СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОЙ ОСНОВЫ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
METHOD FOR PRODUCTION OF HYDROCARBON BASE OF DRILLING MUDS WITH IMPROVED OPERATIONAL PROPERTIES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области переработки нефти и утяжеленных фракций процессов первичной и вторичной переработки нефти (компонентов мазута) и получения специальных нефтепродуктов, в частности, к производству углеводородной основы для получения буровых растворов, используемой в нефтяной и газовой промышленности в технологическом процессе бурения газовых и нефтяных скважин.
Уровень техники
В большинстве случаев буровыми растворами называют сложные коллоидные системы, выполняющие в процессе бурения скважин множество различных функций, от выноса выбуренной породы с забоя скважины и охлаждения долота до сохранения устойчивости стенок скважины и предохранения бурового оборудования от коррозии и абразивного разрушения.
В зависимости от геологических условий и требований процесса бурения в качестве основы для создания сплошной фазы буровых растворов могут быть использованы различные агенты. Наиболее часто для этих целей применяют воду или водные рассолы, а также углеводородные жидкости.
Углеводородная основа для буровых растворов (далее УОБР), как правило, используется при бурении легко набухающих и склонных к обвалам глинистых пород, соленосных отложений, а также продуктивных пластов с низкими коллекторскими свойствами. УОБР при этом может быть использована либо в чистом виде, либо в смеси с водой или с водным раствором в составе эмульсий, где углеводородная жидкость формирует сплошную фазу.
В качестве углеводородной среды для приготовления буровых растворов традиционно используют нефть, газовый конденсат, базовые нефтяные масла, масла растительного происхождения, дизельное топливо, поли- и альфа-олефины. При этом указанные УОБР обладают как положительными, так и отрицательными эксплуатационными характеристиками.
В настоящее время требования к качеству УОБР ужесточаются в части обеспечения эксплуатационных, экологических и пожаробезопасных свойств. УОБР должна обладать низким содержанием серы и ароматических углеводородов, высокой температурой вспышки, низкой температурой застывания.
2
2
При этом в настоящее время к УОБР предъявляются дополнительные требования по улучшению таких показателей как, температура вспышки, температура застывания и общее содержание ароматических углеводородов. Также от предприятий нефтедобычи появляются дополнительные требования по созданию УОБР с повышенной кинематической вязкостью при 40°С - 4,0-6,0 мм/с, в то время как в промышленных масштабах выпускаются УОБР с кинематической вязкостью при 40°С ниже 4,0 мм/с.
Обеспечение данных характеристик УОБР возможно только за счет применения специальных технологий с учетом подбора определенных сырьевых ресурсов, использования каталитических процессов переработки и применения высокоэффективной ректификации для выделения целевых продуктов. При этом особенно важным в условиях РФ является разработка новых технических решений по получению УОБР из типового распространенного сырья для предприятий нефтедобычи РФ, что позволит решить задачу импортозамещения, т.к. значительная часть УОБР приобретается у иностранных производителей.
Известен ряд продуктов и способов их получения, которые позволяют производить УОБР.
В практике бурения могут использоваться синтетические жидкие парафины. Так в изобретении [патент RU 2547653] описан способ получения компонента экологически безопасных буровых растворов на углеводородной основе, имеющего интервал кипения в диапазоне 188-304°С согласно стандарту ASTM D 86, включающий соолигомеризацию этилена с α-олефином при температуре 180-200°С и давлении этилена 4,0-5,0 МПа в присутствии катализатора, добавление к смеси сокатализатора в виде основания Льюиса - изопропиловый спирт в количестве от 0,2 до 1% мас. в расчете на исходный сомономер этилена, фракционирование полученного жидкого продукта и выделение целевой фракции с интервалом кипения в диапазоне 188-304°С.
2
Полученная по данному способу УОБР вследствие отсутствия в ней ароматических и серосодержащих соединений является не токсичной для окружающей среды. При этом УОБР обладает достаточно низкой температурой застывания минус 55°С и ниже минус 60°С. Однако, существенным недостатком указанного способа получения УОБР является технологическая сложность ее производства, дефицитность и высокая стоимость сырья, и, как следствие, высокая себестоимость полученного продукта относительно других аналогов, что может ограничивать его использование в практике бурения. Кроме этого, данная УОБР обладает недостаточной высокой температурой вспышки - ниже 60°С и пониженной кинематической вязкостью при 40°С - 1,53-1,65 мм/с.
Из патента РФ №2699419 известен способ получения компонента для буровых растворов из нефти, который включает перегонку нефти с выделением фракции дизельного топлива, мазута, каталитическую гидроочистку фракции дизельного топлива, причем гидроочищенную фракцию дизельного топлива направляют на изодепарафинизацию, осуществляемую при давлении 41-43 ати, образовавшийся технологический продукт направляют на фракционирование и отбирают фракцию, выкипающую в пределах 160-360°С.
Общими признаками указанного способа и предлагаемого изобретения являются:
- Использование в качестве сырья для производства УОБР нефти и полученных при ее переработке сырьевых компонентов;
3
3
- Повышенный выход целевого продукта на исходное сырье 43,6% (таблица 2 из описания к патенту РФ №2699419 - 96 м/ч УОБР при расходе сырья на установку гидрирования 220 м/ч);
- Получение в результате УОБР с высокой температурой вспышки 88-90°С, низкой температурой застывания менее минус 70°С и низким содержанием серы.
Недостатками указанного способа являются:
- Использование высокоценного сырья - прямогонного дизельного топлива, получаемого при атмосферной перегонке нефти (типичные пределы выкипания 160-360°С), себестоимость которого значительно выше, чем у утяжеленных среднедистиллятных фракций, получаемых при атмосферно-вакуумной перегонке нефти и мазута и в процессах вторичной переработки нефти (коксование и каталитический крекинг), вакуумного газойля. При этом использование прямогонного дизельного топлива в качестве сырья для производства УОБР приведет к снижению выработки высокоценного и востребованного на рынке РФ дизельного топлива Евро 5.
- Высокая себестоимость получаемой УОБР из-за высоких затрат при реализации каталитического процесса с использованием катализатора изомеризации, содержащего драгоценные металлы.
2
- УОБР обладает низкими показателями кинематической вязкости при 40°С 1,8-2,2 мм/с;
- Проблемы с обеспечением требований по содержанию ароматических углеводородов (не более 3 мас. %) в получаемом компоненте для буровых растворов, т.к. при данном давлении процесса гидроочистки, указанном в патенте РФ №2699419, не происходит полное насыщение ароматических углеводородов, содержащихся в сырье. Данный аспект в указанном патенте не освещен.
Известен способ получения компонента для буровых растворов из нефти, например, дистиллятных фракций или продуктов вторичной переработки нефти [патент РФ №2668612]. Способ получения компонента для буровых растворов из нефти включает перегонку нефти с выделением мазута. Полученный мазут направляют на вакуумную разгонку с получением вакуумного газойля. Полученный вакуумный газойль подвергают гидрокрекингу. Непревращенный остаток, образовавшийся в процессе гидрокрекинга, направляют на изодепарафинизацию, затем на гидрофинишинг. Образовавшийся технологический продукт направляют на фракционирование. В качестве компонента буровых растворов отбирают фракцию, выкипающую в пределах 195-305°С.
Общими признаками данного способа и предлагаемого изобретения являются:
- Использование в качестве сырья для производства УОБР нефти и полученных при ее переработке сырьевых компонентов;
- Получение в результате УОБР с высокой температурой вспышки 88-90°С, низкой температурой застывания менее минус 75°С.
Недостатками прототипа являются:
3
- Низкий выход продукта на исходное сырье процесса гидрокрекинга вакуумный газойль - менее 0,5% (информация взята из описания к патенту РФ №2699419, таблица 2 - 1,05 м/ч УОБР при расходе сырья на установку гидрокрекинга 300 м3/ч). Что позволяет выпускать в год продукта - УОБР 6,0 тыс. тонн (информация взята из статьи в журнале «Нефтепереработка и нефтехимия»», 2018 г., №11, с. 3-6).
2
2
- Неоптимальные показатели качества полученной УОБР, которая имеет ограничения показателя кинематической вязкости при 40°С не более 1,8-2,0 мм/с. При этом потребители в настоящее время заявляют дополнительные требования по улучшению показателей качества УОБР по кинематической вязкости при 40°С более 4,0 мм/с.
- Высокая себестоимость получаемой углеводородной основы для буровых растворов из-за низкого выхода целевого продукта и высоких затрат при реализации трехстадийного каталитического процесса при высоких давлениях и температурах, включая использование катализатора изомеризации, содержащего драгоценные металлы.
2
Наиболее близким, прототипом предлагаемого изобретения, является способ получения УОБР путем переработки нефти и нефтепродуктов [заявка на изобретение РФ №2018136548 от 16.10.2018, реферат]. Предлагаемая УОБР может быть получена на основе отдельных дизельных фракций первичных и вторичных процессов нефтепереработки или их смесей путем проведения процесса глубокого гидрирования с последующим выделением из гидрогенизата промежуточной углеводородной фракции с помощью процесса ректификации. Кроме дизельных фракций в качестве компонентов сырья для получения предлагаемого изобретения могут быть использованы легкие газойли первичных и вторичных процессов нефтепереработки. При этом полученная УОБР содержит в своем составе ароматические вещества в количестве не более 3 мас. %, общей серы не более 0,001 мас. %, имеет температуру вспышки в закрытом тигле не ниже 70°С, температуру застывания не выше минус 45°С и значение показателя кинематической вязкости при 40°С не более 4 мм/с.
Общими признаками прототипа и предлагаемого изобретения являются то, что в качестве сырья для получения УОБР используются полученные при переработке нефти сырьевые утяжеленные компоненты, а также то, что для переработки данных компонентов используется процесс гидрирования данного сырья при высоком давлении до 31,0 МПа и температуре до 420°С на аналогичных катализаторах, содержащих в своем составе d-металлы (VI и VIII групп таблицы Менделеева) в сульфидной форме с модифицирующими добавками. В результате получают УОБР с низким содержанием серы и ароматических углеводородов.
Недостатками прототипа являются:
- Ограниченные мощности на нефтеперерабатывающем заводе, использующие технологии гидрирования при высоком давлении, что не позволяет увеличить производство УОБР. Достаточно низкий выход УОБР при ректификации гидрогенизата, полученного при гидрировании вакуумного газойля - не более 22%.
2
2
- Неоптимальные показатели качества полученной УОБР, которая имеет низкую температуру вспышки в закрытом тигле не ниже 70°С, недостаточную температуру застывания не выше минус 45°С и ограничения показателя кинематической вязкости при 40°С не более 4 мм/с. При этом потребители в настоящее время заявляют дополнительные требования по улучшению показателей качества УОБР по температуре вспышки не ниже 85-90°С, температуре застывания от минус 50°С до минус 60°С и кинематической вязкости при 40°С 4,0-6,0 мм/с.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение сырьевых ресурсов и технологических решений для производства УОБР, увеличение объемов ее производства в РФ в рамках импортозамещения, получение УОБР с улучшенными показателями качества по температурам вспышки и застывания, содержанию ароматических углеводородов, и возможность регулирования кинематической вязкости в широком интервале.
Раскрытие сущности изобретения
3
3
3
3
2
Решение поставленной задачи и достижение технического результата осуществляют тем, что используют способ получения УОБР с улучшенными эксплуатационными свойствами путем переработки полученных из нефти фракций, включающий приготовление смеси утяжеленных среднедистиллятных фракций атмосферно-вакуумной перегонки нефти, каталитического крекинга и замедленного коксования, каталитическое гидрирование указанной смеси, защелачивание полученного гидрогенизата гидрирования для достижения содержания серы в конечном продукте до уровня не более 0,001 мас. %, ректификация полученного гидрогенизата, каталитический гидрокрекинг вакуумного газойля, получаемого при перегонке мазута, ректификация полученного гидрогенизата каталитического гидрокрекинга, каталитическое гидрирование смеси утяжеленных среднедистиллятных фракций атмосферно-вакуумной перегонки нефти, каталитического крекинга и замедленного коксования осуществляют при давлении 20,0-32,0 МПа, температуре 300-420°С и кратности циркуляции водородсодержащего газа 1500-4300 нм водорода: 1 м сырья на никель-вольфрамово-сульфидном катализаторе с добавкой окиси алюминия либо на катализаторе, содержащем гидрирующие компоненты никель, молибден в оксидной форме, при ректификации полученного гидрогенизата выделяют промежуточную фракцию, выкипающую в пределах 200-320°С, каталитический гидрокрекинг вакуумного газойля, получаемого при перегонке мазута, осуществляют при давлении 20,0-32,0 МПа, температуре 320-420°С и кратности циркуляции водородсодержащего газа 500-1500 нм водорода: 1 м сырья на катализаторе, содержащем активные компоненты никель, молибден в оксидной форме на алюмооксидном носителе, при ректификации полученного гидрогенизата каталитического гидрокрекинга выделяют бензиновую, дизельную фракции и целевой продукт - тяжелый остаток, тяжелый остаток направляют на каталитическую депарафинизацию с частичной изомеризацией и гидрированием, каталитическую депарафинизацию осуществляют при давлении 3,3-4,2 Мпа и температуре 280-380°С на никель-молибденовом катализаторе, а гидрирование на алюмо-кобальтмолибденовом катализаторе, осуществляют ректификацию полученного депарафинизата для удаления легких углеводородов с выделением тяжелой фракции, выкипающей при температуре выше 240°С, с температурой вспышки выше 130°С, осуществляют смешение полученной тяжелой фракции, выкипающей при температуре выше 240°С, с температурой вспышки выше 130°С, с фракцией, выкипающей в пределах 200-320°С, полученной из гидрогенизата гидрирования утяжеленных среднедистиллятных фракций атмосферно-вакуумной перегонки нефти, каталитического крекинга и замедленного коксования, в соотношении 10-90:90-10 мас. % с получением углеводородной основы для буровых растворов с температурой вспышки более 85°С, температурой застывания ниже минус 50°С, содержанием ароматических углеводородов ниже 2 мас. % и возможностью регулирования кинематической вязкости при 40°С в интервале от 2 до 8 мм/с.
За счет производства и компаундирования двух компонентов выработка УОБР увеличивается на 70-85% по сравнению с прототипом.
При этом изобретение может характеризоваться следующими существенными признаками:
- УОБР получена путем переработки нефти и нефтяных углеводородных фракций, что позволяет использовать в качестве сырьевой базы для ее получения широкий спектр многотоннажных продуктов нефтепереработки.
- В сырье для получения УОБР вовлекаются утяжеленные фракции, полученные при переработке нефти, являющиеся компонентами топочного мазута и обладающие низкой стоимостью, что позволяет с меньшими затратами на производство получить более рентабельный продукт.
- Технологические процессы, которые используются для реализации изобретения, являются стандартными для рассматриваемой отрасли, при этом не применяются дорогостоящие катализаторы, содержащие драгоценные металлы. Это приводит к дополнительному снижению себестоимости УОБР по заявляемому изобретению в сравнении с прототипом и аналогами.
- Увеличение выработки целевого продукта на суммарное сырье вследствие выработки двух многотоннажных компонентов и их смешения.
При этом полученная УОБР обладает высокими эксплуатационными, экологическими и противопожарными характеристиками:
- содержит в своем составе ароматических соединений менее 2 мас. %, серы ниже 0,001 мас. %, (обеспечивает экологическую безопасность);
- обладает температурой застывания ниже минус 50°С (позволяет хранить и эксплуатировать в холодных климатических зонах), температурой вспышки в закрытом тигле выше 85°С (обеспечивает требуемый уровень пожаробезопасности при хранении жидкости и ее эксплуатации в процессе бурения);
2
- в зависимости от соотношения компонентов показатель кинематической вязкости при 40°С можно регулировать от 2 до 8 мм/с (по требованиям потребителей).
Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию изобретательского уровня.
Осуществление изобретения
Для подтверждения возможности реализации заявленного изобретения в АО «Ангарская нефтехимическая компания» (АО «АНХК») были произведены опытно-промышленные пробеги по наработке двух компонентов по различной технологической схеме с последующим компаундированием данных компонентов в различных соотношениях в лабораторных условиях и последующим испытанием полученных образцов на качественные показатели УОБР. Принципиальная технологическая схема получения УОБР представлена на фиг. 1.
Предлагаемое изобретение получено в результате выполнения следующих технологических операций:
1. Получение первого компонента:
-1
3
3
3
Смеси утяжеленных среднедистиллятных фракций процессов первичной (атмосферно-вакуумная перегонка нефти) и вторичной (каталитического крекинга и замедленного коксования) переработки нефти, выкипающих в интервале 155 до 455°С, с блока приготовления смесевого сырья 1 поступают на блок глубокого гидрирования и защелачивания 2, где подвергаются гидрированию при объемной скорости подачи сырья 0,3-1,0 ч (8-25 м/ч), высоком давлении 20,0-32,0 МПа, температуре 300-420°С и кратности циркуляции водородсодержащего газа 1500-4300 нм водорода: 1 м сырья на специальных катализаторах (на никель-вольфрамово-сульфидном катализаторе с добавкой окиси алюминия либо на катализаторе, содержащем гидрирующие компоненты (никель, молибден) в оксидной форме) до уровня, обеспечивающего содержание ароматических соединений в конечном продукте, не более 3 мас. %. Для достижения требуемого содержания серы в продукте до уровня не более 0,001 мас. % (не более 10 ppm) полученный гидрогенизат дополнительно подвергают защелачиванию. Полученный гидрогенизат разделяется на фракции на блоке ректификации 3 с выделением промежуточной фракции, выкипающей в пределах от 200 до 320°С (по прототипу), представляющей собой компонент 1 УОБР. Качественные характеристики полученного компонента 1 представлены в таблице, столбец 2. Выход компонента УОБР, полученной по данной схеме, составляет не менее 60% на исходное сырье.
В качестве утяжеленных среднедистиллятных фракций процессов первичной и вторичной переработки нефти на блоке 1 используются утяжеленное прямогонное дизельное топливо (УПДТ), легкий газойль каталитического крекинга (ЛГКК), дизельная фракция (ДФЗК) и легкий газойль (ЛГЗК) замедленного коксования нефтяных остатков.
2. Получение второго компонента:
-1
3
3
3
-1
3
Полученный при переработке нефти на установке АВТ на блоке вакуумной перегонки прямогонного мазута 4 вакуумный дистиллят с температурами выкипания 250-460°С направляют на блок гидрокрекинга 5 (фиг. 1). Процесс гидрокрекинга проводят при объемной скорости подачи сырья 0,4-1,0 ч (8-21 м/ч), высоком давлении водорода 20,0-32,0 МПа, температуре 320-420°С и кратности циркуляции водородсодержащего газа 500-1500 нм водорода : 1 м сырья в трех последовательно установленных реакторах на типовом крекирующем катализаторе, содержащем активные компоненты (никель, молибден) в оксидной форме на алюмооксидном носителе. Перед применением катализатора проводят его сульфидирование. В результате процесса гидрокрекинга получают гидрогенизат, содержащий минимальное количество ароматических и гетероатомных углеводородов. Полученный гидрогенизат гидрокрекинга направляют на атмосферную разгонку на блок ректификации 6 с выделением бензиновой и дизельной фракций и получением целевого продукта - тяжелого остатка (фракция 270°С-КК). Далее тяжелый остаток направляют на блок каталитической депарафинизации 7 с частичной изомеризацией и гидрированием и последующей стабилизацией (ректификацией) депарафинизата для обеспечения требуемой температуры вспышки (удаление легких углеводородов) с получением компонента 2 УОБР, выкипающего выше 240°С, и характеризующегося температурой вспышки более 130°С и повышенной вязкостью. Процесс депарафинизации протекает на активных центрах катализатора в присутствии водорода при объемной скорости подачи сырья 0,4-1,0 ч (5,0-12,5 м/ч), давлении 3,3-4,2 МПа и температуре 280-380°С. В качестве катализатора депарафинизации используется никель-молибденовый катализатор, а гидрирования - алюмоко-бальтмолибденовый катализатор. Выход компонента УОБР, полученного по данной схеме, составляет не менее 44% на исходный вакуумный газойль. Полученный по данной схеме производства компонент 2 УОБР обладает по сравнению с компонентом 1, полученным по предыдущему пункту (столбцы 12 и 2 таблицы), более высокой кинематической вязкостью при температуре 40°С, низкой температурой застывания, высокой температурой вспышки в закрытом тигле, пониженным содержанием ароматических углеводородов, при таком же низком содержании серы.
3. Смешение двух компонентов.
Полученные два компонента смешивают в различных соотношениях на блоке приготовления смесевой УОБР 8 (фиг. 1) для улучшения эксплуатационных свойств и получения требуемой кинематической вязкости, которая определяется требованиями потребителей. При этом ввод компонента 2 на уровне 10-90% в смесевой продукт позволяет улучшить показатели качества УОБР (таблица):
- понизить температуру застывания до уровня ниже минус 50°С;
- повысить температура вспышки до уровня более 85°С;
- Уменьшить содержание ароматических углеводородов ниже 2 мас. %;
2
- Получить возможность регулирования кинематической вязкости при 40°С в интервале от 2 до 8 мм/с.
За счет компаундирования двух компонентов выработка УОБР увеличивается на 70-85% по сравнению с прототипом.
Для повышения химической стабильности УОБР может добавляться антиокислительная присадка Агидол-1 (4-метил-2,6-дитретичный бутилфенол) или ее аналог, в количестве до 0,4 мас. %.
Представленные данные свидетельствуют, что полученные образцы УОБР обладают улучшенными реологическими, низкотемпературными и экологическими показателями качества, при этом увеличивается выработка УОБР за счет компаундирования двух многотоннажных компонентов. Это, в свою очередь, подтверждает возможность достижения заявленного технического результата при условии использования предлагаемого изобретения.