// Какие технологии добычи и переработки тяжелой нефти существуют в мире?
Сначала немного расскажу об этом виде нефти. Многие представляют себе нефтяное месторождение как подземные озера и реки. Это совершенно не так: пласт похож на кухонную губку. Только если обычная губка мягкая и с большими порами, то под землей «губка» очень плотная: нефть находится внутри пор, откуда ее нужно достать.
Тяжелая нефть — это своего рода битум. Чтобы его поднять на поверхность, пласт предварительно разогревают, используя различные способы, самый распространенный из которых — паротепловое воздействие. Под землю закачивается водяной пар, происходит разогрев породы и после чего нефть становится подвижной. Но наверху она снова остывает, к ней добавляется большое количество воды. Все это необходимо отделить друг от друга, чтобы подготовить нефть и доставить ее до перерабатывающего предприятия, где начинается химическое превращение сырья.
Идея нашей большой команды заключалась в том, чтобы перерабатывать нефть прямо под землей и сделать ее легче, добавив специализированные химические добавки — катализаторы. Так родилась концепция подземного нефтеперерабатывающего завода: объединить технологию добычи — закачку пара, с технологией переработки — добавкой катализатора. Это обеспечит высокий уровень облагораживания высоковязкой нефти непосредственно в пласте, иными словами — сделает тяжелую нефть жидкой. В результате ее транспортировка станет легче, а добыча — дешевле.
Для опытных специалистов наша идея звучала как невозможная. Но у нас в этом плане было меньше границ, поскольку изначально мы не разбирались в нефтепереработке так же досконально, как профессионалы. И это сработало на нас. Мы рассуждали так: вот водяной пар, вот высокая температура — почему бы не применить катализаторы, чтобы оптимизировать процесс? Хотя мы не являемся первопроходцами в этой области, наша группа одной из первых в мире взялась за систематические междисциплинарные научные исследования, начиная от разработки катализаторов до создания готовой технологии их применения.
// Какие фундаментальные результаты вы применяете в проекте с бизнесом?
Мы опирались на научные исследования в области нефтепереработки. Тяжелая нефть состоит из четырех групп молекул. Нас интересовала асфальто-смолистая составляющая, которая и обеспечивает сырью высокую вязкость. При акватермолизе происходит преобразование компонентов нефти, содержащих связи сера-углерод. Эти связи наиболее слабые, их легко разорвать, поэтому мы и ориентировались на них с точки зрения ожидаемых эффектов. Суть идеи в том, чтобы «нарезать» молекулы смол и асфальтенов на более мелкие, в результате они из высокомолекулярных компонентов переходят в низкомолекулярные. Так мы получаем больше светлых продуктов нефти и меньше оставляем тяжелых.
// А какие значимые результаты уже получены в рамках проекта?
Их несколько. Во-первых, мы построили карту влияния каталитического акватермолиза на преобразование нефти, исследовали разные типы нефтей и закономерности воздействия на них. Далее пошли в сторону понимания механизмов этих процессов, выбрали специальные соединения — модели серосодержащих компонентов, и уже на их основе изучили процесс, протекающий без катализаторов. После начали исследовать разные каталитические добавки, ускоряющие процесс облагораживания тяжелой нефти.
Здесь нужно сделать оговорку, что на «подземном заводе» процессы протекают иначе, чем на обычном нефтеперерабатывающем предприятии. Главное отличие в том, что нефть в нашем случае находится на глубине до тысячи метров в пористой минеральной среде. С фундаментальной точки зрения важно исследовать каталитический акватермолиз в этих условиях и понять поведение добавок в нефтяном пласте. Это будет существенно влиять не только на наше понимание процесса, но и на технологию.
Во-вторых, наша группа сделала большой блок работ: подготовила комплекс экспериментальных методов, провела математическое моделирование течения в пористой среде, выполнила квантово-химические расчеты и численное моделирование. Важное значение имеют предложенные нами кинетические модели процессов акватермолиза в присутствии и отсутствии катализатора. Они нужны, чтобы предсказать эффективность технологии и масштабировать ее на месторождение.
Наконец, есть еще один результат, фундаментальный и прикладной одновременно. Речь про лабораторную установку, которую мы создали в 2017–2019 годах. Она входит в реестр уникального научного оборудования России и остается единственной подобной системой в сфере исследования тепловых технологий нефтедобычи. Наша установка моделирует структуру пласта и представляет собой металлическую трубу, выдерживающую высокие температуры и давление. Она вся укутана термодатчиками — такой космический корабль в миниатюре.
В рамках проекта Российского научного фонда мы ее усовершенствовали. Сделали трубу из рентгенопрозрачного материала, чтобы детально видеть, как под воздействием катализаторов меняется вся система нефтяного пласта. Раньше для этой цели приходилось использовать томограф. Сегодня на основе экспериментов мы строим большую гидродинамическую модель месторождения, чтобы описать эффект разных технологических подходов по месяцам и годам.
// В чем еще заключается поддержка РНФ?
Поддержка Фонда — это уникальный инструмент, который позволяет создавать целые междисциплинарные лаборатории. При этом они ориентированы в том числе на практический результат, потому что у каждой лаборатории есть индустриальный партнер. В нашем случае это компания «Зарубежнефть». Такой симбиоз позволил не только получить научный результат, но и успешно применить технологию на месторождении. То есть Российский научный фонд в рамках проектов лабораторий мирового уровня помогает выстроить всю цепочку от фундамента до применения.
.jpg "Источник: Михаил Варфоломеев")
Источник: Михаил Варфоломеев
Кроме того, поддержка РНФ позволяет привлекать лучших специалистов. Так, у нас работает профессор Мексиканского института нефти Хорхе Анчита — ведущий ученый в области кинетического моделирования. А всего в нашей команде тридцать человек: нефтяники, химики, физики, математики, специалисты в области движения флюидов в пористой среде. По уровню публикаций мы входим в топ мировых научных коллективов, а по ряду показателей и вовсе на первом месте. Это уникальный для России и мира коллектив, который столь широко и масштабно разбирает процессы в нефтегазовой сфере с точки зрения химии.
// Поделитесь, пожалуйста, как у вас выстраивается взаимодействие с бизнесом. Есть какие-то особенности этого процесса в сфере нефтепереработки?
Здесь главное — движение. Если просто сидеть и ждать, вряд ли что-то получится. Прежде всего необходимо проникнуться опытом коллег-нефтяников и понять проблемы, с которыми они сталкиваются. И уже исходя из этого нужно предлагать свои наработки — текущие и перспективные. Впервые сотрудничать с бизнесом мы стали в 2014 году: это был небольшой проект по тестированию тепловых методов воздействия для увеличения нефтеотдачи. С тех пор мы активно сотрудничаем с разными компаниями, а ежегодное количество проектов уже сопоставимо с числом участников нашей команды.
Если раньше мы сами ходили и предлагали, то сейчас нас уже знают. Как только у коллег возникают какие-то сложности, они обращаются к нам. И наоборот: когда мы видим интересный результат, который можно масштабировать, то рассказываем о нем компаниям. В таком партнерском диалоге и рождаются новые проекты. С другим отношением ничего не получится. Если компании думают, что наука далека от них, а ученые считают, что бизнесмены не понимают их идеи — ни о каком взаимодействии речи быть не может. Нужно идти навстречу.
// Каким образом вы узнаете о потребностях нефтяников?
Мы много общаемся с людьми, которые работают в поле. Обычно это происходит на отраслевых конференциях. Кроме того, сейчас у многих крупных компаний есть собственные научно-технические центры, аккумулирующие технологические задачи. Поскольку эти специалисты часто сталкиваются с наукой и технологиями, нам удается быстро и легко наладить с ними диалог.
Источник: Михаил Варфоломеев
И еще один интересный момент. Мы активно занимаемся дополнительным образованием и используем его как еще один канал, чтобы выявить потребности бизнеса. Специалисты, приехавшие на учебу, параллельно рассказывают о своей работе, а ученые их внимательно слушают. Кроме того, на базе университета регулярно проходят встречи с профессиональным сообществом, где мы делимся полученными результатами.
// Насколько они интересны крупным нефтедобывающим компаниям?
Интерес очень высокий. Руководство и сотрудники «Зарубежнефти», которые вместе с нами занимаются каталитическим акватермолизом, по-настоящему горят этим проектом и оказывают ученым всестороннюю поддержку. Более того, генеральный директор компании тоже вовлечен в проект, на научно-технических советах от него исходили важные идеи по разработке и применению данной технологии.
Если в нашей первой заявке был один индустриальный партнер, то сейчас в списке уже несколько крупнейших компаний. «Газпромнефть», обладающая месторождениями горючих сланцев, хочет применить разные тепловые и каталитические методы для увеличения нефтеотдачи. «Сибуру» интересно перерабатывать тяжелые нефтяные остатки и получать востребованные продукты. Пилотные испытания также запланированы с «Татнефтью» и «Лукойлом», которые имеют большие запасы тяжелой нефти.
На данный момент на основе проведенных исследований в рамках проекта РНФ индустриальным партнером уже сделаны две обработки на месторождениях, третья находится на стадии согласования. То есть в ближайшее время мы будем активно масштабировать научный задел мирового уровня, созданный группой.
// На каких месторождениях вы уже применили свой метод? Возникли при этом какие-то сюрпризы? Все-таки одно дело — математическое моделирование в лаборатории, другое — реальный пласт под землей.
Мы изучали данные разных месторождений России, даже проводили исследования на образцах китайской нефти. Но основными объектами изучения стали месторождение Бока де Харуко на Кубе и Ашальчинское месторождение в Татарстане: здесь мы провели больше всего экспериментов и рассмотрели процессы очень детально.
В случае с «Зарубежнефтью» полевые испытания показали очень мощный эффект. Если лабораторные данные говорили, что добыча нефти увеличится до 40 %, то в ходе первого промышленного применения этот показатель составил более 200 %. Колоссальная эффективность! Дело в том, что на Бока де Харуко пласт залегает на глубине порядка 600−700 метров. Туда закачивается пар высокой температуры, при которой катализатор работает лучше.
// Какие преимущества есть у вашего метода, кроме экономических?
Технология подземного облагораживания позволяет решить экологические проблемы. Мы сокращаем затраты, так как для каталитического акватермолиза требуется меньше пара, чем при традиционных способах добычи тяжелой нефти. Соответственно, уходит меньше электроэнергии и воды, сокращаются выбросы парниковых газов.
// Возможно ли, что благодаря новым методам облагораживания тяжелая нефть станет более востребованной?
Как сказал наш самый известный химик, который придумал таблицу Менделеева, топить нефтью — это все равно, что топить ассигнациями. Потому что нефть состоит из большого количества компонентов. Это жидкие углеводороды, органические и металлоорганические соединения, минеральные соли и так далее. Если подсчитать отдельно их стоимость, то баррель нефти будет стоить уже не 70−80 долларов, а на порядки дороже. Так что да, у тяжелой нефти большой потенциал и своя ниша с точки зрения применения.
// Какие альтернативные методы в этой сфере могут появиться в будущем?
Помимо каталитического акватермолиза мы работаем еще над несколькими технологиями. Представляет большой интерес метод внутрипластового горения. Кстати, здесь у нас тоже есть поддержка РНФ — уже молодежных проектов. Суть технологии в том, чтобы закачать воздух и запустить процессы горения под землей, чтобы прогреть и разжижить нефть. По сравнению с водяным паром воздух можно закачать на большую глубину, до пяти километров. Наши добавки позволяют сделать процесс горения более стабильным и контролируемым.
Также есть планы по внедрению в промышленность сверхкритических флюидов: воды и углеводородных газов. На сегодняшний день у нас образовался хороший задел по сверхкритической воде. Эта технология подходит для горючих сланцев и позволяет генерировать синтетическую нефть.
