Хай-тек для ТЭК

Гидроразрыв пласта позволяет нефтяникам, образно говоря, вдыхать в скважины новую жизнь. Однако эта операция сложна, требует серьёзной подготовки и при неправильном применении может нанести урон природе. Мощные насосы, размещённые на поверхности земли, должны создать трещины в породе на глубинах в тысячи метров. При этом в скважину закачиваются сотни и тысячи кубометров насыщенной реагентами жидкости, из которой полезную работу делает лишь небольшая часть. Остальная жидкость служит просто для передачи давления сверху вниз. Помимо этого, перед операцией ГРП нужно принять специальные меры, чтобы высокое давление не разрушило колонну обсадных труб.

Частично заменить ГРП там, где возможно, позволяет плазменно-импульсное воздействие (ПИВ) на продуктивный пласт. Этот метод интенсификации добычи нефти основан на использовании резонансных свойств пласта. Технология разрабатывается с середины 1990-х годов при участии учёных Горного университета и Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры (оба находятся в Санкт-Петербурге). Внедрением разработки занимается компания «Новас».

Высокое напряжение (3000 В) с системы конденсаторов подаётся на разрядник внутри скважины. В нём испаряется калиброванная проволока из специального сплава, в результате чего возникает электрическая дуга, которая приводит к образованию плазмы с мгновенным повышением температуры (примерно до 28 000 °С). Благодаря этому в течение нескольких микросекунд в скважине развивается высокое давление (около 10 000 кг/см²).

За счёт крайне короткого времени разряда мощность достигает 20 МВт. Мгновенное расширение плазмы создаёт ударную волну, которая быстрее звука передаётся окружающей жидкости, а последующее охлаждение и сжатие плазмы вызывают обратный приток жидкости в скважину через перфорационные отверстия в обсадной колонне, что на начальном этапе обработки призабойной зоны способствует выносу кольматирующих веществ в ствол скважины.

При многократных повторениях разряда энергия ударной волны распространяется по твёрдому скелету пласта и в жидкости, превращаясь затем в продольные и поперечные (сдвиговые) волны.

«В технике принято бороться с резонансом. Мы же, напротив, используем это явление. Резонанс в нефтеносном пласте создаёт аномальную трещиноватость, снимает поверхностное натяжение и вызывает эффект акустической кавитации, уменьшая вязкость нефти. Для того чтобы рассчитать место, силу и периодичность серии импульсов, мы моделируем залежь как совокупность нелинейных автономных колебательных элементов в неравновесной диссипативной среде», – объясняет технический директор компании «Новас» Пётр Агеев.

Радиация на пользу

Уже более полувека в НПО радиационных технологий и оборудования при Научно-исследовательском институте технической физики и автоматизации (НИИТФА, предприятие концерна «Росатом») накапливают знания и опыт по применению различных методов облучения в народном хозяйстве.

Для нефтегазовых компаний наиболее привлекательна радиационная переработка углеводородов. Под действием электронного излучения природный газ и попутный нефтяной газ без отходов превращаются в жидкие углеводороды С6–С12 – жидкое синтетическое топливо с высоким октановым числом. Общий принцип известен, но для построения реальных производственных систем нужно оценить энергетическую эффективность процесса (выяснить, сколько киловатт-часов электроэнергии потребуется на получение килограмма жидкости). Сегодня в НПО ведут научную работу с этой целью.

Отметим, что в сравнении с синтезом жидкого топлива по методу Фишера – Тропша, где химический процесс идёт при огромных давлениях и высоких температурах, радиационная технология позволяет использовать достаточно простые и компактные технологические установки.

Директор НПО Александр Егоркин рассказывает, что радиационные методы работают и в обратном направлении, помогая сократить длину углеводородных цепочек. Например, можно из битумов, гудронов, мазутов получать синтезированные нефтепродукты. Выходит нетрадиционный крекинг нефти.

Для строительной индустрии перспективна радиационная обработка цемента. Путём облучения из трёхсотого цемента можно сделать пятисотый-семисотый. А они востребованы при строительстве таких объектов, как мосты и атомные электростанции.

Радиационные технологии позволяют эффективно очищать водные стоки от таких органических веществ, как фенолы, гормональные препараты, гептил. Другими способами такие вещества вывести нельзя или крайне дорого: не помогают ни ультрафиолет, ни применение разных фильтров. Гептил – это ракетное топливо. Если оно осаждается на грунт, земля становится мёртвой. В НПО радиационных технологий и оборудования научились очищать грунты от токсичных компонентов ракетного топлива, разлагая их под воздействием ионизирующего излучения и продуктов радиолиза грунтовых вод до таких безобидных веществ, как азот и вода.

В Воронеже с завода синтетического каучука в 1980–1990 гг. в водохранилище утекала токсичная жидкость некаль, в результате чего было заражено всё левое побережье водохранилища. В течение 13 лет там работала очистная установка, в которой использовались два ускорителя, поставленные Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Согласно словам Александра Егоркина, побережье было полностью очищено.

Ещё одно перспективное направление – радиационная очистка дымовых газов для энергетических предприятий. Посредством электронного облучения из дымовых газов выводятся оксиды серы (SO2) и азота (NОx), тяжёлые металлы, летучие органические соединения, диоксины.

Природный чистильщик

Учёные Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН запатентовали новый штамм микроорганизмов. Он может применяться для очистки загрязнённых нефтью и нефтепродуктами почвы, воды, шламов. У биологов уже есть заказы от предприятий, сообщила старший научный сотрудник Института биологии кандидат биологических наук Татьяна Щемелинина.

«Запатентованный нами штамм микроорганизмов Rhodotorula – это дрожжи, которые впервые были найдены в 2001 г. в нефтезагрязнённых почвах Усинского района Коми. Эту работу провела кандидат биологических наук Мария Маркарова. Обнаруженные микроорганизмы появились в природе в стрессовых условиях, когда были вынуждены питаться нефтезагрязнением», – уточнила Т. Щемелинина.

По её словам, штамм Rhodotorula успешно опробован в лабораторных условиях и дважды прошёл промышленные испытания – с помощью дрожжей учёные очистили сточные воды сыктывкарского автотранспортного предприятия «Альфа-Транс».

«Сейчас мы проверяем штамм на малых и средних предприятиях, в которых основной источник загрязнения сточных вод – нефтепродукты, и он показывает неплохие результаты. Раньше было принято использовать целые ассоциации микроорганизмов для очистки стоков от нефтепродуктов, полностью разлагая их до воды и углекислого газа. Использование же штамма Rhodotorula – более экономичный способ очистки, в котором очень заинтересованы компании. К нам поступают всё новые заявки. До промышленного применения штамма ещё примерно год работы», – отметила Т. Щемелинина.

Дитя токамака

Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры для проекта международного термоядерного реактора ITER изготавливает сверхпроводящие полоидальные катушки (см. фото). Учёные института намерены использовать свои наработки и в других областях. Так, запланировано создание сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии ёмкостью до гигаджоуля.

Сверхпроводящая катушка для термоядерного реактора ITER

«Сытые» бензобаки

Соединённые Штаты – крупнейший производитель кукурузы на планете, который обеспечивает свыше 35% её мирового производства. Успехи в генной инженерии позволяют американцам получать высокие урожаи этой культуры. Однако скептическое отношение потребителей и регуляторов рынка к генномодифицированной аграрной продукции, особенно сильное в Старом Свете, привело в середине 2000-х гг. к проблемам со сбытом. Но тут американское государство извлекло из своего широкого рукава палочку-выручалочку. Был принят ряд законов о применении топливных смесей, то есть о разбавлении автомобильных бензинов биоэтанолом, и о налоговых льготах его производителям. Таким неожиданным способом биотехнологии были внедрены в ТЭК Соединённых Штатов.

Эта статья изначально была опубликована в газете «Энерговектор», № 3/2015 здесь.