Ученые нашли способ безопасной добычи стратегического «кислого» газа в Арктике

Однако существующие методы борьбы с ними недостаточно эффективны: стандартные ингибиторы теряют силу, а альтернативы — чрезмерно дороги или технически невозможны. Решение предложили ученые Пермского Политеха совместно с международными коллегами. Они создали реагенты на основе нового класса соединений — поликватерниумов, которые в 2 раза эффективнее против гидратов, чем традиционные аналоги.

 

Стратегическим ресурсом современной энергетики становится природный газ особого состава — так называемый «кислый». В отличие от обычного (метанового), который сразу идет на заправки и в дома, «кислый» содержит большое количество агрессивного сероводорода и требует специальной очистки. Его гигантские запасы, составляющие до трети мировых, сосредоточены на Ближнем Востоке, в Северной Америке и России.

 

Однако разработка подобных месторождений связана с уникальным технологическим риском — образованием газовых гидратов. Эти ледяные пробки, растущие внутри труб, — угроза для всей газовой отрасли, но именно в среде «кислого» топлива они формируются намного быстрее и агрессивнее. Причина в том, что влага из газа при низкой температуре и высоком давлении вступает в реакцию не только с метаном, но и с сероводородом, что резко ускоряет кристаллизацию. В результате магистраль может быть полностью заблокирована за считанные минуты, что ведет к аварийным остановкам, дорогостоящему ремонту и многомиллионным убыткам.

 

Для России, где свыше 80% всего добываемого газа приходится на Арктику, борьба с гидратами становится вопросом энергетической безопасности. Именно в суровых условиях севера и на морском шельфе, где температура среды постоянно близка к нулю, риск мгновенного образования ледяных пробок наиболее высок. 

 

Сегодня основными средствами борьбы с ними служат ингибиторы (специальные химические добавки, замедляющие процесс образования пробок) на основе поливинилкапролактама (сложное химическое соединение – компонент большинства коммерческих подавляющих реагентов, например, PVCap). Их молекулы «обманывают» систему, мешая воде и газу сформировать кристалл и оттягивая момент образования пробки. Однако они оказывают действие лишь для «чистого» газа, так как сероводород вступает в реакцию с соединением и резко снижает его эффективность. Кроме того, многие такие реагенты имеют серьезный эксплуатационный недостаток — они образуют стойкую пену, которая нарушает работу технического оборудования и затрудняет их повторное использование. 

 

Чтобы преодолеть это ограничение, инженеры создают различные улучшенные варианты PVCap, но все они дают лишь временный или незначительный эффект. К другим методам также относятся термоизоляция труб или осушка газа. Однако они либо чрезвычайно дороги, либо технически невозможны, особенно на больших протяженных магистралях и в условиях морского дна. Именно поэтому разработка принципиально новой, устойчивой к сероводороду технологии борьбы с гидратами становится ключевой задачей для обеспечения надежности и бесперебойности газоснабжения.

 

Решение предложили ученые Пермского Политеха совместно с международной командой исследователей. Они синтезировали два новых ингибитора, взяв за основу ранее не применявшийся для этой цели класс соединений — поликватерниумы (PQ). Это позволило в несколько раз повысить эффективность защиты трубопроводов от образования газовых гидратов по сравнению с аналогами.

 

Поликватерниумы — полимеры, известные своей высокой способностью взаимодействовать с водой и поверхностями, благодаря чему они давно и широко используются в производстве косметики, например, в качестве кондиционирующих добавок в шампунях.

 

Исследователи создали два новых вещества этого класса с разной структурой: PQ-7 и PQ-10.

 

— Первое (PQ-7) сделано на синтетической основе полиакриламида с добавлением пирролидиниевых и аммониевых групп. Эти молекулы сравнительно небольшие, что позволяет им быстро перемещаться. Особые химические группы в их составе работают как магнитные крючки, которые мгновенно хватаются за растущие кристаллы льда и не дают им собираться. Второе (PQ-10) построено на крупных молекулах природного происхождения — это модифицированная целлюлоза с аммониевыми и гидроксипропильными группами. Их задача — создать в воде структурный барьер, который физически мешает частицам воды и газа сблизиться и образовать кристалл, — рассказал Дмитрий Мартюшев, профессор кафедры «Нефтегазовые технологии», доктор технических наук.

 

Для проверки их эффективности ученые использовали комплексный подход, сочетающий лабораторные эксперименты и компьютерное моделирование.

На экспериментальном стенде была воссоздана работа реального газопровода (давление свыше 100 атмосфер, охлаждение до 1°C). В реактор подавали модельный «кислый» газ и растворы ингибиторов разной концентрации. Измеряли время до начала образования гидратов, температуру кристаллизации и степень переохлаждения. Эффективность PQ-7 и PQ-10 сравнивали друг с другом, с коммерческим PVCap и с системой без защиты.

 

— Без ингибиторов гидраты начинали расти через 4 часа. Аналог увеличил это время до 12 часов, а новый PQ-7 — более чем до 24 часов. PQ-10 также показал высокую эффективность (23,8 часа), однако для этого ему потребовалась концентрация 0,5% — такая же высокая, как и у стандартного PVCap. В то же время наш первый реагент сохранял максимальную эффективность уже при концентрации 0,1% и позволял системе безопасно охлаждаться до +1,8°C, тогда как используемый коммерческий состав переставал работать уже при +7,7°C. Дополнительным преимуществом новых соединений также стало низкое пенообразование, — поделился Дмитрий Мартюшев.

 

Таким образом, PQ-7 превосходит аналог по всем ключевым параметрам: эффективнее в 2 раза, устойчивее к переохлаждению на 53% и экономичнее в 5 раз по расходу реагента. PQ-10 также дает хороший результат, но требует более высокой дозы, как и промышленный стандарт.

 

Дополнительно ученые также провели компьютерное моделирование. Они создали виртуальную среду из множества молекул, чтобы посмотреть, как именно работают ингибиторы. Модель показала, как PQ-7 и PQ-10 прикрепляются к растущим кристаллам льда, разрушают их структуру и меняют свойства окружающей жидкости. Совпадение данных эксперимента и моделирования не только подтвердило высокую эффективность новых соединений, но и достоверно раскрыло механизм их действия на молекулярном уровне.

 

В результате разработка ученых представляет собой готовое технологическое решение, способное обеспечить безопасность и бесперебойность добычи и транспортировки газа в самых сложных условиях Арктики и на морском шельфе.

 

Источник: пресс-служба ПНИПУ