Экспериментальное исследование генерации водорода из углеводородов в пластовых условиях (Experimental study of hydrogen generation from hydrocarbons under the reservoir conditions)

Растущая потребность человечества в энергии приводит к увеличению добычи углеводородов, которые до сих пор являются основным мировым энергетическим ресурсом. В то же время углеводородные ресурсы ограничены, не возобновляемы, а при сжигании углеводородов образуются парниковые газы. Для снижения выбросов парниковых газов в атмосферу необходимо широкое распространение новых низкоуглеродных энергоносителей. В настоящее время водород рассматривается не только как химическое и нефтехимическое сырье, но ещё и как новый экологически чистый энергоноситель, который поможет декарбонизировать энергетический сектор. Ожидается, что водород закроет значительную часть мирового спроса на энергию, если в ближайшее время будет разработан дешевый низкоуглеродный способ его производства. Желая внести свой вклад в развитие новых технологий получения водорода, а также выявить закономерности генерации водорода из углеводородов в пластовых условиях, были проведены исследования, описанные в данной работе. Основная цель исследований заключалась в проведении всестороннего экспериментального и численного моделирования подземного (in situ) синтеза водорода в месторождениях углеводородов из различного углеводородного сырья. Последовательные экспериментальные исследования были проведены для подтверждения концепции внутрипластовой конверсии углеводородов в водород, понимания характера физических и химических процессов, выявления кинетических закономерностей, разработки дизайна технологии совместной добычи тяжёлой нефти/битумов и водородсодержащего газа, определения оптимальных технологических параметров и оценки применимости рассматриваемого метода. Эксперименты проводились в автоклавных реакторах периодического и проточного типа (статический и динамический режимы) и установках для моделирования процесса внутрипластового горения (ВПГ) углеводородов – трубах горения (ТГ), с газообразным (метан), жидким (нефть) и твердым (нефтяной кокс) углеводородным сырьем. Экспериментальное моделирование показало, что внутрипластовые условия, а, в частности, порода-коллектор негативно влияет на процесс конверсии углеводородов в синтез-газ, так как содержит каталитические яды и карбонатные минералы, способные к разложению с образованием углекислого газа. Высокое давление в залежах углеводородов также негативно влияет на конечную степень конверсии. Однако текущие результаты свидетельствуют о том, что каталитическая конверсия углеводородов в водород в условиях, соответствующих условиям залегания углеводородов при тепловом воздействии на пласт, возможна. Доказано, что внутрипластовая генерация водорода в газовых пластах перспективна при реализации совместно с методом ВПГ. Для успешного осуществления процесса необходимо использовать усовершенствованный катализатор паровой конверсии углеводородов. А реализация технологии наиболее актуальна в пластах, представленных терригенными коллекторами с низким содержанием карбонатных пород. Выявлено также, что образующийся в пластах углеводородов водород положительно влияет на добычу нефти, так как увеличивает её подвижность, за счёт интенсификации процессов внутрипластового облагораживания и, как следствие, улучшения её качества. Разработанная численная модель используемой экспериментальной установки – ТГ, представляет собой комплексную модель целевого газового пласта. Предлагаемый блок химических реакций учитывает взаимодействие метана, остаточной тяжелой нефти и образуемого нефтяного кокса с водяным паром, приводящее к образованию водорода. Результаты численного моделирования могут быть в дальнейшем использованы для моделирования технологии в масштабе месторождений. А в целом полученные фундаментальные результаты могут быть использованы для разработки инновационной технологии получения водорода из месторождений углеводородов.