CC BY
82
УДК 665. 6(075.8)
Р. С. Яруллин, С. Е. Угловский, М. З. Зарифянова, С. Д. Вафина
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ АШАЛЬЧИНСКОГО ПРИРОДНОГО БИТУМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНО-ВОЛНОВОГО РЕАКТОРА «ЯРУС»
Ключевые слова: высоковязкие нефти, природные битумы, естественный приток, паротепловое воздействие, волновые технологии, разгонка нефти, светлые фракции.
Комбинация различных способов воздействия (гидродинамических, термических, электромагнитных, акустических) в реакторе «ЯРУС» позволяет использовать реактор в процессах добычи и переработки высоковязких нефтей и природных битумов с получением полусинтетических и синтетических нефтей без предварительной подготовки сырья. В процессе переработки Ашальчинского природного битума выход светлых фракций увеличивается до 70 %, которые могут быть использованы в качестве сырья для гидрогенизационных процессов нефтепереработки с получением моторных топлив. Снижается плотность и вязкость синтетической нефти, облегчается транспортировка нефти по трубопроводу.
Keywords: heavy oil, natural bitumen, natural flow, thermal-steam impact, wave technologies,oil distillation, light fractions.
The combination of different methods of treatment (hydrodynamic, thermal, electromagnetic, acoustic) in the "YARUS" reactor allows to use the reactor in processes of recovery and refining of heavy oil and natural bitumen to produce semi-synthetic and synthetic oils without preliminary preparation of raw materials. During the refining ofAshalchinsky natural bitumen yield of light fractions, which can be used as a feedstock for hydrogenation oil refining processes to produce motor fuels, is increased to 70%. Density and viscosity of synthetic oil are reduced, transportation of oil through a pipeline is alleviated.
Введение
На фоне истощения запасов традиционной легкой нефти встает вопрос о широкомасштабной разработке битумных месторождений, являющихся альтернативным источником восполнения нефтяных запасов. Месторождения высоковязкой нефти (ВВН) и природных битумов (ПБ) в России сосредоточены в Волго-Уральском (Татарстан, Башкортостан, Удмуртия, Пермский край, Самарская область), ВосточноСибирском (Тунгусский бассейн) и Тимано-Печорском нефтегазоносных бассейнах. Разработка этого вида углеводородного сырья может стать новым стратегическим направлением развития для нефтяной отрасли страны.
Реализация инвестиционных проектов по разработке трудноизвлекаемых запасов нефти требует использования дорогостоящих технологий и современных методов увеличения нефтеотдачи пластов, которые оцениваются в 3-4 раза дороже добычи нефти из традиционных месторождений. Внедрение новых технологий, позволяющих поддерживать темпы добычи и дополнительно вовлекать в разработку значительные запасы нефти из труднодоступных залежей, на сегодняшний день является актуальной задачей.
Наиболее активно осуществляется разработка месторождений ВВН и ПБ в Республике Татарстан. В настоящее время на территории республики выявлено 450 скоплений битумной нефти. Ресурсы ПБ, пригодных к освоению, оцениваются в 7 млрд. т. Эти запасы расположены в основном в пермских отложениях и залегают на глубинах до 400 м. Физико-химические показатели ВВН и ПБ месторождений Республики Татарстан представлены в таблице 1 [1].
В Татарстане успешно ведется опытно-промышленная разработка Мордово-Кармальского и Ашальчинского месторождений битумной нефти, ставшие полигоном для отработки эффективных тех-
нологий по добыче и переработке этого перспективного вида сырья, которые в последующем могут быть применены при освоении подобных запасов в других регионах России.
Таблица 1 - Характеристика высоковязких нефтей и природных битумов Республики Татарстан
Показатели Значения
Плотность при 20 °С, кг/м3 940-970
Вязкость при 20 °С, мПа-с 400-5000
Содержание общей серы, % мас. 3,0-4,6
Содержание смол и асфальтенов, % мас. 19-34
Массовая доля масел, % мас. 66-81
Массовая доля парафинов, % мас. 0,04-1,6
Температура застывания, °С -18 + 0
Коксуемость, % 8,7-12
Выход фракций до 300 °С, % об. 8-33
Основная добыча ПБ в Республике Татарстан осуществляется методом гравитационного дренирования при закачке пара - технологией воздействия на неф-тенасыщенный пласт через парные горизонтальные скважины (через одну из них нагнетается пар, через другую - выкачивается нефть) [2].
Данный способ добычи используется в настоящее время на Ашальчинском месторождении. За счет деструктивных и тепло-массообменных процессов, происходящих в пласте при контакте ПБ с паром, понижаются физико-химические показатели: плотность, вязкость, температура застывания, содержание общей серы по сравнению с ПБ, добытым естественным притоком [3, 4].
Природные битумы месторождений Республики Татарстан отличаются высоким содержанием сернистых соединений и асфальто-смолистых компонентов, что существенно осложняет атмосферно-вакуумную перегонку в связи с термодеструкцией высокомолеку-
лярных соединений и коррозией оборудования, поэтому предварительно проводят обезвоживание и де-асфальтизацию.
На рис. 1 представлена схема переработки ВВН и ПБ, разработанная РНТЦ ОАО «ВНИИНЕФТЬ» и принятая в Республике Татарстан для промышленного освоения ресурсов ПБ [1, 5].
Атмосферно-вакуумная перегонка ВВН и ПБ дает небольшой выход светлых фракций, для увеличения глубины переработки нефти используются дорогие и энергоемкие процессы: гидрокрекинг, термический крекинг, каталитический крекинг, висбрекинг и т. д.
Рис. 1 - Базовая схема переработки ВВН и ПБ
На сегодняшний день накоплен большой опыт применения нетрадиционных методов интенсификации процессов добычи и переработки ВВН и ПБ с использованием ударно-волновых технологий (радиоволновых, плазменных, электромагнитных, магнитных, ультразвуковых, акустических, вибрационных) [6-8].
Изучены возможности применения опытно-промышленной гидродинамической импульсной установки для промывки нагнетательных и добывающих скважин [9]. Разработан принципиальный технологический узел разрушения особо устойчивых нефтяных эмульсий посредством волнового импульсного разряжения, на базе которого модернизирован проект совместного производства остаточных дорожных битумов и котельно-печных топлив.
Созданы энергетические установки и аппараты, основанные на акустической и электромагнитной генерации волн [10]:
1) для добычи и трубопроводного транспорта нефтей с аномальной реологией в различных температурных и сдвиговых условиях;
2) для переработки ВВН и ПБ в высококачественную синтетическую нефть с целью получения моторных топлив, высококачественных масел, кокса, битумов, выделения редкоземельных металлов.
Экспериментальная часть и обсуждение результатов
Два образца Ашальчинского ПБ, добытого естественным притоком и с помощью паротеплового воздействия на нефтенасыщенный пласт, были разогнаны на аппарате ректификации нефти АРН-2 при остаточном давлении 0,4 кПа. На основании полученных показателей перегонки построены кривые ИТК (истинных температур кипения), представленные на рис. 2.
150 т т -,-1-,
0 10 20 30 40 50 %об.
Рис. 2 - Кривые ИТК Ашальчинского ПБ, добытого различными способами:
з
1 - естественным притоком (р20 = 982 кг/м , V20 = 148,20 см2/с);
2 - паротепловым воздействием на нефтенасы-
3 2
щенный пласт (р20 = 958 кг/м , v20 = 129,68 см /с)
При контакте ПБ с паром изменяется химический состав и увеличивается доля легких фракций. Выход фракции н.к.-350 °С Ашальчинского ПБ, добытого естественным притоком, составляет 24 % об. или 21,0 % мас. (начало кипения фракции 190 °С), а для Ашальчинского ПБ, добытого паротепловым воздействием на пласт, выход фракции увеличивается до 27 % об. или 24,8 % мас. (начало кипения фракции 180 °С).
На территории Технополиса «Химград» размещена опытно-промышленная установка «ЯРУС», позволяющая перерабатывать ВВН и ПБ с получением полусинтетических и синтетических нефтей непосредственно на месте добычи без предварительной подготовки сырья. «ЯРУС» представляет собой компактный реактор с пропускной способностью по сырью 180 кг/ч, потребляемой электрической мощностью 25 кВт, работающий при темпера-
туре 240 °С, атмосферном давлении и позволяющий перерабатывать газовый конденсат, сырую нефть, мазут в одну стадию без системы оборотного водоснабжения. Одной из особенностей реактора «ЯРУС» является комбинация различных способов воздействия (электромагнитных, гидродинамических, термических, акустических) в одном технологическом пространстве. В локальных зонах реактора обрабатываемая среда динамически взаимодействует, находясь в трех фазовых состояниях - жидкость, пар и плазма (в ионизированном состоянии). Деструктивные процессы протекают в результате им-пульсно-волнового воздействия на углеводороды и гетероатомные соединения нефти, происходит значительное увеличение выхода легких фракций.
На рис. 3 представлена упрощенная схема переработки ВВН и ПБ в реакторе «ЯРУС», позволяющего исключить стадию предварительной подготовки сырья, увеличить выход светлых фракций до 75 %, дополнительно получить до 10 % фракции С1-С4 и до 15 % смолистого остатка [11].
транспортировку нефти по трубопроводу. Высокое содержание легких углеводородов характеризуется также низким значением температуры вспышки в закрытом тигле.
Таблица 2 - Качественные показатели Ашаль-чинского ПБ, добытого паротепловым воздействием, после обработки в реакторе «ЯРУС»
№ п/п Показатель Значение Метод определения
1 Плотность при 20 °С, кг/м3 895 ГОСТ 3900-85
2 Вязкость кинематическая 5,57 ГОСТ
при 20 °С, мм /с 33-2000
3 Фракционный состав, °С: н.к. 60
10 % отгона 125 ГОСТ
50 % отгона 293 2177-99
70 % отгона (к.к.) 300
Остаток в колбе, см3 30
4 Температура вспышки 22 ГОСТ
в закрытом тигле, °С 6356-75
Рис. 3 - Схема переработки ВВН и ПБ с использованием импульсно-волнового реактора «ЯРУС»
Для рекуперации газовой фазы используются различные варианты: закачка газа через систему законтурных или внутриконтурных нагнетательных скважин; возврат попутных газов после их отделения от нефти и компримирование; в качестве источника подогрева дистиллята, закачиваемого в пласт; для обеспечения собственного нагрева установки «ЯРУС». Компаундирование исходного сырья с фракцией н.к.-110 °С до 10 % мас. позволяет снизить вязкость и приготовить нефтепродукт, пригодный для транспортировки в трубопроводе.
Образец Ашальчинского ПБ, добытый паротепловым воздействием на пласт, был обработан в им-пульсно-волновом реакторе «ЯРУС», физико-химические показатели полученного продукта приведены в таблице 2. Определение фракционного состава проводилось простой перегонкой без четкой ректификации при атмосферном давлении на аппарате АРНП, кривая разгонки представлена на рис. 4.
После обработки Ашальчинского ПБ в реакторе
«ЯРУС» увеличивается выход светлых фракций с
15% об. до 70% об., снижается плотность с р20 =
958 кг/м3 до р20 = 895 кг/м3, снижается кинематиче-
2 2 ская вязкость с у20 = 129,68 см /с до у20 = 5,57 мм /с
(0,06 см /с) более чем в 2100 раз, что облегчает
Рис. 4 - Кривые фракционного состава Ашаль-чинского ПБ, добытого паротепловым воздействием на пласт:
1 - кривая ИТК, полученная перегонкой ПБ с четкой ректификацией на аппарате АРН-2;
2 - кривая, полученная перегонкой ПБ после обработки в реакторе «ЯРУС» на аппарате АРНП (простая разгонка по Энглеру)
При простой атмосферной перегонке образца Ашальчинского ПБ, обработанного в реакторе «ЯРУС», выход светлой фракции н.к.-300 °С составил 70 % об. или 66,1 % мас. на исходный ПБ (начало кипения фракции 60 °С). Дальнейшая разгонка нефти затруднена из-за интенсивного термического разложения кубового остатка. Физико-химические показатели фракции 60-300 °С следующие: р20 = 845 кг/м3, v20 = 2,17 мм2/с, цетановое число 46 (определение проводилось на октанометре «Октан-ИМ»). На прямогонную бензиновую фракцию 60140 °С приходится примерно 12 % об., на прямогонную лигроино-керосиновую фракцию 140-220 °С -18 % об., на прямогонную дизельную фракцию 220300 °С - 40 % об. на исходный ПБ.
При использовании атмосферно-вакуумной разгонки выход светлых фракций н.к.-350 °С можно
увеличить до 75 % (рис. 3) и направить на получение моторных топлив.
Реактор «ЯРУС» отличается низкой удельной стоимостью и высокой окупаемостью [11]. По предварительным расчетам, капиталоемкость промышленной установки объемом переработки ВВН и ПБ 10 тыс. т/год с применением реактора «ЯРУС», будет составлять 3-5 млн. руб.
Применение реактора «ЯРУС» в процессах добычи и переработки ВВН и ПБ позволит:
1) увеличить выход светлых фракций с целью получения дополнительного количества моторных топлив;
2) повысить коэффициент нефтеотдачи путем закачки в пласт продуктов переработки сырой нефти на оборудовании «ЯРУС»;
3) подготовить тяжелую нефть для транспортировки в трубопроводе за счет компаундирования с синтетической нефтью, полученной после обработки в реакторе «ЯРУС».
Выводы
1. Построены кривые ИТК для двух образцов Ашальчинского ПБ, добытого различными способами: естественным притоком и паротепловым воздействием на нефтенасыщенный пласт. Показано, что за счет деструктивных и тепло-массообменных процессов, происходящих в пласте при контакте ПБ с паром, изменяется химический состав и увеличивается выход светлых фракций, понижаются плотность и вязкость по сравнению с ПБ, добытым естественным притоком.
2. После обработки Ашальчинского ПБ в им-пульсно-волновом реакторе «ЯРУС» выход фракции 60-300 °С составил 70 % об. или 66,1 % мас. на исходный ПБ: прямогонной бензиновой фракции 60140 °С получено 12 %, лигроино-керосиновой фракции 140-220 °С - 18 %, дизельной фракции 220-
300 °С - 40 %. Данные фракции могут быть использованы для получения автомобильных бензинов, реактивных и дизельных топлив.
3. Применение импульсно-волнового реактора «ЯРУС» позволит увеличить выпуск моторных топлив, повысить коэффициент нефтеотдачи пласта, подготовить нефть, пригодную для транспортировки в трубопроводе.
Литература
1. С.Е. Угловский, Отчет по результатам предварительных испытаний переработки высоковязкой битумной нефти на оборудовании «ЯРУС-ФР»,
(http://npo-kinematika.com/files/RU_Report_YARUS.pdf);
2. Г.Г. Арутюнян, А.Х. Кавеев, Oil&Gas Journal Russia, 7, 28-31 (2012);
3. В.Г. Козин, М.З. Зарифянова, Л.М. Петрова, И.Н. Дия-ров, ЖПХ, 66, 2, 423-328 (1993);
4. В.Г. Козин, М.З. Зарифянова, Л.М. Петрова, И.Н. Дия-ров, Нефтехимия, 34, 4, 319-323 (1994);
5. Постановление Кабинета Министров РТ от 21.08.2001 № 569 «О Республиканской программе освоения ресурсов природных битумов Республики Татарстан»;
6. Б.Н. Иванов, Вестник Казанского технологического университета, 11, 3, 97-115 (2008);
7. Б.Н. Иванов, Вестник Казанского технологического университета, 11, 4, 100-120 (2008);
8. Б.Н. Иванов, Вестник Казанского технологического университета, 11, 5, 138-157 (2008);
9. Е.Л. Древницкая, Автореф. дисс. канд. техн. наук, Казанский национальный исследовательский технологический ун-т, Казань, 2013, 16 с.
10. Р.А. Кемалов, А.Ф. Кемалов, Н.Р. Муллахметов и др. Разработка и промышленное освоение супрамолекуляр-ных энергосберегающих нанотехнологий добычи, подготовки и глубокой переработки тяжелых нефтей и природных битумов,
(http://one_yision.jofo.ru/292577.htmr);
11. С. Угловский, М. Намазов, Neftegaz.RU, 11, 12, 68-72 (2014).
© Р. С. Яруллин - д-р хим. наук, профессор кафедры технологии синтетического каучука КНИТУ, генеральный директор ОАО «Татнефтехимишест-холдинг» [email protected]; С. Е. Угловский - генеральный директор ООО «НПО «Кинематика» в составе НТЦ ОАО «Татнефтехиминвест-холдинг» [email protected]; М. З. Зарифянова - д-р техн. наук, профессор кафедры общей химической технологии КНИТУ, ведущий научный сотрудник кафедры реактивных двигателей и энергоустановок КНИТУ-КАИ [email protected]; С. Д. Вафина - соискатель кафедры общей химической технологии КНИТУ, химик-исследователь ООО «Мастер Кемикалз» [email protected].
© R. S. Yarullin - Doctor of Chemical Sciences, Professor at the Department of Synthetic Rubber Technology Kazan National Research Technological University, General Director of JSC "Tatneftekhiminvest-holding" [email protected]; S. E. Uglovsky - General Director of LLC "NPO "Kinematics" in the center of JSC "Tatneftekhiminvest-holding" [email protected]; M. Z. Zarifyanova - Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of General Chemical Technology Kazan National Research Technological University, Leading Researcher at the Department of Jet Engines and Power Plants Kazan National Research Technical University [email protected]; S. D. Vafina - Applicant at the Department of General Chemical Technology Kazan National Research Technological University, chemist-researcher LLC "Master Chemicals Nalco Champion" [email protected].
