Ученые изобрели «зеленые» реагенты для добычи нефти из отходов растений

Бурение остается единственным способом добычи подземных углеводородов, однако традиционные буровые растворы на нефтяной основе представляют серьезную угрозу для экологии.

Токсичные отходы отравляют почву и грунтовые воды, причиняя долгосрочный ущерб экосистемам и здоровью человека. В качестве альтернатив разрабатываются «зеленые» составы: биоразлагаемые компоненты из сельскохозяйственных отходов, растительных масел и природных полимеров, а также наночастицы. При этом органические смеси часто теряют устойчивость к высоким температурам в скважинах, а нанотехнологии остаются дорогими и не всегда экологичными, что затрудняет их массовое применение.

Ученые Пермского Политеха совместно с международными коллегами создали новые реагенты для нефтедобычи, объединяющие биоразлагаемые компоненты и наночастицы. Такие составы сокращают вредные утечки более чем на 31% и полностью разлагаются, не нанося ущерба окружающей среде.

Бурение скважин позволяет добывать подземные углеводороды и остается критически важным для мировой экономики. По прогнозам, к 2026 году ежегодно будут осваиваться около 60 000 новых объектов. Процесс бурения представляет собой строительство многослойной трубы на километры вглубь. Буровая установка разрушает породу вращающейся головкой — долотом, а в скважину подается буровой раствор, который охлаждает инструмент, выносит шлам на поверхность и создает давление, предотвращающее обрушение стенок и выброс нефти и газа. Ствол укрепляется обсадными трубами и цементируется для прочной конструкции.

Главная проблема заключается в токсичности традиционного бурового раствора. Он содержит синтетические полимеры и химические реагенты на нефтяной основе. После использования тысячи кубометров жидкости с захваченной породой образуют опасные отходы, которые медленно разлагаются, отравляя почву и грунтовые воды.

Токсины в водоносных горизонтах снижают качество питьевой воды, наносят ущерб сельскому хозяйству, разрушают места обитания, вызывают накопление ядов в растениях и потерю биоразнообразия. Это создает долгосрочную угрозу для здоровья человека и устойчивости природы в регионах бурения.

Существуют методы смягчения этих последствий. Основной путь — внедрение биоразлагаемых добавок, которые заменяют опасные компоненты бурового раствора. Используются природные материалы: отходы сельского хозяйства (цитрусовая кожура, скорлупа орехов, жмых), растительные масла (рапсовое, льняное) и природные полимеры, например ксантановая камедь. Они разлагаются на безопасные вещества — углекислый газ, воду и биомассу.

Другой путь — наночастицы металлов или кремния, которые улучшают свойства раствора: запечатывают поры и выдерживают высокие температуры. Однако растительные добавки часто теряют эффективность в экстремальных условиях, а наночастицы требуют дорогостоящего производства и не всегда полностью безопасны. Эта разрозненность ограничивает широкое применение экологичных технологий.

Специалисты Пермского Политеха и международные коллеги разработали новые реагенты, соединяющие биоразлагаемые добавки с наночастицами. Сначала они систематизировали известные «зеленые» компоненты — от картофельной кожуры до сложных биополимеров — чтобы выявить комбинации, способные эффективно работать при температурах до 150 °C.

"Ключевой принцип в усилении действия: грубые растительные частицы создают каркас, а микроскопические наночастицы заполняют мельчайшие поры и трещины", — рассказал Дмитрий Мартюшев.

В итоге создали три конкретных реагента. Один из них — гибрид порошка семян гунделии и наностержней оксида цинка. Порошок выполняет структурную функцию, а наночастицы, синтезированные экологичным способом с помощью растительных экстрактов, выступают усилителем. Они удерживаются в скважине даже при высокой температуре и не уходят в породу.

Наночастицы безопасны для геологической среды, в отличие от обычных синтетических материалов. Другой реагент создан на основе нанобиополимера из пшеничной муки. Его измельчение до наноразмера стабилизирует вязкость раствора и снижает потери в пласт, оставаясь экологичным. Для экстремальных условий разработали состав на основе природной трагакантовой камеди и наночастиц оксида цинка. Он делает раствор гуще и уменьшает вредные утечки, а наночастицы стабилизируют структуру при высоких температурах, выполняя роль термостойкого каркаса. Все разработанные реагенты улучшают свойства раствора, сокращают вредные утечки на 31 % и более, и полностью разлагаются в природе.

Для полного решения экологической проблемы ученые также предлагают заменять нефтяную основу раствора. Эфиры масел черного тмина или миндаля способны полностью заменить токсичный дизель, сохраняя смазывающую способность и стабильность. Эти жидкости разлагаются на 80–90 % всего за несколько недель, тогда как дизельные фракции загрязняют почву и воду годами, отметил Дмитрий Мартюшев. Созданные реагенты и биоосновы сохраняют эффективность бурения, снижают токсичность отходов, упрощают и удешевляют их утилизацию, снижая экологические риски и финансовые затраты компаний.

Читайте также: