Министерство науки и высшего образования, а также Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» сообщают об успешном решении проблемы безопасной разработки месторождений «кислого» газа в Арктическом регионе.
Фото: «ПНИПУ» сообщают о способе разработки месторождений «кислого» газа в Арктике. Источник: Яндекс Карты
Освоение залежей природного газа с высоким содержанием сероводорода, именуемого «кислым газом», в арктических широтах, где сосредоточена основная доля российских запасов (более 80%), сопряжено с серьезными трудностями из-за риска формирования гидратных пробок в трубопроводах. Традиционные методы предотвращения этого явления оказываются недостаточно действенными: широко применяемые ингибиторы быстро теряют свои свойства, а альтернативные решения обходятся слишком дорого или оказываются технически нереализуемыми. Ученые Пермского Политеха, в сотрудничестве с международными коллегами, нашли выход из этой ситуации, разработав реагенты нового поколения на основе поликватерниумов. Эти вещества продемонстрировали двукратно превосходящую эффективность в борьбе с гидратами по сравнению с традиционными аналогами.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Results in Engineering».
В нынешней энергетической отрасли «кислый» газ становится всё более важным стратегическим ресурсом. В отличие от природного метана, готового к применению, «кислый» газ характеризуется высоким содержанием сероводорода и нуждается в обязательной предварительной обработке. Основные мировые залежи этого ресурса, оцениваемые примерно в треть от общемирового запаса, расположены на Ближнем Востоке, в Северной Америке, а также в Российской Федерации.
Однако, эксплуатация месторождений «кислого» газа сопряжена со специфической технологической трудностью формированием газогидратов. Эти ледяные отложения, возникающие в трубах, создают серьезную опасность для всей газовой промышленности. В условиях «кислого» газа этот процесс происходит особенно быстро и активно. Это обусловлено тем, что влага, присутствующая в газе, при повышенном давлении и пониженных температурах реагирует не только с метаном, но и с сероводородом, что значительно ускоряет процесс образования кристаллов. В результате трубопровод может быть полностью заблокирован за короткое время, что приводит к аварийным ситуациям, большим затратам на восстановление и существенному ущербу.
Для Российской Федерации, где на долю арктических территорий приходится свыше 80% газодобычи, действенное противодействие гидратообразованию ключевой элемент энергетической стабильности. Именно в экстремальных северных широтах и на морских платформах, где температура внешней среды практически не поднимается выше нуля, риск стремительного формирования ледяных заторов возрастает многократно.
В настоящее время для предотвращения образования гидратов в основном используются ингибиторы на основе поливинилкапролактама (PVCap), представляющие собой специальные химические добавки, замедляющие процесс образования пробок. Их действие основано на «обмане» системы, предотвращении взаимодействия воды и газа, необходимого для формирования кристаллов льда. К сожалению, они эффективны только для «чистого» газа, так как сероводород нейтрализует их действие. Кроме того, многие из этих реагентов обладают существенным недостатком они образуют стойкую пену, которая негативно влияет на работу оборудования и затрудняет их повторное использование.
Для устранения указанной трудности создаются разнообразные варианты PVCap, но их эффективность кратковременна или несущественна. Альтернативные подходы, например, теплоизоляция труб или удаление влаги из газа, представляются чересчур затратными или нереализуемыми с технической точки зрения, в особенности для масштабных трубопроводных сетей и морской среды. В связи с этим, создание инновационного способа предотвращения образования гидратов, устойчивого к влиянию сероводорода, является приоритетной целью для гарантии стабильности и непрерывности подачи газа.
В сотрудничестве с зарубежными коллегами, специалисты из Пермского Политеха предложили инновационный подход. Они разработали два принципиально новых ингибитора, базирующихся на соединениях класса поликватерниумов (PQ), которые прежде не находили применения в этой сфере. Это открытие позволило существенно улучшить защиту трубопроводных систем от формирования газовых гидратов. Поликватерниумы представляют собой класс полимеров, выделяющихся своим выраженным сродством к воде и многочисленным типам поверхностей. Это свойство обусловило их обширное применение в сфере косметики, в частности, в роли кондиционирующих компонентов в составе шампуней.
В ходе исследований были созданы два новых представителя этого класса с различной структурой: PQ-7 и PQ-10.
По словам профессора кафедры «Нефтегазовые технологии», доктора технических наук Дмитрия Мартюшева, PQ-7 создан на основе синтетического полиакриламида с добавлением пирролидиниевых и аммониевых групп. Эти относительно небольшие молекулы обладают высокой скоростью перемещения. Их химические группы действуют как «магнитные крючки», мгновенно захватывая растущие кристаллы льда, препятствуя их объединению. PQ-10, в свою очередь, построен на базе крупных молекул природного происхождения модифицированной целлюлозы с аммониевыми и гидроксипропильными группами. Его задача заключается в создании структурного барьера в воде, который физически препятствует сближению частиц воды и газа и образованию кристаллов.
Для оценки эффективности разработанных веществ применялся комплексный подход, включающий как лабораторные эксперименты, так и компьютерное моделирование.
В ходе экспериментов воспроизводились условия, близкие к эксплуатации настоящего газопровода (давление превышало 100 атм, температура снижалась до 1°C). В специальный реактор помещали имитацию «кислого» газа, а также ингибиторы в различных концентрациях. Фиксировались временные интервалы до формирования гидратов, определялась температура начала кристаллизации и величина переохлаждения. Сравнивались рабочие характеристики PQ-7 и PQ-10 как между собой, так и с промышленным PVCap и контрольным вариантом без ингибирования.
Дмитрий Мартюшев подчеркнул, что без применения ингибиторов образование гидратов начиналось спустя всего 4 часа. Применение стандартного промышленного образца увеличивало этот период до 12 часов, в то время как новый PQ-7 отодвигал начало гидратообразования более чем на сутки. PQ-10 также показал хорошие результаты (23,8 часа), однако для достижения подобного эффекта требовалась концентрация 0,5%, как и в случае обычного PVCap. При этом PQ-7 сохранял наивысшую эффективность даже при концентрации 0,1% и обеспечивал безопасное охлаждение системы до +1,8°C, в то время как промышленный аналог терял свои свойства уже при +7,7°C. Дополнительным плюсом разработанных соединений является их незначительное пенообразование. PQ-7 значительно превосходит конкурента по основным показателям: его эффективность вдвое выше, морозостойкость увеличена на 53%, а потребление реагента снижено в пять раз. PQ-10 также показывает достойные результаты, однако, в отличие от PQ-7, нуждается в увеличенной дозировке, подобно распространенному промышленному стандарту.
В дополнение к экспериментальным исследованиям, было проведено компьютерное моделирование. Созданная виртуальная среда из множества молекул позволила изучить механизм действия ингибиторов на молекулярном уровне. Модель показала, как PQ-7 и PQ-10 присоединяются к растущим кристаллам льда, разрушают их структуру и изменяют свойства окружающей жидкости. Совпадение результатов экспериментальных данных и компьютерного моделирования констатировало
высокую эффективность новых соединений и позволило понять механизм их действия.
В результате проведенных исследований разработано готовое технологическое решение, обеспечивающее безопасность и бесперебойность добычи и транспортировки газа в сложных условиях Арктики и на морском шельфе.