Prospects for obtaining base oils from bitumen-bearing rocks of the Karasyaz-Taspas deposit

Full Text

Введение

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к развитию и внедрению отечественных технологий, направленных на производство высококачественных смазочных материалов. В Республике Казахстан на сегодняшний день отсутствует собственное промышленное производство смазочных масел, в связи с чем весь объём потребляемой продукции покрывается за счёт импорта, сопровождаемого значительными затратами на приобретение и логистику. Согласно оценкам, годовая потребность страны в смазочных материалах составляет порядка 600 тыс. т, при этом данный показатель демонстрирует стабильный рост на фоне развития транспортной инфраструктуры, расширения промышленного комплекса и увеличения числа энергетических объектов [1].

В условиях постепенного истощения запасов лёгких нефтей все более актуальным становится вопрос разработки месторождений тяжёлого углеводородного сырья (далее – УВС), такого как тяжёлые нефти и природные битумы (далее – ПБ). ПБ представляют собой некондиционное УВС, что существенно осложняет их переработку и требует индивидуального технологического подхода. В зависимости от химической природы и состава ПБ различных месторождений необходимо подбирать соответствующий комплекс технологических процессов и химических методов переработки, направленных на эффективное извлечение целевых компонентов и получение высококачественных нефтепродуктов. Одним из приоритетных направлений развития нефтеперерабатывающей промышленности страны является разработка и внедрение инновационных технологий глубокой переработки, адаптированных к свойствам тяжёлого УВС [2].

В настоящее время в Казахстане нефтебитуминозные породы (далее – НБП) практически не используются, что обусловлено их недостаточной изученностью, отсутствием эффективных технологий извлечения и переработки, а также ограниченной информацией о возможных направлениях применения получаемых продуктов. Освоение месторождений НБП позволит обеспечить целый ряд отраслей экономики страны ценным отечественным сырьём. Практическое решение задач по освоению НБП представляет собой одно из приоритетных направлений развития энергетики и нефтехимической промышленности в ближайшем будущем [3]. Следует отметить, что на территории Западного Казахстана сосредоточены значительные запасы НБП, имеющие промышленное значение. По нашим оценкам [4], прогнозные ресурсы тяжёлых УВ составляют более 125–350 млн т ПБ и порядка 20–25 млрд т НБП.

С учётом роста потребности в моторных и смазочных материалах, а также наличия на территории Казахстана уникальных месторождений НБП возникает объективная необходимость развития технологий их глубокой переработки. В современных условиях приоритетным направлением для устойчивого роста топливно-энергетического и нефтехимического секторов экономики является разработка и промышленное внедрение технологических решений, адаптированных к переработке характерных для региона тяжёлых, высоковязких и сернистых нефтей с получением не только моторных топлив, но и минеральных масел, соответствующих современным требованиям к качеству.

Материалы и методы

Объектом исследования являлся мазут, полученный в результате атмосферной перегонки ПБ месторождения Карасязь-Таспас.

Физико-химические характеристики мазута и выделенных масляных фракций определялись по стандартным нормативным методам ASTM (англ. American Society for Testing and Materials – Американское общество испытаний и материалов) и ГОСТ. Дополнительно был проведён анализ углеводородного состава (парафиновые, нафтеновые и ароматические соединения) и расчёт индекса вязкости.

Основные требования к базовым маслам

Сегодня мазут выступает основным сырьевым источником для производства базовых минеральных масел. Его получают в результате атмосферно-вакуумной перегонки тяжёлой нефти с содержанием масляных фракций не менее 38%. По происхождению базовые масла делят на три основные группы: нефтяные, синтетические и смешанные на основе сложных эфиров. Наиболее широкое распространение получили нефтяные масла, которые в зависимости от технологии получения подразделяются на дистиллятные, остаточные и компаундированные. В последние годы растёт интерес к синтетическим маслам, обладающим высокими значениями кинематической вязкости и индекса вязкости, что обеспечивает улучшенные эксплуатационные характеристики. Путём смешения базовых масел с различной вязкостью и введения многофункциональных присадок получают товарные моторные и индустриальные масла, удовлетворяющие современным требованиям к качеству смазочных материалов [5]. На рис. 1 представлены типы и методы получения базовых масел.

 

Рисунок 1. Типы базовых масел и методы их получения [5]

Figure 1. Types of base oils and methods of their production [5]

 

Экологические характеристики нефтяных масел, в т.ч. остаточных, в значительной степени определяются содержанием серы и групповым составом УВ. Технические свойства остаточных масел во многом зависят от их вязкостно-температурных характеристик, ключевым показателем которых является индекс вязкости. Основные требования, предъявляемые к базовым нефтяным маслам в соответствии с классификацией API, приведены в табл. 1. Указанная классификация обеспечивает стандартизированный подход к выбору масел для различных отраслей экономики [7, 8].

 

Таблица 1. Классификация базовых масел в соответствии с требованиями API

Table 1. Classification of base oils in accordance with API requirements

Группа Group	Содержание серы, %масс. Sulfur content, wt.%	Оператор Operator	Содержание насыщенных УВ, % Saturated hydrocarbon content, %	Индекс вязкости Viscosity index
I	>0,03	и / или or / and	<90	80–119
II	≤0,03	и / and	≥90	80–119
III	≤0,03	и / and	≥90	≥120
IV	РАО (полиальфаолефины)
V	Все остальное, не включенные в группы I–IV (нафтеновые базовые масла и не РАО синтетические масла) All others not included in I–IV (naphthenic base oils and non-PAO synthetic oils)
VI	Полиалкилнафталины

API – American Petroleum Institute (Американский институт нефти). api.org

РАО – Роlу-Alpha-Olefin; УВ – углеводороды

 

По европейской классификации SAE (англ. Society of Automotive Engineers – Общество автомобильных инженеров) моторные масла подразделяются на зимние, летние и всесезонные. Зимние масла (обозначаемые индексом «W») характеризуются пониженной вязкостью при отрицательных температурах, что обеспечивает лёгкий запуск двигателя в холодное время года. Летние масла, напротив, сохраняют стабильные смазочные свойства при эксплуатации в условиях высоких температур. Наибольшее распространение получили всесезонные масла, обеспечивающие надёжную работу двигателя в широком температурном диапазоне благодаря оптимальному подбору вязкостных характеристик и применению модификаторов вязкости (табл. 2).

 

Таблица 2. Европейская классификация масел SAE для моторных масел [7]

Table 2. European SAE classification of motor oils [7]

Классификация Classification		Диапазон кинематической  вязкости при 100°С, мм²/с Kinematic viscosity range at 100 °С, mm²/s		Температурный  диапазон, °С Temperature range, °С
		min	max	min	max
зимние winter	0W	3,8	–	–35	+20
	5W	3,8	–	–30	+20
	10W	4,1	–	–25	+45
	15W	5,6	–	–20	+45
	20W	5,6	–	–15	+45
	25W	9,3	–	–10	+20
летние summer	20	5,6	9,3	–	–
	30	9,3	12,5	–	–
	40	12,5	16,3	–	–
	50	16,3	21,9	–	–
	60	21,9	26,1	–	–

 

Согласно ГОСТ 17479.1-2015¹ устанавливаются классификация и система обозначений моторных масел в зависимости от их температурной пригодности и области применения. В соответствии с данным стандартом моторные масла подразделяются на летние (марки 10, 12, 14, 16, 20, 24), зимние (марки 3з, 4з, 5з, 6з, 6, 8) и всесезонные (марки 3з/8, 4з/6, 4з/8).

Такое деление учитывает диапазон рабочих температур и обеспечивает обоснованный выбор масла с учётом климатических условий эксплуатации и требований к надёжности функционирования двигателя.

 

Таблица 3. Классы вязкости моторных масел согласно ГОСТ 17479.1-2015

Table 3. Motor oil viscosity grades according to GOST 17479.1-2015

Классы вязкости  Viscosity grades	Кинематическая вязкость,  мм²/с (сСт), при температуре Kinematic viscosity, mm²/s (cSt), at a temperature of
	+100°С	-18°С, не более -18°С,  not higher than
3з	⩾ 3,8	1250
4з	⩾ 4,1	2600
5з	⩾ 5,6	6000
6з	⩾ 5,6	10400
8	5,6–7,0	–
8	7,0–9,3	–
10	9,3–11,5	–
12	11,5–12,5	–
14	12,5–14,5	–
16	14,5–16,3	–
20	16,3–21,9	–
24	21,9–26,1	–
3з/8	7,0–9,3	1250
4з/6	5,6–7,0	2600
5з/10	9,3–11,5	6000
5з/12	11,5–12,5	6000
5з/14	12,5–14,5	6000
6з/10	9,3–11,5	10400
6з/14	12,5–14,5	10400
6з/16	14,5–16,3	10400

 

ГОСТ 20799-2022² устанавливает требования к классификации, маркировке, а также физико-химическим показателям качества индустриальных масел. Настоящий стандарт обеспечивает унифицированный подход к оценке эксплуатационных свойств и качества продукции, что способствует стандартизации процессов подбора и применения индустриальных масел в различных отраслях промышленности. Основные физико-химические характеристики индустриальных масел приведены в табл. 4.

 

Таблица 4. Физико-химические показатели индустриальных масел в соответствии с ГОСТ 20799-2022

Table 4. Physical and chemical properties of industrial oils according to GOST 20799-2022

Марка масла Oil grade	Вязкость кинематическая при 40°С, мм²/с Kinematic viscosity at 40°С, mm²/s	Массовая доля серы, %масс. Sulfur content, wt. %	Плотность при 20°С, г/см³ Density at 20°С, g/cm³	Температура застывания, °С Pour point, °С
И-5А	6,00–8,00	> 1,0	< 0,870	<-18
И-8А	9,00–11,00	> 1,0	< 0,880	<-15
И-12А	13,00–17,00	> 1,0	< 0,880	<-15
И-12А₁	13,00–17,00	> 1,0	< 0,880	<-30
И-20А	29,00–35,00	> 1,0	< 0,890	<-15
И-30А	41,00–51,00	> 1,0	< 0,890	<-15
И-40А	61,00–75,00	> 1,1	< 0,900	<-15
И-50А	90,00–110,00	> 1,1	< 0,910	<-15

 

 

Результаты и обсуждение

Объектом исследования являлась фракция мазута, полученная при атмосферной разгонке ПБ месторождения Карасязь-Таспас на установке АРН (атмосферно-вакуумная разгонка нефти) в соответствии со стандартами ASTM: ASTM D 2892³ и ASTM D 5236⁴. В табл. 5 представлены физико-химические характеристики мазута (фракция >350°С).

 

Таблица 5. Характеристика фракций мазута ПБ месторождения Карасязь-Таспас

Table 5. Characteristics of fuel oil fractions of natural bitumen from the Karasyaz-Taspas deposit

№	Наименование показателя Indicator name	Результат Result	Нормативный документ  на методы испытания Regulatory document on testing methods
1	Плотность при 20°С, кг/м³ Density at 20 °C, kg/m³	963,1	СТ РК ASTM D 4052-20135
2	Массовая доля серы, %масс. Sulfur content, wt.%	0,453	СТ РК ASTM D 4294-20116
3	Температура застывания, °С Pour point, °C	-20	ГОСТ 20287-917
4	Температура помутнения, °С Cloud point, °C	-17	ГОСТ 20287-91
5	Кинематическая вязкость, мм²/с, при: Kinematic viscosity, mm²/s,		СТ РК ASTM D 7042-20158
	40°С	20,93
	50°С	14,90
	80°С	6,65
	100°С	4,42
6	Зольность, %масс. Ash content, wt.%	0,26	ГОСТ 1461-759
7	Температура вспышки в закрытом тигле, °С Flash point in closed cup, °C	142	ГОСТ 6356-7510

 

Перегонка ПБ месторождения Карасязь-Таспас проводилась под вакуумом на автоматизированной лабораторной установке АРН. Поскольку при высоких температурах для УВС характерно термическое разложение, процесс был завершён на стадии отбора масляных фракций до температуры конца кипения 460°С. В результате перегонки фракции мазута было получено около 33%масс. широкой масляной фракции 350–460°С. Общая потеря при перегонке ПБ не превысила 2,1%масс.

Исследование полученных фракций в качестве потенциальных базовых масел осуществлялось по традиционной схеме, включающей последовательные этапы очистки. Очистка масляных фракций проводилась методом адсорбционной обработки с применением отбеливающей глины при температуре 170–200°С в течение 25–30 мин. В результате атмосферно-вакуумной перегонки мазута были выделены лёгкие (350–400°С) и средние (400–460°С) масляные фракции, представляющие интерес для дальнейшего изучения как потенциальные базовые компоненты индустриальных и моторных масел.

Основные физико-химические свойства базовых масел, полученных из ПБ месторождения Карасязь-Таспас, представлены в табл. 6.

 

Таблица 6. Характеристика масляных фракций ПБ месторождения Карасязь-Таспас

Table 6. Characteristics of oil fractions of natural bitumen from the Karasyaz-Taspas deposit

№	Наименование показателя  Indicator name	350–400°С		400–460°С		Нормативный документ  на методы испытания Regulatory document  on testing methods
		до очистки before purification	после очистки after purification	до очистки before purification	после очистки after purification
1	Плотность при 20°С, кг/м³ Density at 20 °C, kg/m³	924,2	920,51	951,4	947,5	СТ РК ASTM D 4052-2013
2	Вязкость, мм²/с, при: Viscosity, mm²/s
	40°С	54,34	61,22	94,88	103,25	СТ РК ASTM D 7042-2015
	100°С	6,91	8,36	10,24	12,29
3	Индекс вязкости, ВУ Viscosity index (VI)	76,3	106,2	87,0	110,7	СТ РК ASTM D 7042-2015
4	Соотношение вязкостей n40/n100 Viscosity ratio n40/n100	7,86	7,32	9,27	8,40	–
5	Показатель преломления (n20D) Refractive index (n20D)…	1,5084	1,5080	1,5289	1,5137	–
6	Температура застывания, °С Pour point, °C	-10	-10	-10	-12	ГОСТ 20287-91
7	Содержание общей серы, % Total sulfur content, wt.%	0,44	0,39	0,46	0,43	СТ РК ASTM D 4294-2011
8	Содержание УВ, %, из них: Hydrocarbon composition, %, incl.:	100%	100%	100%	100%	–
	ароматических Aromatic hydrocarbons, %	17%	10%	22%	6%	–
	нафтеновых Naphthenic hydrocarbons, %	47%	59%	44%	69%	–
	парафиновых Paraffinic hydrocarbons, %	36%	31%	34%	25%	–

ВУ / CU – вязкость условная / Conditional viscosity

 

Индекс вязкости масляных фракций с интервалами температур кипения 350–400°С и 400–460°С составляет 106 и 112 соответственно, что свидетельствует об их высоких эксплуатационных свойствах. Базовые масла, полученные в результате очистки фракций вакуумной перегонки, характеризуются повышенным индексом вязкости по сравнению с исходными неочищенными масляными фракциями, что указывает на улучшение их эксплуатационных свойств. С увеличением температуры кипения масляных фракций наблюдается закономерный рост плотности, показателя преломления и индекса вязкости. Полученные масляные фракции отличаются низким содержанием серы, что повышает их экологическую и технологическую ценность.

Основу базового масла составляет смесь парафиновых, нафтеновых и ароматических УВ. Групповой углеводородный состав масляных фракций, полученных из ПБ месторождения Карасязь-Таспас, может быть оценён по выходу отдельных углеводородных фракций на основе показателя преломления.

Технические требования к различным видам масел и соответствующим им по свойствам масляным фракциям ПБ месторождения Карасязь-Таспас приведены на рис. 2–4. Анализ представленных данных показывает, что исследованные масляные фракции, полученные из мазута ПБ, соответствуют требованиям и могут быть использованы для производства базовых масел.

 

Рисунок 2. Сравнение фракций масел с классификацией API

Figure 2. Comparison of oil fractions with API classification

 

Согласно классификации API, базовые масла I группы характеризуются содержанием серы свыше 0,03% и долей насыщенных УВ не менее 90%. Их индекс вязкости находится в диапазоне 80–119. Масляные фракции с температурными интервалами кипения 350–400°С и 400–460°С, полученные из фракций мазута ПБ, по своим физико-химическим характеристикам соответствуют требованиям, предъявляемым к базовым маслам I группы в соответствии с классификацией API (рис. 2). После проведения соответствующих процессов гидроочистки указанные масляные фракции соответствуют требованиям, установленным для базовых масел II группы API.

Фракция с интервалом кипения 350–400°С характеризуется кинематической вязкостью и температурным диапазоном эксплуатации, сопоставимыми с маслами классов SAE 40–50, тогда как фракция 400–460°С по аналогичным показателям соответствует моторным маслам классов SAE 30 и 25W (рис. 3). Однако температурные свойства указанных фракций, в частности, температура застывания, остаются недостаточными для их непосредственного применения в качестве зимних моторных масел. Это указывает на необходимость проведения дополнительных процессов депарафинизации и модификации с применением присадок для улучшения низкотемпературных и эксплуатационных характеристик.

 

Рисунок 3. Сравнение фракций масел с классификацией SAE

Figure 3. Comparison of oil fractions with SAE classification

 

Исследуемая фракция 350–400°С по вязкостным характеристикам сопоставима с индустриальным маслом марки И-40А, а фракция 400–460°С – с маслом марки И-50А. Исследуемые фракции демонстрируют потенциальную пригодность в качестве базовых компонентов для индустриальных масел в соответствии с требованиями ГОСТ 20799-2022. Однако температурные свойства, в частности, температура застывания для указанных фракций составляет около -10°С, что существенно выше аналогичных показателей стандартных масел И-40А и И-50А (рис. 4). Это ограничивает их непосредственное применение в зимних условиях и указывает на необходимость проведения дополнительных процессов очистки, направленных на улучшение низкотемпературных характеристик.

 

Рисунок 4. Сравнение фракций масел с марками индустриальных масел по ГОСТ 20799-2022

Figure 4. Comparison of oil fractions with industrial oil grades according to GOST 20799-2022

 

Заключение

Результаты проведённых научно-прикладных исследований вносят значимый вклад в разработку теоретических и технологических подходов к получению базовых масел высокого качества из тяжёлых углеводородных ресурсов, включая ПБ. Анализ состава и свойств масляных фракций, полученных из мазута ПБ месторождения Карасязь-Таспас, подтвердил возможность их использования в качестве сырья для производства индустриальных и моторных масел.

Показана целесообразность комплексной переработки ПБ в условиях Казахстана для получения высококачественных индустриальных и моторных масел. Это позволит снизить зависимость от импортных смазочных материалов, тем самым обеспечит формирование отечественной сырьевой базы и повысит энергетическую безопасность страны. Полученные результаты представляют научно-практическую основу для дальнейших исследований, направленных на оптимизацию процессов депарафинизации и гидроочистки, а также на повышение эксплуатационных характеристик базовых масел.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Аяпбергенов Е.О. – интерпретация и систематизация результатов, написание рукописи; Туркпенбаева Б.Ж. – генерация идеи исследования ипостановка задач; Ахметов А.Ф. – формирование идеи и редактирование рукописи.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The greatest contribution is distributed as follows: Yerbolat O. Ayapbergenov – interpretation and systematization of results, manuscript writing; Bibigul Zh. Turkpenbayeva – development of the research idea and formulation of objectives; Arslan F. Akhmetov – conceptualization and manuscript editing.

 

¹ ГОСТ 17479.1-2015. Масла моторные. Классификация и обозначение.

² ГОСТ 20799-2022. Масла индустриальные. Технические условия.

³ ASTM D 2892. Standard Test Method for Distillation of Crude Petroleum(15-Theoretical Plate Column). astm.org.

⁴ ASTM D 5236. Standard Test Method for Distillation of Heavy Hydrocarbon Mixtures (Vacuum Potstill Method). astm.org.

⁵ СТ РК ASTM D 4052-2013 «Стандартный метод определения плотности, относительной плотности и плотности API (в градусах американского нефтяного института) жидкостей с помощью цифрового ареометра».

⁶ СТ РК АСТМ Д 4294-2011 «Стандартный метод определения серы в нефти и нефтепродуктах методом рентгенофлуоресцентной спектрометрии на основе энергии дисперсионного взаимодействия».

⁷ ГОСТ 20287-91 «Нефтепродукты. Методы определения температур текучести и застывания».

⁸ СТ РК ASTM D 7042-2015 «Стандартный метод определения динамической вязкости и плотности жидкостей с помощью вискозиметра Штабингера и расчет кинематической вязкости».

⁹ ГОСТ 1461-75 «Нефть и нефтепродукты. Метод определения зольности»

¹⁰ ГОСТ 6356-75 (СТ СЭВ 1495-79) «Нефтепродукты. Метод определения температуры вспышки в закрытом тигле».

About the authors

Yerbolat O. Ayapbergenov

Branch of KMG Engineering “KazNIPImunaigaz”

Author for correspondence.
Email: e.ayapbergenov@kmge.kz
ORCID iD: 0000-0003-3133-222X

Cand. Sc. (Engineering), Professor

Kazakhstan, Aktau

Bibigul Zh. Turkpenbayeva

KMG Engineering

Email: b.turkpenbaeva@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0008-3770-354X

Doct. Sc. (Engineering), Professor

Kazakhstan, Astana

Arslan F. Akhmetov

Ufa State Oil Technical University

Email: tngrusoil@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0170-4774

Doct. Sc. (Engineering), Professor

Kazakhstan, Ufa

References

Supplementary files