Месторождения нефти и газа, находящиеся в сухопутной части арктической зоны, уже не только хорошо разведаны, но и активно эксплуатируются. Однако суровый северный климат преподносит немало проблем, самая популярная среди которых – отложение газовых гидратов в стволах скважин. Данное неорганическое вещество образуется при низких температурах и высоком давлении, что неизбежно приводит к  закупорке, остановкам добычи, аварийным ситуациям и даже взрывам.

«Транспортировка нефти и газа является многофазной системой. Однако при их добыче в небольшом количестве поднимаются вода и газ, образовывая  жидкую и газообразную фазу, вызывая возникновение твердых частиц, оседающих в пласте, либо на трубопроводе.», - поясняет природу образования «газогидратных пробок» руководитель приоритетного направления «Эконефть» Казанского университета Михаил Варфоломеев.

Такая проблема, как «газогидратные пробки» является причиной не только препятствия потока, но и разрушения металла, который, в следствии, негативно отразиться на состоянии выполненных из него технологических изделий. И, как результат, затраты на ремонт ложатся дополнительным финансовым обременением. Кроме всего прочего, аварии на трубопроводах нарушают экологию, ухудшая здоровье человека. Распространённый вариант решения возникшей проблемы - механический, когда газогидратные пробки попросту вырезают. Но даже такой, казалось бы, элементарный способ имеет свои недостатки и последствия, которые ученым приходится решать и по сегодняшний день. Более того, такая технология является попросту устаревшей.  Сегодня ей на смену пришел целый класс ингибиторов. Их делят на два типа. Первый - термодинамические ингибиторы – вещества, препятствующие протеканию реакции образования газогидратов. Однако метиловый спирт, который чаще всего в больших количествах используется в данных целях, наносит вред окружающей среде.

Альтернативный подход – кинетические ингибиторы, замедляющие скорость потока, выступающие в качестве препятствия. Благодаря кинетическим ингибиторам, газогидрат не образуется достаточно долгое время, нефть транспортируется, не создавая проблем. Несмотря на позитивные моменты, загвоздка состоит в том, что они не биоразлагаемы и являются довольно дорогим ресурсом. 

Поскольку создание ингибиторов одновременно связано с экологическими и экономическими проблемами, ученые приоритетного направления «Эконефть» Казанского федерального университета предложили новый тип реагентов гидрата метана. Химики сделали ставку на бюджетные, экологически чистые и биоразлагаемые прекурсоры, такие как растительные масла. Даже всем знакомое -  касторовое – является подходящим вариантом благодаря внутренней биоразлагаемости, низкой токсичности и доступной цене. Ученые синтезировали новый тип ингибиторов, используя касторовое масло и водную технику. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Chemical Engineering Science

«В нашей статье мы попытались решить имеющиеся проблемы за счёт использования касторового масла. Мы провели эти тесты совместно с Федеральным центром токсикологической, радиационной и биологической безопасности, и показали, что полученный ингибитор можно использовать и в море, и на суше, не создавая экологических проблем. Проведя достаточно большую работу, мы показали, что данный реагент является эффективным, поскольку он увеличивает время гидратообразования, снижает его  количество и препятствует агрегации.», - рассказал о преимуществах разработки Михаил Варфоломеев.

Отдельно отметим, что касторовое масло имеет более тысячи запатентованных промышленных применений. Оно используется в таких отраслях, как автомобильная, авиационная, косметическая, фармацевтическая, электротехника, электроника, продукты питания, производство пластмасс и телекоммуникации. Согласно будущему крупномасштабному применению в нефтегазовой промышленности, особенно на морских месторождениях, новые ингибиторы, созданные с применением касторового масла, должны обладать высокими экологическими свойствами и высокой биоразлагаемостью.  Исходя из вышеупомянутых моментов, исследователи Казанского университета смогли использовать растительные масла в качестве общего решения как минимум двух проблем - проблемы окружающей среды и блокирование потоков ископаемого топлива внутри трубопроводов.  Учёные намерены ввести растительные масла в гидратное сообщество как ценный ресурс для синтеза эффективных ингибиторов гидрата метана на основе водной техники.

Предполагается, что новый, выведенный учеными «Эконефть» метод, приведет к образованию полностью водорастворимых материалов, чьи электростатические заряды смогут образовывать дополнительные водородные связи с молекулами воды. Гидрофобность, биоразлагаемость и растворимость ингибиторов в воде можно регулировать водным методом.  

В рамках научного испытания, ученые исследовали эффективность растительных компонентов, выступающих в качестве ингибиторов кинетических гидратов. Они использовали данный реагент с молекулярной массой ~ 3,2 и 6,8 кД. В течение исследования ингибиторы задержали время начала образования гидрата метана в 26,8 и 13 раз,  снизили скорость его роста в 3,8 и 2,5 раза по сравнению с чистой водой. Результаты были дополнительно подтверждены с помощью измерений ДСК, в которых использование кинетических гидратов с молекулярной массой ~ 3,2 и 6,8 кДа уменьшало среднюю температуру начала образования гидрата метана на 6,1 и 4,7 ° С по сравнению с чистой водой, соответственно. Полученный реагент увеличивает среднее время начала образования гидрата метана с 2,3 часа для чистой воды до 8,7 и 6,4 часа. Как показал эксперимент, применение полученного учеными «Эконефть» реагента может стать перспективным вариантом для задержки времени  и температуры начала образования гидрата, снижения скорости его роста.

Итоги тестирования свидетельствуют о том, что на основе разработанных полиуретанов может быть предложена полноценная гибридная технология борьбы с вредоносным неорганическим веществом. Новые реагенты объединяют в себе свойства кинетических и термодинамических ингибиторов, снижая температуру гидратообразования даже при низкой концентрации. Обнаружено, что гидрат, образовавшийся в присутствии ингибиторов, не агрегирует или не осаждается внутри автоклава. Учёные предполагают, что данное исследование позволит по-новому взглянуть на синтез и конструкцию зеленых ингибиторов с высокой эффективностью и способностью к биологическому разложению.