготовки нефти с целью её транспортировки трубопроводным транспортом;

- деметаллизации нефти (снижение концентрации металлических соединений);

- увеличения выхода светлых фракций с концом кипения до 360°С;

- улучшения качества моторных топлив (снижение температуры фильтруемости дизельного топлива, уменьшение содержания сернистых соединений).

Теоретическая часть

    Обработка тяжёлой нефти последовательно ультразвуком в среде водородсодержащего газа или жидкого растворителя в качестве донора водорода и затем низкотемпературной плазмой это технология, которая позволяет обрабатывать сырьё при температурах до 80°С, без использования более высоких температур.

    Известно, что ультразвук вызывает акустическую кавитацию — процесс, при котором в жидкости образуются и быстро разрушаются вакуумные пузырьки углеводородного газа в местах локального снижения давления, что приводит к изменениям в структуре обрабатываемой нефти таких как:

- разрыв высокомолекулярных молекул как линейного строения, так и углеводородов, имеющие длинные боковые цепи;

- создание препятствий в течении некоторого времени для объединения разорванных молекул обратно в крупные структуры, разбивая их на более мелкие группы.

    Основные факторы, которые влияют на эффективность ультразвуковой обработки тяжёлой нефти следующие:

    Мощность ультразвука. При увеличении мощности длинные молекулярные цепочки углеводородов расщепляются на короткоцепочечные углеводороды, что приводит к снижению вязкости.

    Температура обработки. Влияние ультразвуковой обработки на вязкость нефти меньше при высокой температуре и больше при низкой.

    Компонентный состав нефти. При высоком содержании парафиновых углеводородов и смолисто-асфальтеновых компонентов после ультразвуковой обработки может наблюдаться с течением времени ухудшение реологических свойств.

    Для определения оптимальных параметров ультразвуковой обработки тяжелой нефти изначально необходимо будет подобрать жидкий реагент (он же донор водорода) и его концентрацию в масс. %, затем определить время воздействия ультразвука на сырье и его интенсивность (рис. 1).

    Под воздействием плазмы в нефти запускаются специфические реакции, в результате которых крупные молекулы расщепляются на более мелкие, что позволяет получать ценные вещества, которые далее могут использоваться в химических процессах. При плазмохимической обработке возможно, как расщепление тяжелых углеводородов, так и полимеризация непредельных углеводородов, в молекулах которых есть одна двойная связь между атомами углерода (С=С). При этом происходит столкновение электронов плазмы с молекулами углеводородов, что приводит к их распаду и образованию радикалов и ионов, ускоряющих химические превращения. Добавка водородсодержащего газа в обрабатываемую тяжелую нефть приводит к дополнительному распаду в плазменном ректоре молекулярного водорода с образованием атомарного водорода, который далее вступает в реакции с углеводородными радикалами, что приводит к образованию новых углеводородных соединений.

   Известно, что в тяжелой нефти содержатся соединения некоторых ценных металлов таких как V, Ni, Mo, Co и др., которые практически теряются при переработке такого вида сырья традиционными методами. Суммарное содержание металлов в тяжёлой нефти колеблется в среднем в пределах от 0,01 до 0,04% по массе.

    Таким образом, ожидается, что продуктами реакции термохимического воздействия на нефтяное сырье инициированной плазмой будут жидкие углеводороды с пониженным содержанием металлов и твердый остаток полученный после фильтрации обработанного нефтяного сырья (рис.2).

    В экспериментальной части поставлена задача выяснить оптимальную температуру обрабатываемой нефти (30°С; 40°С; 60°С) с учетом входной мощности облучения и времени воздействия для наибольшего уменьшения вязкости, состав и количество подаваемого реагента и водородсодержащего газа. В качестве температур для исследования были выбраны температуры, наиболее приближенные к тем, которые можно создать в промысловых условиях с наименьшими экономическими затратами. Для фиксации оптимальной температуры облучения было принято решение использовать ультразвуковой реактор, технологические особенности которого позволяли держать заданную температуру нефти при длительном воздействии ультразвуком.

    После ультразвуковой обработки подогретую тяжёлую нефть направят в плазменный реактор, что должно привести к дополнительному образованию легких углеводородных фракций в тяжелой нефти. Энергию воздействия плазмы на тяжёлую нефть предполагается регулировать за счет скорости прохождения тяжелой нефти через реактор при помощи частотного регулятора электродвигателя насоса и настройкой частоты генератора электрических импульсов в диапазоне 45-70 кГц.

Ожидаемые результаты

    В процессе освоения технологического процесса на экспериментальной пилотной установке будут проверены различные альтернативные варианты снижения вязкости тяжёлой нефти, возможного увеличения содержания в ней углеводородных фракций, выкипающих до температуры 360°С, снижение содержание соединений серы и удаление металлических включений присутствующих в тяжелой нефти.

    На рисунке 3 представлена схема возможной промышленной реализации новой технологии подготовки тяжёлой нефти.

I – сырая тяжёлая нефть; II – углеводородный газ; III – пластовая вода и механические примеси; IV – водородсодержащий газ; V – смесь металлизированного твердого остатка и углерода; VI – углеводородный газ и сероводород; VII – подготовленная товарная нефть.

Организация работ

    Предлагаемое направление подготовки и возможной переработки тяжёлой нефти было предложено в ФГУП «ИГИ» с целью вовлечения в последующие проводимые эксперименты жидкости пиролиза получаемой при переработке бурого угля совместно с тяжелой нефтью и другими углеводородными тяжёлыми остатками.

Финансирование

   Работа выполняется в рамках частного финансирования прикладной научной деятельности в Российской Федерации с использованием материальных ресурсов компании ООО «Кристалл» под руководством её директора Волошина Константина Алимовича c технологическим сопровождением ФГУП ИГИ.