​​
Ученые из Института неорганической химии имени А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН) исследовали реакцию образования кристаллических соединений воды и газа (газовых гидратов) с метастабильной (неустойчивой) структурой. Понимание механизма образования газогидратов очень важно, поскольку эти соединения могут создавать осложнения при добыче нефти и газа и одновременно с этим являются богатейшим потенциальным источником топлива. Исследование поддержано грантом РНФ. Статья опубликована в Journal of Natural Gas Science and Engineering. 

Газовые гидраты – внешне похожие на снег или лед кристаллические соединения, которые образуются при контакте газа и воды при определенных температурах и давлениях. Газогидраты могут иметь разную кристаллическую структуру. При переходе от одной структуры к другой изменяется порядок атомов относительно друг друга и межатомные расстояния. Наиболее «удобное» взаиморасположение атомов соответствует стабильной структуре гидрата, но при определенных условиях могут возникать и метастабильные образования, которые обычно не являются устойчивыми и не сохраняются.

Гидраты образует большинство природных газов, но самый распространенный из них – гидрат широко используемого в быту и промышленности метана. Стабильная структура гидрата метана – кубическая структура I (КС-I). Исследователи ИНХ СО РАН обнаружили метастабильную кубическую структуру гидрата метана (КС-II), которая образуется при резком охлаждении газонасыщенной эмульсии воды в некоторых видах нефти.

Исследователи из разных стран уже фиксировали появление метастабильных структур газогидратов в системе «газ – вода», но для системы с присутствием нефти образование КС-II зафиксировано впервые.

«Мы изучали, как образуются газогидраты в присутствии одного из исследуемых видов нефти. В специальной установке мы охладили образец до температуры кипения жидкого азота (-196 °С), извлекли его и определили, какие кристаллические вещества присутствуют в системе. С помощью рентгеновских лучей мы идентифицировали тип кристаллической структуры. В системе присутствовал обычный лед и небольшое количество гидрата метана с метастабильной структурой. С этого началось исследование», – рассказал один из авторов статьи, старший научный сотрудник кафедры физической и коллоидной химии Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина, кандидат химических наук Андрей Стопорев.

В большинстве случаев при резком охлаждении наблюдается стабильная модификация, тогда как в некоторых видах нефти при тех же условиях образуется метастабильная модификация гидрата метана. При длительном же (в течение недели) выдерживании этих видов водонефтяных эмульсий при положительной температуре (1 °C) и давлении метана в сто атмосфер образуется стабильная модификация КС-I. Полученные результаты говорят о том, что формирование структуры I может происходить через промежуточное образование структуры II. Это позволяет делать вывод о механизме образования гидратных фаз в водонефтяных эмульсиях.

Одна из основных проблем при добыче и транспортировке нефти и газа в условиях холодного климата – отложение газовых гидратов в стволах скважин и на стенках трубопроводов. Газогидратные пробки приводят к их закупорке, остановкам добычи и иногда даже к аварийным ситуациям и взрывам. Сейчас эту проблему решают с помощью термодинамических ингибиторов – веществ, которые «мешают» протеканию реакции образования газогидратов. Для этих целей чаще всего используют метиловый спирт, который расходуется в очень больших количествах и наносит вред окружающей среде. Альтернативный подход – кинетические ингибиторы, которые будут замедлять скорость протекания реакции настолько, чтобы газогидраты не успевали образовываться в «опасных» участках трубопровода. Здесь-то и может пригодиться знание механизма их образования, потому что различные вещества по-разному блокируют образование гидратов КС-I и КС-II. Если образование гидрата происходит через промежуточную структуру, то нужно искать вещества, лучше всего ингибирующие именно эту метастабильную структуру.

«На данный момент ингибиторы, которые описаны в литературе и используются в промышленности, предназначены для чистых систем «газ – вода», без нефти. А когда в системе появляется нефть, то между ингибиторами и теми веществами, которые присутствуют в самой нефти, начинается конкуренция, и эффективность ингибиторов может снижаться. Поэтому важно знать механизм протекания реакции и подбирать конкретные вещества, исходя из этого. В наших дальнейших планах подробно исследовать механизм протекания реакции образования газогидратов, установить, как он изменяется в зависимости от типа нефти, и найти ингибиторы, которые будут эффективны для систем, где кроме газа и воды присутствует нефть», – пояснил Андрей Стопорев.

Кроме того, изучать влияние различных сред и веществ на механизм образования гидратов важно и потому, что некоторые из них могут помочь проводить обратный процесс (разложение гидрата). По оценкам нефтегазовых геологов, значительная часть метана содержится именно в форме гидрата – в зоне «вечной мерзлоты» и в донных отложениях океанов. Так, богатейшие ресурсы газогидратов были обнаружены и на территории России. Однако разрабатывать эти потенциальные источники топлива сегодня все еще экономически не выгодно, и ученые всего мира пытаются найти более простые и дешевые способы извлекать газ из гидратов.

Исследование проведено совместно с коллегами из Новосибирского государственного университета, Российского государственного университета нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина (Москва) и Института химии нефти СО РАН (Томск). 

Источники

Обнаружены особенности образования соединений, которые мешают добыче нефти и газа
Teneta news (teneta.ru), 30/12/2018
Обнаружены особенности образования соединений, которые мешают добыче нефти и газа
Техника будущего (rao-ees.ru), 29/12/2018
Обнаружены особенности образования соединений, которые мешают добыче нефти и газа
24ТОП.kz (24top.kz), 29/12/2018
Обнаружены особенности образования соединений, которые мешают добыче нефти и газа
Margust (gazeta-margust.ru), 29/12/2018
Обнаружены особенности образования соединений, которые мешают добыче нефти и газа
Новости@Rambler.ru, 29/12/2018
Обнаружены особенности образования соединений, которые мешают добыче нефти и газа
Газета.Ru, 29/12/2018
Обнаружены особенности образования соединений, мешающих добыче нефти и газа
Индикатор (indicator.ru), 29/12/2018
Обнаружены особенности образования соединений, которые мешают добыче нефти и газа
Российский научный фонд (рнф.рф), 10/01/2019

Похожие новости

  • 07/08/2018

    Магистранты ТПУ примут участие в работе над уникальными проектами

    ​Магистрантам Томского политехнического университета предлагают стать участниками уникальных исследовательских проектов в составе научных групп под руководством ведущих ученых вуза. Одной из таких научно-исследовательских групп является коллектив научно-образовательного центра Н.
    345
  • 06/01/2019

    Российские химики раскрыли тайну рождения арктического «метана-убийцы»

    Химики из России выяснили, как формируются нестабильные кристаллы метановых гидратов – "замороженной" разновидности природного газа, вызывающей взрывы на дне морей Арктики. Их выводы были представлены в Journal of Natural Gas Science and Engineering.
    369
  • 10/01/2019

    Топ-20 разработок сибирских ученых в 2018 году

    На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-20 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2018 года, размещенных на нашем портале.
    405
  • 31/12/2017

    Топ-10 исследований российских ученых 2017 года по версии РНФ

    Около 35 тысяч российских ученых проводили и проводят фундаментальные исследования при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Ежемесячно в российских и зарубежных СМИ выходят десятки новостей об их достижениях.
    2137
  • 02/01/2019

    Созданы катализаторы для сжигания продуктов газификации твердого топлива

    ​Российские ученые разработали новый композитный катализатор на основе оксидов железа, меди и алюминия и определили его активность. Разработанный катализатор будет использоваться для сжигания продуктов газификации различных видов топлива в кипящем слое.
    311
  • 04/04/2018

    Подведены итоги оценки результативности научных организаций

    454 организации разделили по трем категориям. Чем отличились сельскохозяйственные институты, чему Минздраву стоит поучиться у ФАНО и в каком регионе больше всего институтов из третьей категории, читайте в материале Indicator.
    1709
  • 04/10/2018

    История и порядок вручения премии «Глобальная энергия»

    4 октября 2018 года в рамках форума "Российская энергетическая неделя" состоится торжественное вручение премии "Глобальная энергия". В этом году ее удостоены двое ученых из России и Австралии: академик Российской академии наук (РАН) Сергей Алексеенко и профессор Мартин Грин.
    384
  • 20/03/2017

    Институт катализа СО РАН и Лицей № 130 откроют совместную химическую лабораторию

    Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Лицей № 130 имени академика М.А. Лаврентьева откроют совместную химическую лабораторию. Учащиеся смогут со школьной скамьи получить опыт работы в настоящей лаборатории под руководством научных сотрудников, решая реальные исследовательские задачи.
    1926
  • 05/10/2016

    Новосибирские учёные «вырастили» органические светоизлучающие полупроводники

    ​Группа учёных из Новосибирского государственного университета, Новосибирского института органической химии (НИОХ), МГУ и Университета Гронингена (Нидерланды) опубликовала результаты мультидисциплинарного исследования в сфере органической электроники.
    1841
  • 10/03/2017

    Российские ученые разработали новое вещество против вируса гриппа на основе природных соединений

    ​Ученые из Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и Научно-исследовательского института гриппа в Санкт-Петербурге разработали новый продукт широкого спектра противовирусной активности, в основе которого лежат природные соединения: терпены и терпеноиды.
    2063