Ученые Казанского федерального университета (КФУ) разработали кинетические модели, описывающие механизмы преобразования керогена и других компонентов сланцевых пород при воздействии сверхкритической воды. По мнению авторов, разработка может стать «химической дорожной картой» при освоении месторождений сланцевой нефти и горючих сланцев.
В основе моделей лежат результаты большого набора экспериментов по воздействию сверхкритической воды (при температуре выше 374 оС — состояние, когда вода становится высокоэффективным растворителем, обладающим свойствами как жидкости, так и газа) на нефтематеринские породы в широком интервале температур и времени.
Ученые отследили «пути» преобразования каждого ключевого компонента — твердого керогена, асфальтенов, смол, ароматических соединений, насыщенных углеводородов (наиболее ценных компонентов нефти), выделяющихся газов и даже неорганической минеральной матрицы (пористая среда), при гидротермальном воздействии. Затем была создана математическая модель, охватывающая химические превращения данных компонентов. Ученые спрогнозировали количество и скорость образования каждого продукта, а также оценили влияние температуры и катализатора на конечный результат.
В дополнение к этому были предложены кинетические модели, учитывающие возможность протекания параллельных реакций в результате конверсии керогена в легкую нефть, тяжелый остаток и газообразные продукты, а также проведен их сравнительный анализ с моделью, описывающей процесс в одну стадию. Учет протекания параллельных реакций позволил снизить погрешность предсказания моделей на 16-45 %.
«Мы разработали и решили систему математических уравнений, описывающих поведение тысяч отдельных молекул в составе породы и объединяющих их в репрезентативные категории: твердый кероген, химические компоненты нефти, выделяющиеся газы и саму минеральную матрицу породы, легкую нефть и тяжелые остатки. Затем, опираясь на экспериментальные данные, определили скорость взаимных превращений этих групп веществ. Это позволило рассчитать фактическую скорость и ее температурную зависимость для каждого процесса как в отсутствие, так и в присутствии нефтерастворимого никелевого катализатора, способного проникать в органическую фазу породы и ускорять полезные реакции при меньших затратах тепловой энергии», — рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник НИЛ «Внутрипластовое горение» Алексис Тирадо.
Процесс ученые сравнивают с составлением точного рецепта, только вместо выпечки здесь «готовят» горную породу для получения топлива, где необходимо точно знать, какие превращения происходят с каждым ингредиентом.
«Нам впервые удалось обеспечить высокий уровень детализации в реальном времени. Ранее в исследованиях большинства ученых использовались упрощенные модели. Некоторые рассматривали все жидкие продукты как единую систему, другие классифицировали продукты переработки горючих сланцев лишь по трем-четырем укрупненным категориям, таким как «органическое вещество», «газ» и «твердый остаток» и не учитывали, что одновременно могут протекать несколько параллельных процессов», — пояснил еще один участник исследования, научный сотрудник НИЛ «Внутрипластовое горение» Феликс Гильермо.
Разработанные кинетические модели позволяют одновременно отслеживать количество основных групповых фракций нефти по мере их образования из керогена, учитывать неорганическую минеральную матрицу и газообразные продукты, проводить моделирование как в условиях субкритической воды (жидкая вода при температурах 300–350 оС), так и в условиях сверхкритической воды, а также позволяет оценивать роль катализатора в протекающих процессах.
По словам авторов, высокая степень детализации модели поможет инженерам подбирать оптимальные режимы работы. Использование воды в докритическом и сверхкритическом состояниях открывает принципиально новый экологичный путь для нефтегазовой отрасли. В данных условиях вода выступает одновременно и как растворитель, и как химический реагент. Она способна проникать в поры породы, растворять битумоид и стимулировать реакции конверсии керогена. Все это позволяет сократить расход топлива, и, как следствие, уменьшить выбросы углекислого газа. Кроме того, присутствие воды подавляет образование твердого кокса — плотного углеродистого остатка, который ухудшает процессы добычи.
«Предложенные модели являются важным шагом в развитии технологий гидротермального воздействия. Они позволяют понять механизмы и выявить основные стадии, протекающих химических процессов, предсказывать, какие продукты мы получим в зависимости от условий применения, причем учитывая тот факт, что реакции конверсии керогена идут параллельно. Все это существенно повышает точность расчетов. Ну и, конечно, понять роль катализаторов. Так, в данных работах нами было показано, что применение нефтерастворимого прекурсора катализатора на основе никеля, который в ходе процесса трансформируется в сульфидные наночастицы, изменяет путь реакции и позволяет увеличить конверсию керогена в два раза по сравнению с некаталитическим процессом, причем с получением большего количества именно фракции насыщенных углеводородов и легкой нефти, а не газообразных продуктов и тяжелого остатка», — отметил научный руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Института геологии и нефтегазовых технологий КФУ Михаил Варфоломеев.
Ученые КФУ успешно продемонстрировали, что добавление прекурсора катализатора на основе никеля позволяет добиться высокой степени конверсии при более низких температурах и сокращенной продолжительности реакции, и доказали, что внутрипластовым преобразованием нетрадиционных видов углеводородного сырья можно управлять за счет применения каталитических систем и правильного выбора условий воздействия, а надежным инструментом для этого выступают кинетические модели, подтвержденные на широком наборе экспериментальных результатов.
