Разработка новых технологических подходов к каталитическому подземному облагораживанию высоковязкой и сверхвязкой нефти

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-73-30023

НазваниеРазработка новых технологических подходов к каталитическому подземному облагораживанию высоковязкой и сверхвязкой нефти

Руководитель Варфоломеев Михаил Алексеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №53 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые слова Высоковязкая нефть, сверхвязкая нефть, внутрипластовое облагораживание, повышение нефтеотдачи, нефтедиспергируемый катализатор, водорастворимый катализатор, термодинамика, механизм и кинетика акватермолиза, каталитический акватермолиз, донор водорода, квантово-химические расчеты, многофазный поток в пористых средах, численное моделирование

Код ГРНТИ31.15.27, 31.15.28

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Запасы высоковязкой и сверхвязкой нефти составляют около 60-70% от общих доказанных запасов во всем мире. Из-за высокой вязкости и плотности высоковязкой и сверхвязкой нефти ее разработка и добыча намного сложнее, чем в случае традиционных запасов нефти. Для эффективной разработки, как правило, необходимо использовать термические методы воздействия, которые снижают вязкость нефти и облегчают ее подвижность в пласте. Закачка пара - наиболее широко используемый термический метод добычи высоковязкой и сверхвязкой нефти. Однако во время его применения было выявлено множество проблем, таких как низкая эффективность, высокое потребление энергии и пресной воды для генерации пара, проблемы с окружающей средой из-за сжигания угля или газа. Кроме того, в большинстве случаев вязкость добытой нефти недостаточно низкая, что увеличивает трудности и затраты, связанные с ее транспортировкой и переработкой. Для преодоления этих практических сложностей, с которыми сталкивается нефтяная промышленность, многообещающим решением является использование катализаторов для инициирования процесса каталитического акватермолиза, с помощью которого достигается высокий уровень облагораживания высоковязкой нефти непосредственно в пласте во время закачки пара. Этот подход поможет улучшить свойства высоковязкой и сверхвязкой нефти, чтобы облегчить ее транспортировку и снизить себестоимость добычи. С другой стороны, использование катализаторов позволит уменьшить объем нагнетания пара, что снизит потребление энергии и пресной воды. Рассмотрев современное состояние уровня исследований в данной области, обнаружено, что уже был выполнен ряд работ, направленных на улучшение качества нефти непосредственно внутри пласта и повышение эффективности закачки пара за счет использования различных каталитических систем. Однако, исходя из сегодняшнего положения дел и уровня освоения метода закачки пара в полевых условиях, можно сделать вывод, что текущие результаты недостаточны для решения вышеописанных проблем. Чтобы решить эти проблемы, необходимо провести систематические междисциплинарные научные исследования, начиная от разработки катализаторов с высокой эффективностью с учетом требований, предъявляемых к ним особенностями нефтяных месторождений, и заканчивая созданием готовой технологии их применения. Для этого необходимо решить следующие задачи: 1) Более четкое определение механизма акватермолиза. Хотя процесс акватермолиза исследовался последние годы, его механизм до сих пор полностью не выяснен. Разработка катализаторов для повышения качества высоковязкой и сверхвязкой нефти in-situ в процессе акватермолиза требует четкого понимания механизма протекания пластовых процессов. 2) Установление механизма каталитического акватермолиза для подземного облагораживания нефти. Как катализаторы ускоряют реакции акватермолиза высоковязкой и сверхвязкой нефти в пластовых условиях, остается неизученным. Установление каталитического механизма очень важно для разработки высокоэффективных катализаторов и оптимизации технологий их применения. 3) Изучение и разработка высокоэффективных, дешевых катализаторов для процессов акватермолиза. Ключевым фактором успешного проведения подземного облагораживания высоковязкой и сверхвязкой нефти путем каталитического акватермолиза является разработка дешевых, но высокоэффективных катализаторов для применения в пластовых условиях. Поэтому очень важно разработать подобные каталитические системы для промыслового применения. 4) Определение наиболее оптимальных условий проведения каталитического акватермолиза. Для проведения успешного внутрипластового облагораживания важно знать, какой тип катализатора следует использовать, на каком этапе, как и в каком объеме и концентрации необходимо его закачивать и совместно с какими компонентами. Все эти тонкости являются необходимыми условиями для наиболее эффективной реализации технологии. Для выполнения этих задач данный проект в основном будет сосредоточен на следующих целях: 1) разработка методики моделирования реакций акватермолиза в присутствии и отсутствии катализаторов на основе квантово-химических расчетов; 2) четкое понимание механизма акватермолиза, кинетики его протекания и природы каталитического действия исследуемых каталитических систем; 3) разработка новых дешевых катализаторов (в исходной форме являющихся гомогенными) с высокой эффективностью для каталитического акватермолиза; 4) оценка каталитической активности катализаторов, исследование внутрипластовой преобразования гомогенных катализаторов в гетерогенные системы, а также механизма их каталитического действия в процессах акватермолиза; 5) изучение синергетического эффекта соединений-доноров водорода с катализаторами на характеристики облагораживания, а также влияние данных соединений на механизм действия каталитических систем; 6) исследование влияния присутствия различных пористых сред на внутрипластовое преобразование катализаторов, их каталитические характеристики и механизм действия; 7) создание математической модели каталитического акватермолиза в процессе закачки пара на основе экспериментов по физическому моделированию с учетом адсорбции и кинетики реакции, а также построение гидродинамической модели для оценки эффективности каталитического внутрипластового облагораживания в масштабе реального месторождения, а также изучения различных сценариев закачки компонентов и добычи нефти; 8) оптимизация условий и методов применения катализаторов для достижения максимальной степени облагораживания высоковязкой и сверхвязкой нефти, а также изучение общей методологии целевого выбора каталитических систем для пластов с различными типами пород; 9) разработка эффективного метода каталитического внутрипластового облагораживания для увеличения нефтеотдачи путем закачки пара, а также технологии его применения и пилотных испытаний в промысловых условиях. Для достижения этих целей требуется провести комплексные всесторонние исследования с использованием различных методов, включая методики расчета и моделирования, а также экспериментальную часть для выполнения поставленных задач. Основная новизна данного исследования заключается в следующих аспектах: 1) Чтобы четко понять механизм акватермолиза, в том числе с применением катализаторов, будет использован комплексный экспериментальный анализ и квантово-химический расчет с использованием модельных соединений нефти, содержащих гетероатомные связи C-S, C-O и C-N, а также связи C-C и C=C. Использование модельных соединений позволяет более точно анализировать продукты реакции, что в сочетании с точным квантово-химическим расчетом реакций акватермолиза этих модельных соединений может обеспечить более четкое понимание и точное описание механизма акватермолиза и его протекания в присутствии катализатора. 2) Для анализа продуктов реакций акватермолиза будут выполнены специальные эксперименты, в том числе: a) электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и двойной электронно-ядерный резонанс (ENDOR), помогающие понять влияние внутрипластового облагораживания на супрамолекулярную структуру смол и асфальтенов, а также изменения парамагнитных свойств асфальтенов и смол в результате воздействия; б) разделение полученных асфальтенов на различные фракции (пять подфракций и карбен-карбоидный остаток) для установления механизма трансформации высокомолекулярных компонентов нефти (таких как асфальтены) в процессе облагораживания высоковязкой и сверхвязкой нефти; в) определение изменений содержания и химической структуры асфальтенов и смол и их способности образовывать ассоциаты путем сравнения полных реологических кривых (определение предельного напряжения сдвига - переход к ньютоновскому течению) исходной нефти до и после термокаталитической обработки. Сочетание этих трех анализов вместе поможет четко понять, как содержание и структура асфальтенов и смол влияет на процессы внутрипластового облагораживания, как подобное воздействие изменяет способность асфальтенов образовывать ассоциаты, а также определить, какие структуры наиболее подвержены разрушению, а какие, наоборот, проявляют устойчивость к процессам акватермолиза. Таким образом, станет известен механизм трансформации высокомолекулярных компонентов нефти в результате термокаталитической обработки паром. 3) Для разработки новых, дешевых катализаторов (в исходном виде в гомогенной форме) с высокой каталитической активностью в реакциях акватермолиза, состав катализаторов будет основан на нашем предыдущем опыте и квантово-химических расчетах реакций акватермолиза модельных соединений в присутствии различных гомогенных каталитических систем на базе следующих ионов металлов (Fe, Ni, Mo, Co, Zr, Cu и др.). Применение квантово-химических методов расчета позволит изучить каталитический механизм, влияние формы вводимого катализатора на основе переходных металлов на реакции акватермолиза, а также рассчитать термодинамические (ΔH, ΔG) и кинетические (энергия активации) параметры реакции. Катализаторы на начальном этапе представляют собой гомогенные системы, которые затем в ходе внутрипластовых трансформаций превращаются в гетерогенные. Квантово-химическое моделирование подобных систем поможет также получить дополнительные сведения, которые будут крайне полезны при проектировании и синтезе катализаторов. 4) Для исследования превращения гомогенных катализаторов в гетерогенные системы в ходе внутрипластовых превращений и выявления их каталитического механизма в реакциях акватермолиза будет проведена полная характеристика продуктов трансформации посредством детального физического и химического анализа с использованием различных методов, включая термогравиметрию и дифференциально-сканирующую калориметрию (TG-DSC), инфракрасную спектроскопию с Фурье преобразователем (FTIR), термогравиметрический анализ, совмещенный с ИК-Фурье спектрометром (TG-FTIR), рентгеновскую дифрактометрию (XRD), индуктивно-связанную плазму (ICP), ИК-Фурье спектроскопию с десорбцией пиридина, сканирующую электронную спектроскопию с энергодисперсионным рентгеновским анализом (SEM-EDX), рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), динамическое рассеяние света (DLS) , просвечивающую электронную спектроскопию (TEM), ЭПР и ENDOR-анализ, мессбауэровскую спектроскопию и т.д. Все это вместе с квантово-химическим расчетом каталитического акватермолиза в присутствии гетерогенных катализаторов, образующихся в пласте, обеспечит четкое и ясное понимание механизма каталитических превращений. 5) В этом исследовании также будут созданы новые модели для теоретического описания, протекающих процессов. Во-первых, в решеточных уравнениях Больцмана для моделирования многофазного течения в пористой среде будут разработаны новые граничные условия, которые позволят исследовать адсорбцию катализатора на поверхности минерального каркаса пористой среды. Усовершенствованная модель позволит избежать изменения масштаба сетки вблизи твердых границ, что значительно упростит вычислительные процессы с точки зрения скорости вычислений. Успешная реализация этих методов позволит смоделировать течение катализатора в поровых каналах, что является ключевым вопросом с точки зрения определения наиболее эффективного режима закачки реагента, а также позволит перенести данные из масштаба поровых каналов в масштаб пласт-резервуар. Во-вторых, будет построена гидродинамическая модель на основе численного моделирования для предсказания эффективности закачки катализаторов в пласт, которая будет учитывать механизм и кинетику процессов акватермолиза с учетом действия катализаторов, а также дополнительный эффект от введения соединений-доноров водорода. 6) Еще одним важным новшеством в данном исследовании является совместное использование экспериментов 4D компьютерной томографии (микротомографические изображения высокого разрешения), модельный математический расчет многофазного потока в пористых средах (нефтедиспергируемые или водорастворимые катализаторы вводятся в водонефтенасыщенную пористую среду) на основе решеточных уравнений Больцмана и численного моделирования для изучения закономерностей движения и распределения катализаторов в пористых средах, удельной поверхности контакта между катализатором и твердой фазой, а также катализатором и нефтью, таким образом определяя оптимальную скорость потока и режим закачки (на каком этапе, как и в каком объеме и концентрации необходимо его закачивать и совместно с какими компонентами), чтобы добиться максимальной эффективности применения технологии каталитического акватермолиза. После выполнения всех вышеуказанных задач с использованием широкого комплекса экспериментальных методов, математического моделирования течения в пористой среде, квантово-химических расчетов и численного моделирования, будут решены обозначенные выше научные и практические проблемы закачки пара для добычи высоковязкой и сверхвязкой нефти за счет технологии каталитического акватермолиза с использованием разработанных в проекте катализаторов, что делает эту работу актуальной и соответствующей мировому уровню важности в данной области науки. В ходе реализации проекта планируется получить результаты, предполагающие правовую защиту, в частности, создание комплексных катализаторов и реагентов для in-situ облагораживания нефти, технологий закачки катализаторов в скважину, методов добычи высоковязкой и сверхвязкой нефти с предварительным внутрипластовым облагораживанием.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Аль-Мунтасер А. А., Варфоломеев М.А., Сувейд М. А., Салех М. М., Джимасбе Р., Юань Ч., Заиров Р.Р., Анчейта Х. Effect of decalin as hydrogen-donor for in-situ upgrading of heavy crude oil in presence of nickel-based catalyst ELSEVIER SCI LTD, Fuel, Доступно онлайн 24 ноября 2021 г. , 122652 (год публикации - 2021)
10.1016/j.fuel.2021.122652

2. Тирадо А., Юань Ч., Варфоломеев М.А., Анчейта Х. Kinetic modeling of aquathermolysis for upgrading of heavy oils ELSEVIER SCI LTD, Fuel, Том 310, часть B , 15 февраля 2022 г. (год публикации - 2022)
10.1016/j.fuel.2021.122286

3. Хафизов Н.Р., Маджидов Т.И., Варфоломеев М.А., Юань Ч., Кадкин О.Н. Theoretical insight into the catalytic effect of transition metal ions on the aquathermal degradation of heavy oil: A DFT study of cyclohexyl phenyl ether cleavage ELSEVIER SCI LTD, Fuel, Доступно онлайн 25 ноября 2021 г. , 122595 (год публикации - 2021)
10.1016/j.fuel.2021.122595

4. Михайлова А.Н., Г. Каюкова Г.П., Варфоломеев М.А., Емельянов Д.А. Thermogravimetric parameters of the oxidation of organic matter and asphaltenes from the rocks of the Permian deposits of heavy oil field before and after catalytic hydrothermal treatment ELSEVIER SCI LTD, Fuel, Доступно онлайн с 1 декабря 2021 г. , 122641 (год публикации - 2021)
10.1016/j.fuel.2021.122641

5. Минханов И.Ф., Болотов А.В., Аль-Мунтасер А.А., Мухаматдинов И.И., Вахин А.В., Варфоломеев М.А., Славкина О.В., Щеколдин К.А., Дарищев В.И. Исследования эффективности вытеснения нефти паром с использованием растворителя и катализатора БД eLIBRARY.RU, Нефтяное хозяйство, №6. – С. 54–57. (год публикации - 2021)
10.24887/0028-2448-2021-6-54-57

6. Вахин А.В., Мухаматдинов И.И. , Алиев Ф.А., Феоктистов Д.Ф., Ситнов С.А., Гафуров М.Р., Минханов И.Ф., Варфоломеев М.А., Нургалиев Д.К., Симаков И.О., Латыпов А.А., Петрашов О.В., Соловьев А.В., Сансиев Г.В. Industrial application of nickel tallate catalyst during cyclic steam stimulation in Boca De Jaruco Reservoir Society of Petroleum Engineers, Онлайн 12 октября 2021 до 15 октября 2021, 172793 (год публикации - 2021)
10.2118/SPE-206419-MS

7. Ситнов С.А., Мухаматдинов И.И., Феоктистов Д.А., Онищенко Я.В., Судаков В.А., Амерханов М.И., Вахин А.В. Underground upgrading of the heavy crude oil in content-saturated sandstone with aquathermolysis in the presence of an iron based catalyst MDPI, Catalysts, Том 11 Выпуск 10 (год публикации - 2021)
10.3390/catal11101255

8. Симау A., Домингес-Альварес Э., Юань Ч., Сувейд М.А., Варфоломеев М.А., Анчейта Х., Аль-Mishaal О.Ф., Кудряшов С.И., Афанасьев И.С., Антоненко Д.А., Петрашов О.В., Дубровин К.А On the use of metallic nanoparticulated catalysts for in-situ oil upgrading ELSEVIER SCI LTD, Fuel, Доступно онлайн с 11 декабря 2021 г. , 122677 (год публикации - 2021)
10.1016/j.fuel.2021.122677

9. Сувейд М.А., Варфоломеев М.А., Аль-Мунтасер А.А., Абдалжалил Н.И., Джимасбе Р., Родионов Н.О., Зиннатулли А., Вагизов Ф.Г. Using the oil-soluble copper-based catalysts with different organic ligands for in-situ catalytic upgrading of heavy oil Elsevier Ltd, Fuel, 312, 122914. (год публикации - 2022)
10.1016/j.fuel.2021.122914

10. Мухаматдинов И.И., Хайдарова А.Р., Мухаматдинова Р.Е., Аффане Б., Вахин А.В. Development of a catalyst based on mixed iron oxides for intensification the production of heavy hydrocarbon feedstocks Elsevier Ltd, Fuel Volume 312, 15 March 2022, 123005 (год публикации - 2022)
10.1016/j.fuel.2021.123005

11. Феликс Г., Тирадо А., Ченгдон Ю., Варфоломеев М.А., Анчита Х. Analysis of kinetic models for hydrocracking of heavy oils for in-situ and ex-situ applications Elsevier Ltd, Fuel, 323,124322 (год публикации - 2022)
10.1016/j.fuel.2022.124322

12. Кадкин О.Н., Михайлова А.Н., Хафизов Н.Р., Юань Ч., Варфоломеев М.А. A molecular mechanics and molecular dynamics study of the structural organization of Cu(II), Ni(II), Co(II), and Fe(II) stearates as potential catalysts for in situ upgrading of heavy oil Elsevier Ltd, Fuel, 313, 123056 (год публикации - 2022)
10.1016/j.fuel.2021.123056

13. Феликс Г., Тирадо А., Аль-Мунтасер А., Квофи М., Варфоломеев М.А., Юань Ч., Анчейта Дж. SARA-based kinetic model for non-catalytic aquathermolysis of heavy crude oil Elsevier Ltd, Journal of Petroleum Science and Engineering, 216, 110845 (год публикации - 2022)
10.1016/j.petrol.2022.110845

14. Феликс Г., Риос Дж.Дж., Тирадо А., Варфоломеев М.А., Юань Ч., Анчита Х. Monte Carlo and Sensitivity Analysis Methods for Kinetic Parameters Optimization: Application to Heavy Oil Slurry-Phase Hydrocracking American Chemical Society, Energy Fuels, 36, 9251−9260 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.energyfuels.2c02011

15. Аль-Мишаал О.Ф., Сувейд М.А., Аль-Мунтасер А.А., Хелхал М.А., Варфоломеев М.А., Джимасбе Р., Заиров Р.Р., Саид Ш.А., Воротникова Н.А., Шестопалов М.А., Юань Ч., Хакими М.Х. Octahedral Cluster Complex of Molybdenum as Oil-Soluble Catalyst for Improving In Situ Upgrading of Heavy Crude Oil: Synthesis and Application MDPI, Catalysts, 12, 1125. (год публикации - 2022)
10.3390/catal12101125

16. Закиров Т.Р., Варфоломеев М.А., Юань Ч. Characterization of dynamic adsorption regimes in synthetic and natural porous structures using lattice Boltzmann simulations Elsevier Ltd, Chemical Engineering Research and Design, 189, 14–29 (год публикации - 2023)
10.1016/j.cherd.2022.10.046

17. Закиров Т.Р., Храмченков М.Г. Effect of pore space heterogeneity on the adsorption dynamics in porous media at various convection-diffusion and reaction conditions: A lattice Boltzmann study Elsevier B.V., Journal of Petroleum Science and Engineering, 212, 110300 (год публикации - 2022)
10.1016/j.petrol.2022.110300

18. Вахин А.В. Rock Mineral Components’ Effects on Heavy and Shale Oil Transformation during Aquathermolysis MDPI, Energies, 15, 6047 (год публикации - 2022)
10.3390/en15166047

19. Садовникова М.А., Мурзаханов Ф.Ф., Мамин Г.В., Гафуров М.Р. HYSCORE Spectroscopy to Resolve Electron–Nuclear Structure of Vanadyl Porphyrins in Asphaltenes from the Athabasca Oil Sands In Situ Conditions MDPI, Energies, 15, 6204 (год публикации - 2022)
10.3390/en15176204

20. Вахин А.В., Мухаматдинов И.И., Ситнов С.А., Мухаматдинова Р.Э., Симаков Я.О., Никитина Е.А., Соловьев А.В., Сансиев Г.В., Дубровин К.А., Шарифуллин А.В., Нургалиев Д.К. Каталитическая активность сульфидов переходных металлов при деструкции смолисто-асфальтеновых веществ высоковязкой нефти в присутствии карбонатной породы в гидротермальных условиях НАУКА, Кинетика и катализ, T. 63, № 5, стр. 643-651 (год публикации - 2022)
10.31857/S0453881122050148

21. Мурзаханов Ф.Ф., Форысенкова А.А., Фадеева И.В., Мамин Г.В., Гафуров М.Р. Incorporation of Manganese (II) in Beta-Tricalcium Phosphate from EPR and ENDOR Measurements for Powders MDPI, Ceramics, 5, 318–329. (год публикации - 2022)
10.3390/ceramics5030025

22. Хельхаль М.А., Лапук С.Э., Бузюров А.В., Игнашев Н.Е., Шмелева Е.И., Мухаматдинов И.И., Вахин А.В. Thermal Behavior of Heavy Oil Catalytic Pyrolysis and Aquathermolysis MDPI, Catalysts, 12(4), 449 (год публикации - 2022)
10.3390/catal12040449

23. Хафизов Н.Р., Маджидов Т.И., Юань Ч., Варфоломеев М.А., Кадкин О.Н. Theoretical insight into the catalytic effect of transition metal ions on the aquathermal degradation of heavy oil: A DFT study of cyclohexyl phenyl amine cleavage Elsevier Ltd, Fuel, 312, 123002 (год публикации - 2022)
10.1016/j.fuel.2021.123002

24. Квофи М., Аль-Мунтасер А.А., Варфоломеев М.А., Сувейд М.А., Юань Ч., Джимасбе Р., Саид Ш.А. The effect of reaction time and temperature on the aquathermolysis process of heavy crude oil Taylor and Francis Ltd. (год публикации - 2022)
10.1080/10916466.2022.2123511

25. Михайлова А.Н., Аль-Мунтасер А.А., Сувейд М.А., Заиров Р.Р., Кадим И.Т., Джимасбе Р., Довженко А., Безкишко И.А., Зиннатуллин А., Емельянов Д.А., Рейимкулыева С.У., Вагизов Ф.Г., Юань Ч., Варфоломеев М.А. Ferrocene-based catalysts for in-situ hydrothermal upgrading of heavy crude oil: Synthesis and application Fuel, Volume 348, 15 September 2023, 128585 (год публикации - 2023)
10.1016/j.fuel.2023.128585

26. Тирадо А., Феликс Г., Сувейд М.А., Аль-Мунтасер А.А., Антоненко Д.А., Афанасьев И.С., Варфоломеев М.А., Юань Ч., Анчита Х. Modeling the Kinetics of Heavy Crude Oil Cu-Oleate Aquathermolysis Industrial & Engineering Chemistry Research, 62, 23, 9114–9122 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.iecr.3c00467

27. Закиров Т.Р., Михайлова А.Н., Варфоломеев М.А., Юань Ч. Pore-scale study of dynamic adsorption of a water-soluble catalyst during drainage displacement in porous media using lattice Boltzmann simulations International Communications in Heat and Mass Transfer, Volume 145, Part A, 106810 (год публикации - 2023)
10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.106810

28. Тирадо А., Феликс Г., Варфоломеев М.А., Юань Ч., Анчита Х. Definition of reaction pathways for catalytic aquathermolysis of Liaohe heavy crude oil Fuel, Volume 333, Part 1, 126345 (год публикации - 2023)
10.1016/j.fuel.2022.126345

29. Тирадо А., Феликс Г., Варфоломеев М.А., Юань Ч., Анчита Х. Comparison of parallel and in-series reaction schemes for kinetic modeling of VGO hydrocracking Chemical Engineering Science, Volume 267, 118314 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ces.2022.118314

30. Феликс Г., Тирадо А., Варфоломеев М.А., Юань Ч., Анчита Х. Characteristic curves correlations to predict SARA composition and gas yields during heavy crude oil non-catalytic aquathermolysis Chemical Engineering Communications, Volume 210, Issue 11 (год публикации - 2023)
10.1080/00986445.2022.2150617

31. Абдельсалам Ю.И.И., Алиев Ф.А., Хамидуллин Р.Ф., Денгаев А.В., Катнов В.Е., Вахин А.В. Catalytic Low-Temperature Thermolysis of Heavy Oil in the Presence of Fullerene C60 Nanoparticles in Aquatic and N2 Medium Catalysts, 13, 347 (год публикации - 2023)
10.3390/catal13020347

32. Абдельсалам Ю.И.И., Ахметзянова Л.А., Галиахметова Л.Х., Баймухаметов Г.Ф., Давлетшин Р.Р., Денгаев А.В., Алиев Ф.А., Вахин А.В. The Catalytic Upgrading Performance of NiSO4 and FeSO4 in the Case of Ashal’cha Heavy Oil Reservoir Processes, 11(8), 2426 (год публикации - 2023)
10.3390/pr11082426

33. Квофие М., Аль-Мунтасер А.А., Варфоломеев М.А., Сувейд М.А., Юань Ч., Джимасбе Р., Саид Ш.А. The effect of reaction time and temperature on the aquathermolysis process of heavy crude oil Petroleum Science and Technology, 2022, 1-15 (год публикации - 2023)
10.1080/10916466.2022.2123511

34. Вахин А.В., Алиев Ф.А., Мухаматдинов И.И., Ситнов С.А., Пятаев А.В., Кудряшов С.И., Афанасьев И.С., Соловьев А.В., Сансиев Г.В., Антоненко Д.А., Дубровин К.А., Симаков И.О., Шарифуллин А.В., Нургалиев Д.К. Catalytic activity of bimetallic nanoparticles based on iron and nickel sulfides for hydrogenolysis of heavy oil in case of Boca de Jaruco reservoir Molecular Catalysis, 546 (2023),113261 (год публикации - 2023)
10.1016/j.mcat.2023.113261

35. Сувейд М., Аль-Мишааль О., Аль-Мунтасер А., Варфоломеев М.А., Джимасбе Р., Рейимкулыева С., Абдулла М., Аль-Каили А., Михайлова А.Н., Зиннатуллин А., Заиров Р., Алиев Ф. ., Вагизов Ф. Water-Soluble Catalysts Based on Nickel and Iron for In-Situ Catalytic Upgrading of Boca de Jaruco high sulfur Extra-Heavy Crude Oil Energy & Fuels (год публикации - 2024)

36. Аль-Мунтасер А.А., Варфоломеев М.А., Минханов И.Ф., Болотов А.В., Сувайд М.А., Джимасбе Р., Кадыров Р.И., Ситнов С.А., Саид Ш.А., Вахин А.В., Кудряшов С.И., Афанасьев И.С. Intensified Steam Injection Process for In-Situ Upgrading and Recovery of High-Sulfur Extra-Heavy Oil by Co-Injection of Nickel-Based Oil-Soluble Catalyst and Multicomponent Hydrogen-Donor Solvent Society of Petroleum Engineers, SPE, 2023, D022S004R006 (год публикации - 2023)
10.2118/215291-MS

37. Тирадо А., Феликс Г., Квофи М., Аль-Мунтасер А., Варфоломеев М.А., Чэндонг Ю., Анчита Х. Kinetics of heavy oil non-catalytic aquathermolysis with and without stoichiometric coefficients Elsevier Ltd, Fuel, 323, 124365 (год публикации - 2022)
10.1016/j.fuel.2022.124365

38. Феликс Г., Тирадо А., Варфоломеев М.А., Аль-Мунтасер А., Сувейд М., Анчита Х. Aquathermolysis of Ashalcha heavy crude oil using an oil-soluble catalyst and a hydrogen donor: A kinetic study Journal of Molecular Liquids, Том 41015, Номер статьи 125670 (год публикации - 2024)
10.1016/j.molliq.2024.125670

39. Закиров Т.Р., Жучкова О.С., Михайлова А.Н., Варфоломеев М.А. Mathematical Modeling of Dynamic Adsorption of Amphiphilic Catalyst During Two-phase Flow in Porous Media LOBACHEVSKII JOURNAL OF MATHEMATICS (год публикации - 2024)

40. Тирадо А., Феликс Г., Аль-Мунтасер А.А., Сувейд М.А., Варфоломеев М.А., Анчита Х. Kinetics of Non-Catalytic Aquathermolysis of Heavy Crude Oil in the Presence of a Hydrogen Donor Industrial & Engineering Chemistry Research, 63.19 (2024): 8601-8609 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.iecr.4c00660

41. Тирадо А., Феликс Г., Варфоломеев М.А., Анчита Х. Effect of feedstock properties on the kinetics of hydrocracking of heavy oils Geoenergy Science and Engineering, Том 233, Номер статьи 212603 (год публикации - 2024)
10.1016/j.geoen.2023.212603

42. Чжоу Х, Аль-Мунтасер А.А., Варфоломеев М.А., Неклюдов В., Саид Ш.А., Сувайд М.А., Феоктистов Д.А., Мингазов Г.З., Джимасбе Р., Хелил И., Хоссейнпур М., Рахматуллин И.З. Hydrogen-donating capacity of hydrothermal system in catalytic and non-catalytic desulfurization of sulfur compound of unconventional crudes and residues: Deuterium tracing study Chemical Engineering Journal, Том 4951, Номер статьи 153626 (год публикации - 2024)
10.1016/j.cej.2024.153626

43. Хамиева А.Н., Аль-Мунтасер А.А., Сувейд М.А., Джимасбе Р., Рейимкулыева С.У., Емельянов Д.А., Варфоломеев М.А. Synthesis and Application of a Ni-Based Dispersed Catalyst for Hydrothermal Upgrading of Heavy Crude Oil Energy and Fuels, 38 (2), 1204-1215. (год публикации - 2024)
10.1021/acs.energyfuels.3c04400

44. Феликс Г., Тирадо А., Варфоломеев М.А., Сувейд М.А., Аль-Мунтасер А., Мухаматдинов И.И., Ситнов С.А., Вахин А.В., Кудряшов С.И., Анчита Х. Kinetic model for Boca de Jaruco heavy crude oil catalytic aquathermolysis using NiSO4 catalyst Fuel, Том 3711, Номер статьи 131946 (год публикации - 2024)
10.1016/j.fuel.2024.131946

45. Каюкова Г.П., Хасанова Н.М., Михайлова А.Н., Насырова З.Р., Вахин А.В. An EPR Study of the Effect of Thermochemical Processes on the Transformations of the Organic Matter and Mineral Matrix of a Bituminous Rock Petroleum Chemistry, Vol. 64, No. 5, pp. 523–539 (год публикации - 2024)
10.1134/S0965544124040078

46. Латыпова Л.Р., Мухаматдинов И.И., Родионов А.А., Шуртакова Д.В., Гафуров М.Р. Temperature Dependence of the Electron Spin–Lattice Relaxation Time of Vanadyl Porphyrins in Asphaltenes from the Ashalcha Oilfeld Applied Magnetic Resonance, Том 55, Выпуск 9, Страницы 1221 - 1232 (год публикации - 2024)
10.1007/s00723-024-01700-9

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На заключительном этапе выполнения проекта, главной целью которого является разработка новых технологических подходов для каталитического внутрипластового облагораживания высоковязких и сверхвязких нефтей, на основании данных предыдущих трех лет его реализации по использованию водо- и нефтедиспергируемых катализаторов, а также соединений-доноров водорода при акватермолизе тяжелой нефти, проведены эксперименты по каталитическому облагораживанию нефти в присутствии различных типов минералов, содержащихся в песчаниках и карбонатных породах нефтяных месторождений. В качестве объектов исследования были изучены образцы нефтесодержащей породы-песчаника Ашальчинского месторождения и карбонатной породы месторождения Бока де Харуко при температурах 200, 250 и 300°С и разной продолжительности времени воздействия. По результатам проведенных экспериментов выявлены наиболее эффективные каталитические системы из числа водорастворимых - водный раствор сульфата никеля с растворителем тетралином, из нефтедиспергируемых – смесевой таллат железа с никелем при соотношении 75/25 с нефрасом, установлена оптимальная температура – 300°С, для протекания процессов облагораживания, обеспечивающих значимое повышение подвижности нефти в пористой минеральной среде. Опыты при 300°С для обоих типов катализаторов и пород-коллекторов обеспечивают увеличение выделяющихся газов, в том числе СО2 и н-алканов при снижении сероводорода. В присутствии минералов карбонатной породы водорастворимый катализатор (NiSO₄) обеспечил увеличение насыщенных УВ до 40,78%, нефтерастворимый катализатор (таллат Fe/Ni) до 41,66%, снижение асфальтенов до 10,54%, таллат Fe/Ni – до 7,27%, при этом их молекулярная масса снизилась с 1586 а.е.м до 1068 а.е.м, а вязкость относительно исходного битумоида (1048000 мПа•с) до 834 мПа•с и 387 мПа•с, соответственно. Для минералов песчаника введение Fe/Ni катализатора с нефрасом при 300°С обеспечивает снижение вязкости до 10000 мПа•с относительно исходного экстракта (95000 мПа•с), катализатора NiSO₄ с тетралином – до 5000 мПа•с. Результаты ГХ-МС свидетельствуют об увеличении доли алкилбензолов С19-С26 и бензотиофенов в 2 раза по сравнению с исходным битумоидом. Важность роли минеральных пород в процессе внутрипластового облагораживания нефти определяется их физическим и химическим влиянием на работу катализаторов. Минералы стабилизируют нанодисперсные частицы катализатора, предотвращая их агломерацию и потерю активности. Согласно данным СЭМ, размер частиц 50–90 нм обеспечивает высокую площадь поверхности для каталитических реакций. Пористость и морфология минеральной матрицы влияют на равномерное распределение катализатора, обеспечивая доступ к активным центрам и увеличивая эффективность реакций преобразования УВ. Установлено, что благодаря пористой структуре кварца катализатор распределяется равномерно по поверхности, что увеличивает площадь контакта с УВ и улучшает эффективность процесса акватермолиза. Согласно построенным кинетическим моделям для каталитического акватермолиза насыщенной нефтью породы установлено, что карбонатная порода препятствует получению легких фракций из асфальтенов путем параллельных реакций во время каталитического акватермолиза, однако она усиливает последовательные реакции крекинга от асфальтенов до смол и ароматических УВ. На основе данных по количественному составу подфракций смол и асфальтенов и данных, полученных методами ИК, ЭПР и ЯМР анализа исследован механизм трансформации высокомолекулярных компонентов нефти при внутрипластовом облагораживании. По данным ЭПР-спектров, асфальтены в составе нефти после паротеплового воздействия практически полностью состоят из соединений парамагнитного характера. Асфальтены ассоциированы в нефтях с металлопорфиринами, характерным свойством которых является их способность к осаждению при определенных условиях. После ПТВ с водо- и нефтерастворимым катализатором возрастает количество свободных радикалов. При этом карбено-карбоиды из фракционированных асфальтенов обладают наивысшей концентрацией парамагнитных центров. По данным квантово-химических расчетов с применением молекулярно-динамического моделирования и топологического подхода к анализу отдельных химических взаимодействий, разработана методология, позволяющая комплексно описать процессы каталитического акватермолиза от введения нефтерастворимого прекурсора гетерогенного катализатора до непосредственного механизма реакций, протекающих на поверхности катализатора. Проведен комплексный анализ процессов статической и динамической адсорбции водо- и нефтерастворимых катализаторов. Выявлены взаимосвязи между динамической адсорбцией и распределением катализатора по пористости, выделены механизмы взаимодействия катализаторов с поверхностью породы в пористой среде. Использование 4D-микротомографии позволило визуализировать распределение катализаторов в различных зонах порового пространства. Разработана математическая модель конвективно-диффузионного переноса водо- и нефтерастворимого катализатора при многофазных течениях в цифровом керне с учетом явлений динамической адсорбции, учитывающая ключевые параметры разработки месторождения: скорость потока, вязкость и плотность флюидов, краевой угол смачивания, межфазное натяжение, коэффициент диффузии и константы массообмена, описывающие адсорбцию катализатора. На основе полученных экспериментальных данных и рассчитанных кинетических моделей построена гидродинамическая одномерная модель механизмов процессов каталитического акватермолиза в пористой среде, по результатам расчета которой при вытеснении нефти в пористой среде с закачкой водорастворимого катализатора достигнуто увеличению нефтевытеснения на 8.36%, с распределением нефтерастворимого катализатора – 17.1 %, что согласуется с результатами лабораторных экспериментов. За счет средств индустриального партнера произведено 30 тонн товарной формы катализаторы и выполнены пилотные испытания на месторождении Бока де Харуко. В результате опытного применения показано увеличение нефтеотдачи более, чем на 30 %, что подтверждает работоспособность разработанной в рамках проекта технологии. Таким образом, запланированные на четвертый год работы успешно завершены, а заявленные ожидаемые результаты - достигнуты. Опубликовано с учетом индексации по квартилям - 16 статей. Подано две заявки на патенты: способ оценки динамической адсорбции каталитических элементов из композиций на породах-коллекторах и композиция для повышения извлечения трудноизвлекаемой нефти и способ ее получения. Проведена научная школа молодых ученых «Каталитическое облагораживание тяжелой нефти-IV» с участием международных экспертов. Полученные результаты дают хорошую базу для успешного завершения работ по проекту.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Данные, полученные в ходе реализации данного проекта, могут представлять интерес для ряда производственных и научно-технических предприятий, занимающихся разработкой и внедрением новых технологий добычи и переработки нетрадиционных видов нефтяного сырья: АО "Зарубежнефть", ПАО «ТАТНЕФТЬ», ПАО «Газпром», ПАО «Роснефть», ПАО «ЛУКОЙЛ» (ПЕРЬМНИПИНЕФТЬ), ОАО «ВНИПИНЕФТЬ», ООО НИИГАЗЭКОНОМИКА, АО НВНИИГГ, ООО «НОВАТЭК», НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСИЙ ЦЕНТР, ООО «РН-БАШНИПИНЕФТЬ» и др. и способствовать созданию новых и усовершенствованию существующих технологий по разработке тяжелых и высоковязких нефтей, что соответствует направлению из Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, касающейся перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышения эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья и формирования новых источников энергии.