Сверхкритические технологии в нефтегазовой отрасли
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Низов Василий Александрович
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 116
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0476-1
Артикул: 744496.01.99
Дана общая характеристика свойств сверхкритических флюидов. Предложены методы использования сверхкритической воды для добычи углеводородов баженовской свиты и увеличения дебита скважин. Приведены примеры из отечественной практики. Рассмотрены возможности использования выведенных из эксплуатации нефтегазовых скважин для переработки стойких органических загрязнителей.
Для специалистов нефтегазовой отрасли, преподавателей, аспирантов и студентов нефтегазовых направлений подготовки.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 21.04.01: Нефтегазовое дело
- ВО - Специалитет
- 21.05.05: Физические процессы горного или нефтегазового производства
- 21.05.06: Нефтегазовые техника и технологии
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
В. А. Низов СВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ Монография Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020
УДК 622.323/.324:536.4 ББК 33.36:22.317 Н61 Низов, В. А. Н61 Сверхкритические технологии в нефтегазовой отрасли : монография / В. А. Низов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. – 116 с.: ил., табл. ISBN 978-5-9729-0476-1 Дана общая характеристика свойств сверхкритических флюидов. Предложены методы использования сверхкритической воды для добычи углеводородов баженовской свиты и увеличения дебита скважин. Приведены примеры из отечественной практики. Рассмотрены возможности использования выведенных из эксплуатации нефтегазовых скважин для переработки стойких органических загрязнителей. Для специалистов нефтегазовой отрасли, преподавателей, аспирантов и студентов нефтегазовых направлений подготовки. УДК 622.323/.324:536.4 ББК 33.36:22.317 ISBN 978-5-9729-0476-1 © Низов В. А., 2020 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 2
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ................................................................................................. 4 Введение ........................................................................................................ 5 ГЛАВА I. Сверхкритические флюиды. Физико-химические свойства и особенности структурных связей воды в суб- и суперкритическом состоянии ........................................................... 8 ГЛАВА II. СКВ-процессы в природе и технике .......................................... 31 ГЛАВА III. СКВ-технологии применительно к проблемам нефтеизвлечения на поздних стадиях разработки нефтегазовых месторождений .................................................................... 48 ГЛАВА IV. Гидрирование в пластовых условиях ...................................... 72 ГЛАВА V. Переработка СОЗ с использованием автономных источников водорода и нефтегазодобывающих скважин .............................................................. 93 Заключение ............................................................................................... 107 Библиографические ссылки .................................................................. 108 3
ПРЕДИСЛОВИЕ Неимоверная степень усложнения технических систем, достигнутая в 2000-е годы, привела к разноплановому их пониманию и использованию в потребительской сфере. Так, современные информационные системы восприняты с большим энтузиазмом практически во всех областях коммуникаций. И совершенно неважно при этом, что основная масса пользователей услуг не понимает, как на физическом уровне все это происходит. Межконтинентальный характер общения, деловых связей и взаиморасчетов очень быстро преодолел барьер недоверия благодаря очевидности результатов всеобщей значимости. Совершенно другой эффект при этом обнаруживается в областях техники и познавательного интереса более узкого диапазона заинтересованных специалистов. Многие физические эффекты и химические превращения не подлежат однозначному толкованию в круге специалистов, избравших той или иной аспект сферой своих профессиональных интересов, по причине неочевидности интерпретации результатов практической проверки, призванной в идеале быть критерием истины. За примерами далеко ходить не надо: сланцевый газ и нефть десятилетиями служили камнем преткновения и предметом разногласий в профессиональной среде нефтяников. Отечественная школа в своем большинстве до сих пор оспаривает перспективность направления в целом, в противовес американским специалистам. Совершенно ясно, что чем более грубое вмешательство в природные системы допускает человек, тем более неоднозначны отдаленные последствия. Но прогресс в целом остановить нельзя. Весь вопрос в том, чтобы успевать вовремя реагировать на обратные связи рукотворных воздействий и корректировать техническую политику для гармонизации экологического равновесия. Философское резюме изложенному выше состоит в том, что технический прогресс всеобщего и специфического масштабов неизбежно будет связан с противоборством профессиональных мнений. Потери в этих противоборствах исключить невозможно, и главным образом потому, что квалификация экспертизы идей и проектов зачастую несовершенна еще в большей степени, чем квалификация авторов, а до более адекватных полноценных и непредвзятых практических проверок доживет далеко не каждый разработчик. Такова жизнь. 4
ВВЕДЕНИЕ Еще в глубокой древности люди знали о трех агрегатных состояниях вещества – твердом, жидком и газообразном. С развитием науки стало понятно, что при изменении температуры или давления одно из состояний может переходить в другое, причем эти переходы, как правило, обратимы. Считается, что современный образованный человек имеет достаточные представления о самих состояниях и об их взаимных переходах. Однако существуют еще два агрегатных состояния – плазма и сверхкритические флюиды, находясь в которых вещества обладают специфическими свойствами. Впервые вещества в сверхкритическом состоянии наблюдал в 1822 г. французский физик Каньяр де Ла-Тур. Решив выяснить, происходит ли чтонибудь с жидкостями, нагреваемыми в наглухо закрытом металлическом шаре, он ввел в изучаемую среду простейший датчик – небольшой камешек. Нагревая и потряхивая шар, французский физик установил, что звук, издаваемый камешком при столкновении со стенкой шара, в некий момент резко меняется – становится глуше и заметно слабее. Для каждой жидкости такое изменение наступало при строго определенной температуре, которую стали именовать точкой Каньяра де Ла-Тура (сейчас в учебниках и справочниках эту точку называют критической). Однако что именно происходило с жидкостью в этой точке, некоторое время было не ясно. Настоящий интерес к новому явлению возник лишь в 1869 г. после экспериментов ирландского физико-химика Т. Эндрюса, исследовавшего свойства CO2 при изменении температуры и давления. Этот газ легко сжижался при повышении давления, а поскольку опыты проводились в толстостенных стеклянных трубках, можно было видеть, что в них происходит. При 31 °С и 73 атм граница (мениск), разделяющая жидкий и газообразный диоксид углерода, исчезала, весь объем равномерно заполнялся молочно-белой опалесцирующей жидкостью. Дальнейшее повышение температуры совершенно меняло картину – жидкость быстро становилась прозрачной и очень подвижной, в ней постоянно перетекали струи, напоминающие потоки теплого воздуха над нагретой поверхностью. Последующее повышение температуры и давления не вызывало видимых изменений. Точка, в которой происходит такой переход, была названа критической, а состояние вещества – сверхкритическим. По существу это новое агрегатное состояние вещества. Для него был предложен и используется до сих пор специальный термин – сверхкритический флюид (с англ. fluid – жидкость, жидкий, текучий), обозначаемый в литературе аббревиатурой СКФ. В конце 80-х и 90-х годах в США и странах Европы выполнены обшир- ные программы экспериментов со средами вблизи критического состояния в космическом полете, целью которых было определение физико-химических свойств веществ в этих условиях при существенном уменьшении влияния силы 5
тяжести. Однако, ввиду высокой гравитационной чувствительности околокритических сред и проявления негравитационных эффектов, в этих экспериментах наблюдались эффекты течения и теплообмена, для описания которых теоретических знаний было недостаточно. Это стимулировало разработку моделей на основе уравнений Навье – Стокса сжимаемого газа с уравнениями состояния и теплофизическими свойствами вблизи критической точки. Несколько неожиданной в современной геологии представляется металлогидридная гипотеза строения земли и многочисленные вытекающие из нее последствия. Так, длительное время господствовавшая биогенная теория происхождения нефти уже не кажется незыблемой, как и космогенный генозис воды на планете. По современным представлениям, на протяжении многих миллиардов лет процессы в суб- и суперкритическом состояниях обеспечивают формирование руд и минералов в недрах земли. К настоящему времени накоплен огромный массив экспериментальных данных по исследованию десятков веществ при температурах и давлениях, близких к их критическим точкам. Особое место занимают исследования свойств суб- и суперкритической воды и процессов с ее участием. Из-за высоких параметров критической точки вода в сверхкритическом состоянии пока не нашла широкого практического применения. Однако необходимо учитывать, что вода – наиболее распространенный, дешевый, безопасный и экологически чистый растворитель. Для развития химии сверхкритических сред именно она обладает наибольшим потенциалом. В настоящее время, по данным координатора направления академика РАН Лунина В. В., исследования в области СКФ на стадии НИР на инициативной основе проводятся в следующих организациях: x Радиевый институт, г. Санкт-Петербург í обеззараживание сырья и материалов; очистка поверхностей; переработка отработанного ядерного топлива; СК спирты и СО2; x Институт керамики РАН, КГТУ г. Казань í обработка гальванических стоков; очистка электронных плат; СК СО2; x химический и физический факультеты МГУ – СКФ-хроматография; монодисперсные нанокристаллы полупроводников; регенерация катализаторов; препаративный органический синтез; СК вода и СО2; x ИНЭОС РАН, г. Москва – окрашивание полимеров; импрегнация полимеров; трибологические проблемы; получение пленок; СК СО2; x ГОСНИИОХТ, г. Москва í импрегнация минеральных материалов; аэрогели; производство биотоплива; x ИПЛИТ РАН, г. Троицк í импрегнация минеральных материалов; модификация бетона; синтез биорезорбируемых композитов; СК вода и СО2; x ГТУ, г. Архангельск í экстракция и импрегнация древесины; СК СО2; x ИОНХ РАН, г. Москва – нанесение катализаторов и пористые носители; аэрогели; гидрирование растительных экстрактов; окисление высокотоксичных веществ; разложение полимеров; СК спирты и СО2; x ОИЯИ, г. Дубна – аэрогели; СК вода и СО2; 6
x Институт катализа СО РАН, г. Новосибирск í аэрогели; СК вода и СО2; x ОИП СО РАН, г. Новосибирск í функциональные полупроводники; x ГОСНИТИ í гидротермальное окисление высокотоксичных веществ; аэрогели; СК вода и СО2; x ВНИИСКМС, г. Александров; ИЭМ РАН, г. Черноголовка; Институт кристаллографии, г. Москва í материалы для электроники; нано- порошки; микрокристаллы и микропористые материалы. Положительным примером промышленного освоения СКФ-технологий является Научно-исследовательский центр экологических ресурсов «ГОРО», г. Ростов на Дону, имеющий небольшие промышленные установки собственной разработки и уникальные СКФ-технологии производства экстрактов природного сырья, используемых в парфюмерной и пищевой промышленности. Россия имеет необходимый научно-технический потенциал для эффективного технологического старта в области СКФ-процессов. В последние годы ведущими российскими учеными и предпринимателями приложены большие совместные усилия для того, чтобы программа «Развитие и внедрение СКФтехнологий» стала частью федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники». 7
А I ГЛАВА еские ф флюиды критиче о-хими свойст собенн ности ы. тва и о й воды ческие связей Сверхк Физико структ в суб- ркрити ческом м состоя янии турных и супер Кр ритическа ая точка ( (точка К на фазов вой диагр рамме на рис. 1) о относится ому перех ходу втор рого рода а. При эт нение со остояния вещества я а дит непр ерывным м образом м, разделя тическую ю область ь сосуще- - ия жидкос а и сверх хкритичес том изме яя докрит скую обл оторой н ет разлик фазово происход ствовани чий межд ду газом стью (суп еркритич ческий фл ласть, в ко люид). сти и газ и жидкос Рис. ная фазов вая диагр дл ля химич 1. Типичн ески одно ородного о (чистого рамма о) веществ ва момента появлен ния этого о поняти ия начало ось интен нсивное развитие е итических х техноло огий. В п первую оч чередь ис сследоват тели соср редоточи- - ание на в высокой р растворяю ющей спо особности методов и вание св ических ф и СКФ – флюидов на фоне оказало использо КФ – это верхкрити ько хорош шие раств ворители, , но и ве традицись очень щества с ивным. СК м коэффи циентом ии, т. е. о они легко о проник кают в гл ь с е о не толь диффузи - зличных т веществ и минера алов. Наи иболее ш широко ст лубинные тали присверхкрит оторый за анял лиди ирующие е позиции и в мире е - твердых тический х технол й СО2, ко логий, по обладает т целым комплек С сверхкри ли внима онных м эффекти высоким слои раз менять с сверхкри имущест итических тв. Перев вести его о в сверх еское сос стояние д достаточн сом прено легко о оскольку хкритиче 8
- – 73,8 атм м), кроме того, он не токси ичен, не г горюч, не е взрыво°С, Ркр – и к тому ж же дешев в и доступ чки зрени ия технол является ым комп понентом любого пен. С то процесса а. Особую ю привле лога СО2 екательно ость ему я у - то, что о он являетс ся состав вной част сферного воздуха и, следоо, не загр рязняет о щую сред ью атмос ду. Свер хкритиче еский СО О2 можно о . 2). (tкр – 31 опасен и идеальны придает вательно считать э экологич ески абсо окружающ олютно чи истым ра астворите елем (рис. Р Рис. 2. Фа азовая ди аграмма диоксида а углерод да к новой Од дной из п ервых об братилась технолог ская проность, по оскольку С воляли на аиболее п гии фарма полно выд ацевтичес делять би иологичещества из СКФ позв з растите ырья, сох храняя не еизменны ым их со- - - - ивные вещ овая техн нология п полностью ельного сы ю соответ тствовала а совреме енным са анитарно, ческим но ормам пр роизводст тва лекар атов. Кро оме того, алась стад дия отгон нки экстр рственных щего раст едующей й тки для п повторных х циклов. рагирующ . В настоя ящее врем х препара творителя мя органи я и посл изовано п производ- - которых в витамино ов, стерои идов, дру угих преп паратов п по такой техноло. 3). мышленн ски акти став. Но гигиенич исключа его очист ство нек гии (рис. 9
Ри ис. 3. Прин нципиаль ьная схем ма сверхкр ритическо ого экстрак кционног о цикла В к конце XX X столети ия СКФ-те ехнологи активно в внедрятьс я в такие и стали а как нефт тедобыча , нефтепе ереработк ехимия. С е в . венной н предста ка и нефте авлена н на НовоСКФ-техн -Уфимско нология в ом НПЗ. нефтепере пановой д еработке деасфальт тизации п предусмо трена рег генерация - - условиях х. В резул сход водя яного пара я экстраа снизиловке проп сверхкрит –2,1 раза, в 1,1–1,5 5 раза, во льтате рас оды в 1,5– –2,6 раза. . При это е - тических топлива изились в в 1,5–1,1 ты на рек ом общие конструкатраты сн упились м менее чем м за год. ые затрат аметры в веществ, е раза, а к Критиче апитальн ские пар пользуем мых в каче естве свер рхкритич ческих рас створител лей, пред наиболее ставлены ы отрасли, отечеств В устано гента в с ся в 1,7– энергоза цию оку часто исп в таблиц це 1. Во озможност ти приме енения св верхкрит ических газов дл ля раздел хватываю ют процес ссы обра аботки уг гля, нефт тов, боль ления веьшую обнатураль еств, вкл лючая спе тепродукт ециальные е способы ы примеание мор ьных вещ рской вод ды, раздел ление сме нол – вода а, регенеолучения бессолив - - - - - дсорбенто и с быстр рыми тем мпами выр части заегкой неф ов. В связ фти резко о возрос и интерес к к методам есей этан работки а м увеличе активной ения неф и - И если в 70–80-е годы XX века чис ло проект тов, реали изованны овиях и н направлен нных на р решение проблемы ы увеличе ения неф фтеотдачи ых в полефтеотдачи и , через н нагнетани е смеши ивающихс ся углево одородны ых раство орителей, X ых» газов в и диок ксида угл оставимо о, то в ко онце XX - е XXI сто олетия тол лько мето лерода, б од нагнет было сопо тания СО2 2 имел уст тойчивую ю тенденществ ох ласть по нения: о рация ад пасов ле пластов. вых усло пластов «инертны и начале цию рост та. 10