Математические модели КФУ предсказывают поведение тысяч молекул в составе сланцевых пород при гидротермальном воздействии

Ученые Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета проработали детальную «химическую дорожную карту» – кинетические модели, описывающую механизмы преобразования керогена и других компонентов сланцевых пород при воздействии сверхкритической водой.

Многие слышали о сланцевой революции, но далеко не все знают, что такое сланцевая нефть, горючие сланцы, и в чем проблема освоения их месторождений. Новые перспективы для нефтегазовой отрасли открывают одни из последних исследований Казанского федерального университета. 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. Далее была создана соответствующая 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.

Результаты работы были опубликованы в Fuel. 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. В основе данных моделей лежат результаты большого набора экспериментов по воздействию сверхкритической воды на нефтематеринские породы в широком интервале температур и времени. Учет протекания параллельных реакций позволил снизить погрешность предсказания моделей на 16-45 процентов, что показано в следующей статье в журнале Fuel.

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, – сообщил научный сотрудник НИЛ «Внутрипластовое горение» Алексис Тирадо.

Основной процесс можно сравнить 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, – рассказал научный сотрудник НИЛ «Внутрипластовое горение» Феликс Гильермо.

Несмотря на то, что ранее разработанные математические модели полезны, они упускают из виду принципиальные химические аспекты: высокомолекулярные компоненты не превращаются в более легкие молекулы (подобные компонентам бензина) мгновенно. Они проходят через ряд промежуточных стадий, и на каждой из них ведут себя по-разному. Первая в мире кинетическая модель позволяет 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 высоких температурах 300–350 градусов), так и в условиях сверхкритической воды (выше 374 градусов – состояние, когда вода становится высокоэффективным растворителем, обладающим свойствами как жидкости, так и газа), а также позволяет оценивать роль катализатора в протекающих процессах (нефтерастворимый никелевый прекурсор катализатора). Высокая степень детализации поможет инженерам подбирать оптимальные режимы работы, поскольку открывается понимание не только факта превращения сланца, а то, как именно каждая фракция молекул образуется, существует и вступает в дальнейшие реакции.

Горючие сланцы представляют собой один из крупнейших неосвоенных углеводородных ресурсов на планете. Страны, обладающие значительными запасами этого сырья, включая Россию, могли бы получить существенные выгоды от внедрения технологий, позволяющих эффективно его осваивать, – подчеркнул Ф. Гильермо.

Использование воды в докритическом и сверхкритическом состояниях открывает принципиально 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.

Прекурсор катализатора, использованный в данном исследовании, обладает рядом примечательных и практически ценных свойств, выделяющих его на фоне других. Он растворяется в нефти, а не в воде. Реагент представляет интерес как «умный» катализатор, созданный на принципах «зеленой химии» и способный менять свою форму: он направляется точно туда, где необходим, работает при более низких температурах и с высокой эффективностью ускоряет превращение тяжелых фракций в более легкое и полезное сырье для получения топлива.

Предложенные кинетические модели действительно 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 РНФ, ведущий научный сотрудник Института геологии и нефтегазовых технологий 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 одни из первых доказывают, 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 надежные кинетические модели, подтвержденные на широком наборе экспериментальных результатов.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (21-73-30023-П).

Фото: КФУ

Источник: Минобрнауки России