Газовые гидраты образуются не так, как считалось ранее

Российские ученые исследовали реакцию образования соединений воды и газа – газовых гидратов – с неустойчивой структурой. Понимание механизма их образования очень важно, поскольку эти соединения могут создавать пробки в нефтепроводах и одновременно с этим являются богатейшим потенциальным источником природного газа. Статья опубликована в Journal of Natural Gas Science and Engineering.

Газовые гидраты – внешне похожие на снег или лед кристаллические соединения, которые образуются при контакте газа и воды при определенных температурах и давлениях. Они могут иметь разную кристаллическую структуру. При переходе от одной структуры к другой изменяется порядок атомов относительно друг друга и расстояния между ними. Наиболее «удобное» взаиморасположение атомов соответствует стабильной структуре гидрата, но при определенных условиях могут возникать и нестабильные образования, которые обычно не сохраняются в течение длительного времени.

Такие соединения образует большинство природных газов, но самый распространенный из них – гидрат метана. Обычно он существует в кубической структуре I (КС-I). Однако российские ученые обнаружили новую нестабильную кубическую структуру, которая получила название КС-II. Она образуется при резком охлаждении насыщенной метаном эмульсии (однородной смеси двух несмешивающихся веществ) воды в некоторых видах нефти.

Исследователи из разных стран уже фиксировали появление нестабильных структур газогидратов в системе «газ – вода», но для системы с присутствием нефти образование КС-II зафиксировано впервые.

Одна из основных проблем при добыче и транспортировке нефти и газа в условиях холодного климата – отложение газовых гидратов в стволах скважин и на стенках трубопроводов. Газогидратные пробки приводят к их закупорке, остановкам добычи и иногда даже к аварийным ситуациям и взрывам.

Сейчас эту проблему решают с помощью термодинамических ингибиторов – веществ, которые замедляют протекание реакции образования газогидратов. Для этих целей чаще всего используют метиловый спирт, который расходуется в очень больших количествах и наносит вред окружающей среде. Альтернативный подход – кинетические ингибиторы, которые будут замедлять скорость протекания реакции настолько, чтобы газогидраты не успевали образовываться в «опасных» участках трубопровода. Здесь-то и может пригодиться знание механизма их образования, потому что ингибирующие вещества по-разному блокируют образование гидратов КС-I и КС-II. Если образование гидрата происходит через промежуточную структуру, то нужно искать вещества, лучше всего замедляющие именно эту метастабильную структуру.