Ученые КФУ обнаружили природные катализаторы на основе глины

Данная работа была проведена сотрудниками НИЛ «Реологические и термохимические исследования» приоритетного направления «Эконефть» и поддержана грантом Российского научного фонда.

Такой простой на первый взгляд и повсеместный природный минерал как глина вполне способен облегчить процесс добычи трудноизвлекаемой нефти, сообщают ученые приоритетного направления «Эконефть».   Проведенная работа предоставила полезную информацию по горению углеводородов с использованием глинистых пород в качестве природных катализаторов. Исследование проведено сотрудниками НИЛ «Реологические и термохимические исследования» приоритетного направления «Эконефть» и поддержано грантом Российского научного фонда.

 Современный взгляд ученых САЕ «Эконефть» на эффективное развитие нефтегазовой отрасли предполагает, что для её модернизации стоит уделить более пристальное внимание к созданию и распространению новейших технологий, большинство из которых должны быть экологически безопасными и, желательно, доступными. Предполагается, что результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, позволят рационально использовать ресурсы отрасли, сделать ее адекватной к текущим запросам представителей энергетического сектора и локальным, в т.ч. региональным особенностям. Исследование отвечает заявленным аспектам, т.к. имеет фундаментальный характер и является одной из центральных тем для нефтегазовой отрасли, в частности в создании экологически-безопасных и доступных катализаторов.

Новизна проекта связана с лежащим в его основе комплексным подходом к заявленной проблематике. Полученные результаты могут быть использованы при разработке месторождений тяжелой нефти в различных типах горных пород методом внутрипластового горения. Для реализации задуманного исследователи КФУ использовали природный ингредиент, известный всем как глина – тот самый материал, использующийся человеком повсеместно и доставаемый буквально из-под ног. Богатые свойства глины не счесть и роль её в научно-техническом мире отнюдь не последняя. Глина известна как накопитель ионов незаменимых микроэлементов и макроэлементов, ионообменник, сорбент-очиститель, антисептик, эмолент, и, как выяснили ученые, проявляет себя в качестве эффективного катализатора для нефтедобычи. Подробности исследования были опубликованы в  Applied Clay Science.

Как известно, глина внешне напоминает почву, но на самом деле это минерал, который когда-то был горной породой и образовывал скалы. В процессе геологической активности на нашей планете скальные породы многократно погружались в глубокие слои земной коры и вновь поднимались на поверхность. Причиной данному явлению является воздействие тектонических смещений. Горные породы были практически «стёрты» в порошок, состоящий из микроскопических минеральных частиц, их структура подвергалась воздействию чудовищно высоких температур, давлений и солнечной радиации, а химический состав – взаимодействию с разнообразными веществами. Огромную роль в генезисе глины сыграла вода. В результате и образовалась группа минералов с уникальным микрокристаллическим строением и оригинальными свойствами. В мире всё ещё актуальна теория, согласно которой соединения, содержащиеся в глине, могли быть основой для зарождения жизни на Земле. Такая сложная пространственная организация глиняных минералов, которая, как вы догадываетесь, описана далеко не полно, превращает глину в уникальный объект, который сможет сполна проявить свои многочисленные свойства и в нефтегазовой отрасли. Исследователи  КФУ рассмотрели каталитическое влияние четырёх горных пород различного состава на горение тяжелой нефти.

«Значительную часть глинистых пород составляют глинистые минералы, такие как монтмориллонит, мусковит и другие. Глинистые минералы могут характеризоваться значительным содержанием в составе железа, вследствие  изоморфных замещений алюминия на железо в структуре минерала, что обуславливает сильный каталитический эффект. Кроме того глины способны ускорять протекание окислительных реакций  в нефти вследствие их высокой удельной площади поверхности», – сообщила научный сотрудник НИЛ «Реологические и термохимические исследования» Кристина Арискина.

Логично было предположить, что компоненты пород, например, глиняные, вполне могут лечь в основу новой серии катализаторов для смягчения условий процесса внутрипластового горения, отметил руководитель приоритетного направления «Эконефть» Михаил Варфоломеев: «Существует много работ и гипотез по поводу того, что содержание глины может повысить каталитическую активность породы и, соответственно, интенсифицировать процесс внутрипластового горения. Мы рассмотрели разные типы глинистых пород и обнаружили, что они действительно ускоряют процесс внутрипластового горения, а именно – снижают температуру начала низкотемпературного окисления, существенно влияют на высокотемпературное окисление, понижая температуру данной стадии», – объяснил ученый.

Три глиняные породы из общего числа изученных проявили хорошую каталитическую активность, значительно снизив значения энергии активации процесса её окисления.  Исследование предоставляет полезную информацию по горению углеводородов с использованием глинистых пород в качестве природных катализаторов. Как отметили ученые, свойства глинистых пород, такие как размер пор, удельная поверхность и другие можно изменять, что предоставляет широкие возможности в разработке новой серии реагентов.

Катализаторы, полученные при добавлении компонентов глиняных пород, решают сразу несколько проблем. Во-первых, позволяют запустить процесс внутрипластового горения при более низких температурах, а во-вторых, за счет каталитического эффекта стабилизируют фронт горения, что позволяет данным процессам в пласте происходить в достаточно «мягких» условиях. Соответственно, их будет легче запустить при закачке воздуха в коллектора, содержащее глиняные породы.

Однако, как отметил старший научный сотрудник НИЛ «Реологические и термохимические исследования» Чэнгдонг Юань, в течение лабораторных испытаний, реакции четырех видов глин оказались принципиально разными: «Мы протестировали глины с различным компонентным составом и выявили, что минералосодержащие слюды наиболее эффективно катализируют процесс внутрипластового горения. Также хорошую каталитическую активность проявили глины, содержащие каолинит. При этом, порода содержащие клинохлор, наоборот, показали себя в качестве ингибиторов, т.е. существенно замедляли процесс окисления. Поэтому при изучении влияния глиняных пород на эффективность технологии внутрипластового горения, нужно обязательно понимать с какими именно глинами мы работаем, т.к. некоторые могут оказаться эффективными катализаторами, как глина на основе слюды, а некоторые, наоборот – ингибиторами», – сообщил Чэнгдонг Юань.

Согласно итогам научной работы, первая порода отличалась высоким содержанием в составе слюдистых минералов – 46%; вторая – клинохлором и тальком – 66% и 32%; третья – каолинитом – 85%; четвёртая состояла из смеси различных минералов – слюда, клинохлор, ортоклаз и других.

На следующем этапе данного исследования ученые планируют реализовать систематическое проведение исследований с другими типами горных пород, с целью накопления необходимого материала для разработки подробного руководства по применению внутрипластового горения на месторождениях тяжелой нефти.

«Мы изучили эффект минералов породы на внутрипластовое горение, поскольку он очень важен для применения данного процесса.  Такое исследование может помочь понять, какой тип резервуара необходим в работе, а также можно выяснить минералы породы, катализирующие горение нефти, и понять с каким составом, структурой и механизмом придется работать далее. Обладая такими важными знаниями, разработчики могут создавать новые катализаторы, модифицируя эти минералы или синтезируя некоторые новые материалы на основе этих природных соединений для различных областей», – рассказал младший научный сотрудник Мустафа Абаас.

Тема использования глины в качестве катализаторов на процессы внутрипластового горения отнюдь не нова. Соответствующие исследования уже проводились за рубежом. Однако, пока многочисленные авторы лишь поддерживали гипотезу о том, что компоненты глины могут ускорять реакцию внутрипластового горения, группа казанских ученых смогла стать первой, кто максимально детально изучил разные типы глиняных минералов и показали ряд закономерностей по каталитическому эффекту, которые ранее так и не были обнаружены.