КАТАЛИЗАТОРЫ АКВАТЕРМОЛИЗА ДЛЯ ВНУТРИПЛАСТОВОГО ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ ТЯЖЕЛОЙ НЕФТИ НА ОСНОВЕ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

В последние десятилетия темпы разработки традиционных запасов легкой нефти не способны удовлетворить стремительно растущий спрос на ископаемое топливо. Тяжелая нефть, как один из нетрадиционных источников, на долю которого приходится 70% мировых запасов нефти, привлекает интенсивное научное и промышленное внимание. Добыча тяжелой нефти, безусловно, сыграет решающую роль для обеспечения мирового энергоснабжения в ближайшем будущем [8].

Проведение паротепловых обработок скважин с использованием катализаторов акватермолиза эффективный подход к добыче тяжелой нефти, поскольку позволяет не только уменьшить вязкость пластового флюида, но и снизить затраты на транспортировку и переработку сырья.

В процессе внутрипластового облагораживания гетероатомные и высокомолекулярные компоненты нефти распадаются на более легкие. Подбор оптимального катализатора – один из наиболее важных этапов, определяющих результат воздействия.

С целью практического применения этого метода было разработано много типов катализаторов [7], где соединения на основе переходных металлов представляют особый интерес в последние десятилетия.  В частности, гомогенные катализаторы, включая водорастворимые неорганические соли, органические комплексные соединения и ионные растворы, каждая частица которых является активным центром катализа, тем самым достигая повышенной эффективности снижения вязкости. Однако отделение данных агентов от добытой нефти довольно затруднительно, что не только невыгодно с точки зрения денежных затрат, но и может препятствовать дальнейшей переработке сырья. 

И напротив, гетерогенные катализаторы, содержащие переходные металлы и их оксиды, сульфиды, карбиды, фосфиды, а также твердые кислоты, могут быть легко отделены от продуктов реакции и, даже, повторно использованы. Для достижения желаемой эффективности извлечения было разработано множество способов улучшения каталитической реакционной способности активных центров переходных металлов и обеспечения лучшей дисперсности катализаторов в нефтяной фазе. 

Для каталитической системы контакт реагентов с катализаторами имеет существенное значение для максимизации каталитической эффективности. С этой целью используют гомогенные катализаторы, с большим количеством активных центров

Многие типы неорганических солей переходных металлов, такие как Sc₂(SO₄)₂, FeSO₄, VOSO₄, CuSO₄, NiSO₄, FeCl₂, ZnCl₂, SnCl₄, MnCl₂ и Cr (NO₃)³ и др. [3], которые растворимы в воде, служат катализаторами акватермолиза. При этом каталитические взаимодействия всегда происходят на границе вода-нефть. Кларк и др. [1,2] показали, что ионы данных переходных металлов способны эффективно разрушать серосодержащие соединения. Процесс всегда сопровождается образованием небольших объемов газа (H₂S, H₂, CO₂, CH₄ и т.д.). В лабораторном эксперименте с тяжелой нефтью месторождения Liaohe количество высокомольных компонентов уменьшилось, а количество легких увеличилось одновременно с исчезновением соединений, содержащих гетероатомы (S, N, O), что привело к снижению вязкости на 15-75% [3]. 

Кроме того, Чжун и соавт. [11], экспериментируя с нефтью того же меторождения, сравнили эффективность снижения вязкости в случае применения соли Fe(II), тетралина и их комбинации. На лабораторном уровне включение солей Fe (II) и тетралина может обеспечить снижение вязкости до 90%. При этом тетралин служит донором водорода, в то время как Fe(II) соли являются основным фактором, способствующим каталитическому акватермолизу. 

Примечательно, что, хотя использование водорастворимых неорганических катализаторов переходных металлов экономически и технологически обосновано, их каталитическая эффективность сильно ограничена количеством воды, а также неконтролируемыми контактами поверхностей водной и нефтяной фазами. 

По сравнению с водорастворимыми неорганическими солями, нефтерастворимые карбоксилаты переходных металлов могут обеспечивать более эффективный контакт с нефтяной фазой, обеспечивая превосходную каталитическую эффективность для снижения вязкости тяжелой нефти при акватермолизе [10]. В целом, нефтерастворимые органические лиганды способны улучшать липофильность катализаторов для переноса ионов переходных металлов на поверхность и даже внутрь нефтяной фазы, тем самым многократно повышая их каталитическую эффективность. Было разработано несколько типов нефтерастворимых органических соединений, включая карбоксилаты, сульфонаты и ионные жидкости. 

В нескольких литературных источниках упоминается, что гомогенные катализаторы могут быть преобразованы в нано / микрочастицы оксида или сульфида переходных металлов, которые известны как основной активный компонент в реакции каталитического акватермолиза [4-5]. Действительно, частицы на основе нано / микро с большим количеством активных центров реакции на их поверхности, конечно, могли бы служить эффективными гетерогенными катализаторами для множества органических реакций, таких как разложение, изомеризация, замещение и реакции соединения. Кроме того, гетерогенные нано/микрокатализаторы могут быть отделены от реакционной системы центрифугированием или дистилляцией, что дает возможность повторного использования катализатора. Используются гетерогенные катализаторы на основе оксидов, сульфидов, карбидов, фосфидов переходных металлов, а также твердых кислот.

В качестве примера рассмотрим следующий случай. Частицы металлического никеля с размерами 50 нм и 5 мкм были использованы в качестве катализаторов для извлечения и облагораживания тяжелой нефти путем закачки пара, что позволило снизить вязкость на 83% [9]. При этом могут ускоряться реакции разложения тяжелых компонентов с образованием более легких или ароматических соединений, что приводит внутрипластовому облагораживанию нефти [6]. 

Добыча тяжелой нефти представляет собой интересный и важный процесс в рамках стремительно растущего спроса на энергоносители. Как один из способов снижения высокой вязкости тяжелой нефти используется каталитический акватермолиз. Вещества или соединения на основе переходных металлов являются наиболее популярными и широко изученными катализаторами, свойства которых определяют эффективность акватермолиза. В настоящей работе был проведен анализ существующих видов катализатов акватермолиза на основе переходных металлов

На сегодняшний день не существует определенных правил подбора катализаторов для акватермолиза. Причина в разнице составов нефти для каждого месторождения. Существенную роль также играет состав породы-коллектора. Для создания универсальной методики необходимо детальное понимание механизмов преобразования нефти.