​​
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

  • 07/08/2020

    Обнаружено новое фазовое состояние нанолокализованной воды

    ​​Сотрудники лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ совместно с российскими и зарубежными коллегами открыли новое фазовое состояние нанолокализованной воды — воды, отдельные молекулы которой расположены в полостях кристаллической решетки кордиерита.
    879
  • 26/11/2020

    НГУ и Институт катализа СО РАН создали платформу адресной подготовки специалистов для промышленности

    ​​​В Новосибирском государственном университете совместно с Институтом катализа СО РАН создано новое подразделение — Институт химических технологий. Институт действует по принципу гибкой платформы: заказчик ставит задачу, затем формируется команда преподавателей-исследователей при участии проходящих подготовку студентов и аспирантов.
    2180
  • 30/12/2020

    Топ-30 разработок сибирских ученых в 2020 году

    ​На портале «Новости сибирской науки» можно познакомиться с инновациями и последними достижениями сибирских ученых. Сегодня мы предлагаем вашему вниманию Топ-30 сообщений о наиболее значимых и интересных научных разработках 2020 года, размещенных на нашем сайте.
    6261
  • 22/03/2021

    Ускоренный отбор. Генетические технологии обеспечивают продовольственную безопасность

    ​ В свое время создание сорта яровой пшеницы «Новосибирская-67» окупило первую очередь строительства Новосибирского Академгородка, как отмечал отец-основатель Сибирского отделения АН СССР академик Михаил Лаврентьев.
    805
  • 17/07/2020

    СО РАН направляет в Арктику большую норильскую экспедицию

    ​​Группа ученых из Российской академии наук всесторонне изучит экологическую среду территории и представит предложения и рекомендации по наилучшим природосберегающим решениям для деятельности промышленных компаний в Арктическом регионе.
    4869
  • 20/02/2021

    В России может появиться федеральный центр развития технологий для водородной энергетики

    ​​​Такое предложение было озвучено на выездном совещание президента РАН Александра Сергеева и председателя Совета директоров ПАО АФК «Система» Владимира Евтушенкова в Институте проблем химической физики РАН.
    1268
  • 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.
    1782
  • 28/01/2021

    Учёные определили роль электрического поля при образовании алмазов в мантии Земли

    ​Сотрудники Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН и Новосибирского государственного университета совместно с коллегой из Германии предложили и экспериментально обосновали модель образования алмаза в условиях мантии Земли при воздействии электрического поля.
    966
  • 09/07/2021

    Год науки и технологий/Наука и университеты: Специализированные учебные научные центры погружают детей в прикладную науку

     В Год науки и технологий Правительство РФ внесло на рассмотрение Государственной Думы законопроект о финансировании специализированных учебных научных центров (СУНЦ) из федерального бюджета, а не через систему грантов, как это было раньше.
    1125
  • 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.
    2236