Композиция реагентов для химической конверсии битуминозной нефти при закачке пара Российский патент 2023 года по МПК B01J23/04 B01D11/04 B82Y40/00 

Изобретение относится нефтегазодобывающей промышленности, а именно к добыче битуминозной нефти (с плотностью свыше 0,891 г/см³ и/или вязкостью свыше 1000 мПа⋅с, с содержанием смол от 20 до 90% и асфальтосмолопарфиновые отложений (АСПО) от 6 до 19%) при закачке пара при помощи паро-гравитационного воздействия на пласт (ПГВ) с использованием гидрореагирующего вещества, водород-донорного растворителя и водно-спиртового состава.

Известен способ получения наноразмерного катализатора на основе смешанного оксида железа Fe₃O₄ для интенсификации добычи тяжелого углеводородного сырья (патент RU № 2655391, МПК B01J 23/745, B01J 37/04, B01J 37/30, B01J 37/34, C01G 49/08, опубл. 28.05.2018 Бюл. № 16), который ведут при комнатной температуре и атмосферном давлении посредством смешения двух предварительно приготовленных водных растворов, при этом первый водный раствор состоит из смеси солей железа Fe²⁺ и Fe³⁺, второй водный раствор состоит из осадителя, в качестве последнего используют основные гидроксиды, например гидроксид аммония, гидроксиды щелочноземельных металлов, и стабилизирующего вещества, в качестве которого используют поверхностно-активные вещества, при этом процесс смешивания ведут при непрерывном кавитационном воздействии посредством ультразвукового диспергатора в течение не более тридцати минут, с получением золя смешанного оксида железа Fe₃O₄, далее полученную реакционную массу подвергают обработке ионнообменными смолами без отключения кавитационного воздействия на массу, при этом ионообменные смолы добавляют в реакционную массу до тех пор, пока значение pH массы не достигнет нейтрального значения, с получением целевого продукта.

Сущностью известного технического решения по отношению к составу является катализатор на основе смешанного оксида железа Fе₃O₄ для интенсификации добычи тяжелого углеводородного сырья, представляющий собой золь магнетита с химической формулой Fe₃O₄ с размерами частиц, находящимися в диапазоне от 50 до 165 нм и их объемной концентрацией на уровне не менее 90% от объема полученного целевого продукта.

Недостатком предлагаемого катализатора является низкая степень конверсии АСПО при его использовании из-за отсутствия источников донора водорода и источника гидроксид ионов, создающих благоприятную среду для ряда химических реакций обеспечивающих снижение содержания CAB [Clark P.D., Hyne J.В., Tyrer J.D. Some Chemistry of Organosulphur Corn-pound Types Occurring in Heavy Oil Sands. 2. Influence of pH on the High Tem-perature Hydrolysis of Tetrahydrothiophene and Thiophene // Fuel. - 1984. - V. 63. - P. 125-128]. Так, при 250°C в заявленном техническом решении CAB снижается на 20% (35,3-28,4%), в то время как у прототипа CAB снижается при 250°С только на 11% (33,2-29,7%).

Наиболее близким по технической сущности является композиция реагентов для химической конверсии тяжелой нефти при закачке пара и интенсификации нефтеотдачи (патент RU № 2725624, МПК B01J 23/00, B01J 23/74, B01D 11/04, B82Y 40/00, опубл. 03.07.2020 Бюл. № 19), включающая наноразмерный катализатор на основе смешанного оксида переходных металлов, где металлы выбраны из группы: Сг, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn, Mo, водород-донорный растворитель нефрас С4-155/205, и спирто-щелочной состав, который представляет собой раствор гидроксида натрия в этиловом спирте с концентрацией от 0,1 до 20 мас. %, где композиция реагентов содержится в соотношении: наноразмерный катализатор на основе смешанного оксида переходных металлов: нефрас С4 - 155/205: спирто-щелочной состав = 1-30 мас. % : 98-50 мас. % : 1-20 мас. %.

Недостатками данной композиции являются высокие затраты энергии на прогрев пласта, так как при химической реакции оксидов металлов группы: Сг, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn, Mo выделение тепла в 2,5–3,2 раза меньше и с возможностью обратной реакции водорода, чем при аналогичной реакции щелочных металлов группы: Li, Na, К, где реакция не имеет обратного действия, так как выделенный водород (H₂) связывает радикалы, а образующаяся щелочь добавляет интенсивности при разложении АСПО (ускоряет процесс 1,4–2 раза).

Техническим результатом предполагаемого изобретения являются создание композиции реагентов для химической конверсии тяжелой нефти при закачке пара, позволяющей обеспечить более интенсивный прогрев пластов и экономию энергии за счет экзотермической реакции щелочных металлов с водой и разложение АСПО под воздействием образующейся щелочи.

В качестве технического решения предлагается композиция реагентов для химической конверсии битуминозной нефти при закачке пара, включающая гидрореагирующее вещество с наноразмерным содержанием металла, водород-донорный растворитель нефрас С4-155/205 и водно-спиртовая смесь.

Новым является то, что гидрореагирующее вещество с содержанием наноразмерного металла состоит из щелочных металлов из группы Li, Na, K, в качестве спирта – алифатический спирт с общей формулой C_nH_(2n+1)OH, где n=1÷4, причем соотношение спирта и воды равно (1÷5):1, где композиция реагентов образована в соотношении: гидрореагирующего вещества на основе одного из щелочных металлов: нефрас С4 - 155/205: водно-спиртовой смеси = 1-5 мас. % : 55-89 мас. % : 10-30 мас. %.

Композиция реагентов для химической конверсии тяжелой нефти при закачке пара включает гидрореагирующее вещество с наноразмерным содержанием щелочных металлов из группы Li, Na, K, водород-донорный растворитель нефрас С4-155/205 и водно-спиртовую смесь, где в качестве спирта использован алифатический спирт с общей формулой C_nH_(2n+1)OH, где n=1÷4. Причем соотношение спирта и воды равно (1÷5):1. Композиция реагентов образована в соотношении: гидрореагирующего вещества на основе одного из щелочных металлов: нефрас С4 - 155/205: водно-спиртовой смеси = 1-5 мас. % : 55-89 мас. % : 10-30 мас. %.

При обработке нефтяного пласта существуют ограничения по глубине и факторам воздействия из-за снижения скорости и интенсивности химико-физических процессов по мере продвижения закачиваемых активных жидкостей от забоя скважины в глубь пласта.

Устранение описанной выше проблемы, по мнению авторов, возможно благодаря применению разработанного состава на основе гидрореагирующего вещества, водород-донорного растворителя и водно-спиртовой смеси.

Гидрореагирующее вещество с наноразмерным содержанием щелочного металла (например, диспергированный металлический Na) при взаимодействии с пластовой водой и конденсированным паром по реакции:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ + 168 кДж,

способствует интенсивному прогреву жидкости в продуктивном пласте, образованию газообразного водорода и выделению дополнительного тепла, ионы образующегося NaOH снижают межфазное натяжение парафинов и асфальтенов. При контакте щелочи с тяжелой нефтью происходит взаимодействие щелочи и органических кислот, содержащихся в составе нефти (в основном это нафтеновые кислоты), в результате чего образуются поверхностно-активные вещества, которые способствуют снижению межфазного натяжения на границе раздела фаз «нефть-водная фаза» и увеличивающие смачиваемость породы водой.

Использование водород-донорных растворителей благоприятствует переносу водорода к свободным радикалам, образующимся в процессе гидротермальной обработки, тем самым обеспечивается их насыщение и предотвращается рекомбинация.

Использование водно-спиртовой смеси в общем составе препятствует набуханию глинистых минералов и разрушению скелета породы (ярко проявляется при наличии глинистых минералов более 3,5% от литологического состава коллектора).

Вследствие совокупного действия описанных выше процессов поры освобождаются от тяжелых фракций нефти, увеличивая фильтрационно-емкостные свойства продуктивного пласта, а также обеспечивается химическая конверсия и снижение вязкости тяжелой нефти, что приводит к облегчению ее добычи и увеличению нефтеотдачи (процент извлекаемой нефти от разведанных запасов, то есть коэффициент извлечения нефти – КИН).

Пример конкретного выполнения.

Для приготовления композиции реагентов применялись следующие ингредиенты:

Натрий металлический кусковой является товарным продуктом (ГОСТ 3273-75 Натрий металлический технический. Технические условия).

Калий металлический кусковой является товарным продуктом (ГОСТ 10588-75 Калий металлический технический. Технические условия).

Литий металлический кусковой является товарным продуктом (ГОСТ 8774-75 Литий. Технические условия).

Вазелиновое масло является товарным продуктом (ГОСТ 3164-78 Масло вазелиновое медицинское. Технические условия).

Орто-ксилол является товарным продуктом (ГОСТ 9410-78 Ксилол нефтяной. Технические условия).

Толуол является товарным продуктом (ГОСТ 14710-78 Толуол нефтяной. Технические условия).

Причем щелочной металл доводится до наноразмерного состояния (5 – 155 нм).

Сначала получают композиции, включающей гидрореагирующее вещество на основе наноразмерного щелочного металла, где металл выбран из группы: Li, Na, K, диспергированного в среде растворителя нефрас С4-155/205, и водно-спиртовая смесь, состоящая из алифатического спирта с общей формулой C_nH_(2n+1)OH, при n=1÷4.

Затем полученные композиции используют по назначению - для химической конверсии битуминозной нефти при гидротермальной обработке пласта, для чего композицию реагентов закачивают в пласт в пределах 1 – 10 мас. %. На способы закачки авторы не претендуют.

Концентрация композиции реагентов в интервале от 1 до 10% является наиболее эффективной, поскольку экспериментально установлено, что концентрации менее 1 мас. % недостаточно для деструкции АСПО и снижения ее вязкости, концентрации от 1 мас. % и более достаточно для деструкции АСПО и снижения вязкости, а более 10 мас. % - вводить нецелесообразно, так как с технической точки зрения значительно усложняется процесс получения стабильной дисперсии композиции реагентов в среде растворителя, что влечет за собой значительные экономические издержки при промышленном использовании (значительный рост количества используемых реагентов при незначительном росте эффективности). В композиции реагентов в интервале от 1 до 10 % способствует значительному снижению содержания АСПО и вязкости нефти при 20, 50, 80 и выше °С, практически в линейной зависимости.

Апробацию проводили на образцах нефтесодержащей породы Ашальчинского месторождения Республики Татарстан (РТ) при давлении близкой к пластовой 0,4 МПа со следующими характеристиками нефти: содержание АСПО 35,6%, а вязкость - 3650 мПа⋅с для 20°С. В результате воздействия совместно с паром мас. 4 % композиции реагентов с наноразмерным щелочным металлом (Na) на нефть: АСПО снизилось с 35,6% до 16%, вязкость снизилась с 3650 мПа⋅с до 250 мПа⋅с, в диапазоне температур от 20°С до 300°С, а отбираемая температура продукции образца при давлении закачки 4,0 МПа повышалась на 9-11% относительно создаваемой из вне только за счет реакции щелочных металлов композиции реагентов с водой.

Заявленное техническое решение в эксперименте осуществляется по следующим этапам:

На 1 этапе получают композиции, включающей гидрореагирующее вещество на основе наноразмерного щелочного металла, где металл выбран из группы: Li, Na, K, диспергированного в среде растворителя нефрас С4-155/205, и водно-спиртовая смесь, состоящая из алифатического спирта с общей формулой C_nH_(2n+1)OH в различных соотношениях. Берут металлический натрий и измельчают его с помощью ультразвукового процессора, например, производства фирмы Hielscher в среде растворителя нефрас С4-155/205 в течении до 15 минут в зависимости от соотношения щелочного металла. Затем путем обычного смешивания дистиллированной воды и изопропилового спирта получают водно-спиртовую смесь.

В результате указанных действий получают состав заявленной композиции: наноразмерный Na + нефрас С4-155/205 + водно-спиртовая смесь, причем для остальных примеров реализации соотношение компонентов заявленного состава композиции меняют, используя пограничные значения концентрации компонентов композиции:

Опыты 1:

металлический Na : нефрас С4-155/205 : водно-спиртовая смесь = 1% : 89% : 10%

Опыты 2:

металлический Na : нефрас С4-155/205 : водно-спиртовая смесь = 3% : 82% : 15%

Опыты 3:

металлический Na : нефрас С4-155/205 : водно-спиртовая смесь = 5% : 65% : 30%

Опыты 4:

металлический Li : нефрас С4-155/205 : водно-спиртовая смесь = 1% : 89% : 10%

Опыты 5:

металлический K : нефрас С4-155/205 : водно-спиртовая смесь = 1% : 89% : 10%

Получают целевой продукт – композиция реагентов для химической конверсии тяжелой нефти при гидротермальной обработке пласта.

На 2 этапе полученные на 1 этапе композиции используют по назначению - для химической конверсии тяжелой нефти при гидротермальной обработке пласта, способствующая увеличению нефтеотдачи. Эффективность при использовании по назначению заявленного технического решения была апробирована на образцах нефти Ашальчинского месторождения РТ, разрабатываемого с применением паротепловой обработки продуктивного пласта, содержащего флюид в виде водо-нефтяной эмульсии (далее по тексту - облагораживаемой нефти). Для экспериментов использовали реактор высокого давления, например, производства фирмы Parr instrument (г. Молин, Иллинойс, США).

Заявленный состав композиции для подземного облагораживания тяжелой нефти при закачке пара используют следующим образом: 1. На образцах породы проводят определение содержания смолисто-асфальтеновых веществ при проведении SARA-анализа согласно методике ASTM D2007 recommendations, вязкость определяется при помощи, например, ротационного вискозиметра «Alpha» фирмы «Fungilab» с термостатом фирмы «Huber» марки «Microprocessor Control MPC». 2. В реактор высокого давления Parr Instrument загружают последовательно водно-спиртовую смесь, исследуемый нефтенасыщенный образец, гидрореагирующее вещество, диспергированное в среде растворителя, при комнатной температуре, например, 20-25°С.

На 3 этапе полученную систему нагревают до заданной температуры в интервале от 20 до 300°С (например, 20, 50, 80, и до 300,), при этом часть воды переходит в паровую фазу.

Следует пояснить, что при достижении заданной температуры от 20 до 300 °С в ходе процесса образования пара в реакторе повышается давление от 0,1 до 4,0 МПа, что необходимо для моделирования условий процесса паротеплового воздействия в пласте.

Продолжительность проведение эксперимента в реакторе-автоклаве составляет 24 часа.

Затем отключают реактор, охлаждают его при комнатной температуре, стравливают давление.

Полученную водо-нефтяную эмульсию центрифугируют с целью отделения нефти от воды.

Полученную облагороженную нефть отправляют на определение:

- содержания смолисто-асфальтеновых веществ (CAB);

- вязкости.

Указанные параметры (содержание CAB и вязкость) характеризуют достижение заявленного технического результата - композиция способствующая химической конверсии тяжелой нефти при гидротермальной обработке пласта и способствующая увеличению нефтеотдачи.

Результаты химической конверсии тяжелой нефти Ашальчинского месторождения РТ при различных температурах и различных содержаниях наноразмерного щелочного металла в композиции с нефрасом С4 155/205 и водно-спиртовой смеси сведены в таблицу.

Таблица

Температура воздействия, °С №№ опыта Содержание реагентов в композиции, % Содержание асфальто-смолистых веществ, масс.% Вязкость (при 20°С, мПа⋅с Нанодисперсный металл Нефрас Водно-спиртовая смесь 20 базовые значения 35,6 3650 50 1 1 89 10 27,4 2270 2 3 82 15 26,1 2252 3 5 65 30 26,3 2214 4 1 89 10 27,5 2286 5 1 89 10 27,3 2221 80 1 1 89 10 21,3 2010 2 3 82 15 20,4 2030 3 5 65 30 20,1 2022 4 1 89 10 21,4 2015 5 1 89 10 21,2 2005 150 1 1 89 10 16,8 1940 2 3 82 15 16,6 1870 3 5 65 30 15,4 1750 4 1 89 10 16,9 1920 5 1 89 10 16,8 1910 200 1 1 89 10 16,4 876 2 3 82 15 16,1 866 3 5 65 30 16,1 865 4 1 89 10 16,5 871 5 1 89 10 15,6 875 250 1 1 89 10 16,0 394 2 3 82 15 15,3 388 3 5 65 30 15,2 376 4 1 89 10 15,9 392 5 1 89 10 16,0 393 300 1 1 89 10 16,2 248 2 3 82 15 16,0 247 3 5 65 30 15,8 244 4 1 89 10 16,1 251 5 1 89 10 16,2 250

При этом заявитель поясняет, что чем ниже значения CAB и вязкости, тем выше химическая конверсия тяжелой нефти при гидротермальной обработке пласта, способствующая увеличению нефтеотдачи. Из результатов анализа данных следует, что совместное применение гидрореагирующего вещества на основе щелочного металла, растворителя и водно-спиртовой смеси при концентрации гидрореагирующего вещества в интервале от 1 до 5 % способствует снижению содержания АСПО и вязкости нефти при 20, 50, 80 и до 300°С, что, в свою очередь, приводит к повышению химической конверсии тяжелой нефти при гидротермальной обработке образца нефтенасыщенной породы, способствующей увеличению нефтеотдачи.

Предлагаемая композиция реагентов для химической конверсии тяжелой нефти при закачке пара позволяет обеспечить более интенсивный прогрев пластов и экономию энергии за счет экзотермической реакции щелочных металлов с водой и разложение АСПО под воздействием образующейся щелочи.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к добыче битуминозной нефти при закачке пара при помощи парогравитационного воздействия на пласт (ПГВ) с использованием гидрореагирующего вещества, водород-донорного растворителя и спиртощелочного состава. Раскрывается композиция реагентов для химической конверсии тяжелой нефти при закачке пара. Композиция включает гидрореагирующее вещество с наноразмерным содержанием щелочных металлов из группы Li, Na, K, водород-донорный растворитель нефрас С4-155/205 и водно-спиртовую смесь. В качестве спирта использован алифатический спирт с общей формулой C_nH_(2n+1)OH, где n=1÷4. При этом соотношение спирта и воды равно (1÷5):1. Композиция реагентов образована в соотношении: гидрореагирующее вещество на основе одного из щелочных металлов : нефрас С4-155/205 : водно-спиртовая смесь = 1-5 мас. % : 55-89 мас. % : 10-30 мас. %. Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание композиции реагентов для химической конверсии тяжелой нефти при закачке пара, позволяющей обеспечить более интенсивный прогрев пластов и экономию энергии за счет экзотермической реакции щелочных металлов с водой и разложение асфальтосмолопарафиновых отложений под воздействием образующейся щелочи. 1 табл., 5 пр.

Композиция реагентов для химической конверсии битуминозной нефти при закачке пара, включающая гидрореагирующее вещество с наноразмерным содержанием металла, водород-донорный растворитель нефрас С4-155/205 и водно-спиртовую смесь, отличающаяся тем, что гидрореагирующее вещество с наноразмерным содержанием металла состоит из щелочных металлов из группы Li, Na, K, в качестве спирта – алифатический спирт с общей формулой C_nH_(2n+1)OH, где n=1÷4, причем соотношение спирта и воды равно (1÷5):1, где композиция реагентов образована в соотношении: гидрореагирующее вещество на основе одного из щелочных металлов : нефрас С4-155/205 : водно-спиртовая смесь = 1-5 мас. % : 55-89 мас. % : 10-30 мас. %.