Ученые Пермского Политеха разработали зеленые реагенты для добычи нефти из отходов растений

Статья опубликована в журнале «Journal of Molecular Liquids».

Бурение скважин — это единственный физический метод, позволяющий добраться до подземных углеводородных ресурсов. Поскольку доступ к ним остается критически важным для мировой экономики, объемы таких работ в мире стабильно растут. Согласно прогнозам, к 2026 году ежегодно будут осваиваться около 60 000 новых объектов.

По сути, это строительство многослойной трубы, уходящей на километры вглубь. Специальная буровая установка разрушает породу мощной вращающейся головкой (долотом). Параллельно в скважину непрерывно закачивается буровой раствор, который охлаждает инструмент, выносит на поверхность образующийся шлам и создает давление, предотвращающее обрушение стенок и выброс нефти и газа. По мере углубления ствол укрепляется стальными обсадными трубами, которые цементируются, формируя прочную и безопасную конструкцию.

Главная проблема заключается в том, что традиционный буровой раствор, от которого зависит успех всей этой сложной операции, сам по себе становится источником долгосрочной экологической угрозы. Для выполнения своих функций в его состав включают синтетические полимеры и химические реагенты на нефтяной основе. После использования тысячи кубометров этой токсичной жидкости вместе с захваченной горной породой образуют опасные отходы, которые медленно разлагаются, отравляя почву и грунтовые воды.

В свою очередь, это запускает цепную реакцию для всей экосистемы. Токсины, попадая в водоносные горизонты, снижают качество питьевой воды и наносят ущерб сельскому хозяйству. Загрязнение ведет к деградации мест обитания, накоплению ядов в растениях и потере биоразнообразия. Таким образом, негативное воздействие отходов становится долгосрочной угрозой для здоровья людей и устойчивости природы в регионах бурения.

На сегодня существуют решения, направленные на смягчение этой проблемы. Основной путь — поиск и внедрение биоразлагаемых добавок, которые могут заменить опасные компоненты в составе бурового раствора. В качестве таких используются природные материалы: например, отходы сельского хозяйства (кожура цитрусовых, скорлупа орехов, жмых), растительные масла (рапсовое, льняное) вместо нефтяных, а также природные полимеры вроде ксантановой камеди (загуститель, который производят бактерии). Их ключевое преимущество — способность распадаться в окружающей среде на безопасные вещества (углекислый газ, вода, биомасса) после завершения работ.

Другой, более технологичный подход — использование наночастиц (микроскопических частиц оксидов металлов или кремния) для кардинального улучшения свойств раствора: они хорошо «запечатывают» поры и выдерживают высокие температуры. Однако у каждого подхода есть свой существенный недостаток: простые растительные отходы часто не выдерживают экстремальных условий в глубоких скважинах — высоких температур и давлений, теряя работоспособность. А сами по себе наночастицы, хоть и эффективны, часто требуют сложного и дорогого производства, не всегда являясь полностью «зелеными». Эта разрозненность создает технологический барьер для широкого промышленного применения экологичных решений.

Ученые Пермского Политеха совместно с международными коллегами разработали новые классы реагентов для добычи нефти, которые сочетают в себе биоразлагаемые добавки с наночастицами.

Сначала специалисты изучили десятки исследований, чтобы систематизировать все известные «зеленые» добавки — от простой картофельной кожуры до сложных биополимеров. Основной задачей было понять, какие комбинации природных материалов и наночастиц могут обеспечить эффективную и стабильную работу бурового раствора в широком диапазоне условий — от умеренных до экстремально высоких температур (свыше 150°C), характерных для глубоких скважин.

— Мы выяснили, что ключевой принцип заключается во взаимном усилении грубых растительных частиц и микроскопических наноусилителей. Первые создают прочный каркас, а вторые, как умный герметик, заполняют мельчайшие трещины и поры, которые не под силу более крупным частицам, — рассказал Дмитрий Мартюшев.

В результате была разработана серия из трех конкретных готовых реагентов — точных «рецептов» для бурового раствора.

— Один из наиболее эффективных — это гибридная композиция на основе порошка из семян дикорастущего растения гунделии и наностержней оксида цинка. Порошок из гунделии здесь работает как структурная основа, а наночастицы, которые ученые синтезируют экологичным способом с помощью растительных экстрактов, выступают в роли усилителя. Вместе они создают мощный реагент, который удерживается в скважине, не уходя в породу, даже при сильном нагреве, — пояснил Дмитрий Мартюшев.

В отличие от обычных синтетических наноматериалов, которые высокоэффективны, но часто токсичны, наночастицы в этом реагенте созданы «зеленым» методом и не отравляют геологическую среду. Таким образом, разработка превосходит простые материалы по результативности, а обычные синтетические добавки — по безопасности.

Для решения других технологических задач были разработаны реагенты на альтернативной основе. Для улучшения вязкости и контроля фильтрации был создан состав на основе нанобиополимера из обычной пшеничной муки. Ее измельчение до наноразмеров превращает ее в ультрамелкий порошок, который не только стабилизирует реологические свойства раствора (текучесть и вязкость), но и значительно сокращает его потери в пласт.

По сравнению с синтетическими полимерами этот аналог работает экологичнее, так как производится из возобновляемого сырья и безопаснее разлагается. В то время как грубые природные добавки (простая молотая кожура или необработанный крахмал) часто недостаточно эффективны, наноразмерная структура обеспечивает более высокую результативность, стабильное и экономичное действие, формируя в жидкости однородную систему.

Однако для экстремальных условий — например, в скважинах с температурами от 150–200 °C — потребовалось более сложное решение. Ученые создали комбинацию из натуральной трагакантовой камеди (природного загустителя) с наночастицами оксида цинка. Такая добавка делает раствор значительно гуще и резко сокращает его вредные утечки в породу, что критически важно для безопасного бурения на больших глубинах. В отличие от чистой трагакантовой камеди, которая при таких температурах быстро разлагается и теряет свои загущающие свойства, наночастицы цинка стабилизируют ее структуру, выступая термостойким каркасом.

В итоге все разработанные реагенты значительно улучшают рабочие характеристики раствора, снижая вредные утечки на 31% и более, но при этом сохраняют способность к быстрому и безопасному разложению в окружающей среде.

Тем не менее, все эти инновации касаются именно добавок. Для фундаментального решения экологической проблемы также необходимо менять саму основу бурового раствора — токсичную нефтяную жидкость.

— В качестве полноценной замены можно использовать эфиры масла черного тмина или миндаля. Эти жидкости способны полностью заменить токсичное дизельное топливо в составе бурового раствора. По своим рабочим характеристикам — смазывающей способности и стабильности — они сопоставимы с традиционными нефтяными продуктами. Однако их ключевое преимущество — экологичность. Такие биоосновы разлагаются в природных условиях на 80–90% всего за несколько недель, в то время как дизельные фракции могут отравлять почву и грунтовые воды годами, — добавил Дмитрий Мартюшев.

Все это позволяет не только решить проблему токсичных отходов бурения, но и значительно упростить и удешевить их утилизацию, снижая экологические риски и финансовые издержки для компаний.

Таким образом, созданные реагенты и базовые жидкости позволяют не только сохранить высокую технологическую эффективность процесса бурения, но и кардинально снизить его вред для природы. Решается проблема токсичных отходов, упрощается и удешевляется их утилизация, что ведет к снижению как экологических рисков, так и финансовых издержек для компаний.