Исследование кинетических особенностей образования смолисто-асфальтеновых веществ в процессе термолиза нефтяных масел

По мере развития нефтедобывающей промышленности было
сформировано представление о традиционных и нетрадиционных
углеводородных ресурсах. Постепенное исчерпание запасов традиционных
углеводородов, в первую очередь легких нефтей, поэтапно вынуждает
разрабатывать залежи с запасами нетрадиционных углеводородных ресурсов.
К нетрадиционным ресурсам обычно относят различного рода
трудноизвлекаемое углеводородное сырье, в том числе тяжелые и
сверхтяжелые нефти, нефтяные пески, природные битумы, мировые
доказанные запасы которых позволят покрыть дефицит легких нефтей в
долгосрочной перспективе.
Вовлечение тяжелого углеводородного сырья в хозяйственный оборот
осложняется их физическими и химическими свойствами. Такое сырье имеет
плотность не менее 920 кг/м3 и вязкость 10000 мПа·с и выше, что
значительно усложняет добычу и транспортировку нефтей. Но одна из
главных проблем находится в особенностях состава тяжелых нефтей и
природных битумов – высокое количество высокомолекулярных смолисто-
асфальтеновых соединений. Содержание смол в сырье может достигать 57, а
асфальтенов 60 % мас. Кроме того, они включают ряд гетероатомов: сера,
азот, кислород, а также металлы [1]. Эти соединения приводят к образованию
кокса и дезактивации катализатора в процессе термической переработки
нефти. В связи с этим термические и термокаталитические способы
переработки тяжелых углеводородов, на данном этапе развития технологии,
не дают необходимой глубины, зачастую являются нерентабельным
процессом и требует разработки более эффективных подходов. Для
модернизации современной нефтеперерабатывающей промышленности
требуется более глубокое изучение смолисто-асфальтеновых соединений и
их поведения при использовании различных условий и режимов переработки
нефти.
Современные исследования преимущественно направлены на изучение
химических превращений нативных смол и асфальтенов в процессах
нефтепереработки. При этом крайне мало исследований, касающихся
изучения состава, структуры и механизмов формирования вторичных
смолисто-асфальтеновых веществ из масел тяжелых нефтей, содержащих
значительные количества высокомолекулярных насыщенных и
ароматических углеводородов с примесью гетероатомных соединений.
Новообразованные смолисто-асфальтеновые вещества оказывают не менее
пагубное влияние на эффективность переработки тяжелых нефтей, чем
нативные смолы и асфальтены. В связи с этим, изучение данного явления
представляется крайне актуальным и необходимым в рамках разработки
селективных методов борьбы с образованием дополнительных количеств
смолисто-асфальтеновых веществ с целью повышения глубины переработки
тяжелого углеводородного сырья.
1.1. Современное состояние ресурсной базы углеводородного сырья
В современном мире нефтяные ресурсы не теряют своей актуальности
перед альтернативными источниками энергии. В свою очередь традиционные
запасы, то есть те, которые добываются и перерабатываются
существующими методами, весьма ограничены и составляют до 165 млрд. т.
Но проблемой для мировой нефтяной отрасли является не столько
физическая нехватка нефтяных ресурсов, сколько необходимость перехода к
разработке нетрадиционных нефтяных запасов. К последним относят такие
запасы, для добычи и переработки которых, требуется модернизация
технологической базы, как следствие, нужда в значительных финансовых
вложениях. В ряду нетрадиционных ресурсов различают нефти
низкопроницаемых коллекторов (например, сланцевые нефти),
синтетические нефти из керогенсодержащих пород, тяжелые нефти и
природные битумы. И, если сланцевая нефть по своим физико-химическим
свойствам аналогична традиционным нефтяным ресурсам, а различается
сложностью добычи, то тяжелые нефти и природные битумы выделяются
высокими значениями плотности и вязкости, что осложняет и добычу, и
переработку. Нетрадиционные ресурсы уже сейчас занимают место на
нефтяном рынке. Так сланцевые нефти при определенных показателях
предложения конкурируют с традиционными ресурсами. В свою очередь
тяжелое нефтяное сырье, вовлеченное в нефтяную отрасль на примере
Канады, имеет значительный потенциал (их запасы превосходят запасы
легкой нефти) для наращивания своей доли в рынке.
По данным Французского института нефти запасы тяжелой нефти
представляют собой 4,7 трлн. баррелей нефтяного эквивалента, из которых
до одного триллиона баррелей подлежит извлечению [2]. В работе [3]
показано, что семьдесят одно месторождение с тяжелой и битуминозной
нефтью содержат 82 % от всех мировых запасов нефти. Канада и Венесуэла
обладают статусом лидера по запасам тяжелого углеводородного сырья:
соответственно, до 415 и до 320 млрд. т. Крупнейшие месторождения –
Атабаска и Ориноко. Запасы Российской Федерации составляют около 75
млрд. т., сосредоточенных в пятистах месторождениях. К административным
единицам, обладающим высокими запасами тяжелого сырья, относятся
Архангельская, Пермская, Ульяновская, Самарская, Сахалинская области,
республики Татарстан, Башкортостан, Удмуртия, Красноярский край.
Крупнейшие месторождения: Ашальчинское, Усинское, Русское, Северо-
Комсомольское, Гремихинское [4,5].