ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ по проекту РНФ № 15-19-00119 Стабильность и физико-химические превращения углеводородных дисперсных систем в тяжелых нефтях в условиях интенсивных внешних воздействий по данным современных методов in situ (промежуточный)

Одним из наиболее важных результатов успешного и очень продуктивного трехлетнего проекта РНФ (7 из 9 статей опубликовано в высокорейтинговых журналах из Q1) стало понимание следующего шага, который необходимо сделать для эффективного предсказания условий, при которых происходит потеря стабильности реальных нефтей и их блендов. Необходимо обеспечить переход от исследования модельных объектов к изучению систем, находящихся в условиях реальных целевых процессов - от in situ к operando идеологии. Предполагается использовать развитые на предыдущем этапе взаимодополняющие уникальные физико-химические методы для исследования стабильности и химических превращений тяжелых компонентов нефтей в условиях, близких к условиям целевых, промышленно важных процессов. В зависимости от конкретных задач это подразумевает формирование и использование различной методологии. Для решения поставленных задач предлагается использовать: ИК-Фурье спектроскопию нарушенного полного внутреннего отражения (ИК-Фурье НПВО) с матричным детектированием (метод «химической визуализации»); методы на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), включая магнитно-резонансную томографию (МРТ), ЯМР спектроскопию и т.п.; спектроскопию электронного парамагнитного резонанса (с использованием специальных высокотемпературных ячеек); малоугловое рентгеновское рассеяние (МУРР), в сочетании с традиционными методами исследования (GS-MS, CHNS/O анализ, ЯМР, СЭМ, ПЭМ и др.). Перечисленные взаимодополняющие физико-химические методы на разных пространственных и временных масштабах в режимах in situ и operando позволят исследовать поведение многокомпонентных углеводородных систем, в том числе при повышенных температурах и давлениях (в суб- и сверхкритических условиях), которые «де факто» присутствуют во многих технологических процессах извлечения, транспортировки и переработки нефтей.Предполагается использовать перечисленные спектральные и резонансные методы для исследования в режимах in situ и operando поведения различных компонентов нефтей при инжектировании сверхкритического (СК) СО₂ в углеводородные дисперсные системы. Предполагается детально проанализировать взаимодействие молекул CO₂ с индивидуальными компонентами нефтей при повышенном давлении, в том числе в присутствии твердых частиц различных оксидов, которые могут избирательно адсорбировать различные компоненты нефтей, нарушая фазовое равновесие в системе. Предполагается изучить процессы агрегации асфальтенов, приводящие к последующей преципитации тяжелых фракций в динамических условиях (в условиях течения нефтяных систем), что позволит выявить влияние процессов массопереноса на тип (химический состав) осадков и скорость их формирования. Подобные исследования впервые позволят провести экспериментальную экспертизу влияния сверхкритического СО₂ на стабильность многокомпонентных нефтяных систем в условиях, приближенных к условиям природных нефтяных резервуаров, с помощью уникальных методов исследования.С помощью различных методов in situ планируется исследовать начальные стадии процесса агрегации асфальтенов в нефтях различного состава. В частности, предполагается изучить взаимосвязь химического строения асфальтенов с их агрегативной устойчивостью. Задача включает установление механизмов такого взаимодействия на молекулярном уровне, которые определяют последующий процесс агрегации и динамику формирования отложений на макроуровне. Предполагается дифференцировать различные механизмы кластеризации (стекинга) асфальтенов на начальных стадиях процесса агрегации в присутствии флокулянтов на масштабе от единиц до нескольких десятков нанометров, а также установить природу взаимодействия асфальтенов с азотсодержащими полярными основаниями, которые выступают в роли естественных депрессорных присадок.Вопросы фазовой стабильности нефтяных дисперсных систем при повышенных температурах и давлениях предполагается рассмотреть с учетом возможных химических превращений, происходящих в углеводородной, часто гетерогенной системе. Необратимые химические превращения могут приводить к существенному изменению группового и химического состава нефтей, к изменению локального окружения их тяжелых компонентов, что неминуемо скажется на фазовой стабильности системы. Серьезным фактором, который может принципиально усложнить процессы, происходящие в многокомпонентной углеводородной системе, является присутствие гетерогенных компонентов, которые могут катализировать химические превращения при повышенных температурах и давлениях. В качестве подобных гетерогенных катализаторов могут выступать присутствующие в нефтях остатки горных пород, которые имеют определенную сорбционную емкость и определенную каталитическую активность в ряде химических превращений углеводородных компонентов.