Материальный интерес — Журнал «Сибирская нефть» — №154 (сентябрь 2018)

Материальный интерес

В «Газпром нефти» разрабатывают инновационные материалы

Текст: Александр Алексеев
Фото: GETTY IMAGES

Поиск и синтез новых материалов с заданными свойствами — одна из передовых научных областей, в которой в последнее десятилетие произошли заметные изменения. Благодаря появлению методов предсказания структуры и свойств ранее неизвестных веществ исследователи получили невиданные ранее возможности. Сегодня эти достижения уже востребованы в нефтяной отрасли: в компании «Газпром нефть» занялись поиском новых материалов, способных решить целый ряд задач в нефтедобыче более эффективно. Уже создан сверхтвердый материал для буровых долот. На очереди новые проппанты, жидкости для гидроразрыва пласта, буровые растворы и многое другое

Материалы новые и старые

В разные эпохи люди осваивали новые материалы, и это радикально меняло не только целые области производства, но и весь уклад жизни. Если заглянуть в далекое прошлое, можно вспомнить такие периоды, как каменный, медный, бронзовый, железный век. В их общепринятых названиях отражены материалы, которые использовали для изготовления орудий труда. Не менее важными вехами в свое время стали освоение керамики и плетения тканей. Из относительно недавней истории можно вспомнить появившийся в XIX веке цемент (до этого применялись похожие по составу и свойствам, но менее эффективные вяжущие вещества), а также такой композитный материал, как железобетон, которые полностью изменили строительную отрасль. Еще более существенное влияние на самые разные отрасли и сферы жизни оказали появившиеся и получившие широкое распространение в течение XX века пластмассы.

Новые потребности меняют требования и к материалам. Широкое использование таких удобных и долговечных пластмасс привело к появлению настоящих гор и островов из пластикового мусора, что сделало актуальным создание биоразлагаемых полимеров. Совершенствуются уже привычные конструкционные материалы: например, разрабатываются новые виды сталей с улучшенными свойствами. Создаются новые композитные материалы, поверхностно-активные вещества и др.

Композитные материалы

Состоят из нескольких компонентов. Как правило, это пластичная основа (так называемая матрица) и армирующий наполнитель. Сочетание разнородных веществ позволяет получить материал с новыми свойствами. Достоинства одного компонента помогают снизить недостатки другого — и наоборот. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

Кирпичи из глины с соломой, древесно-стружечные плиты — все это композитные материалы. Более современный пример — углепластик, материал из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных смол. По прочности он может превосходить сталь, будучи при этом гораздо легче. Углеродные волокна сложно порвать, но легко сломать. Матрица же придает им форму, монолитность, обеспечивает распределение напряжений в наполнителе. Сегодня существует возможность добавлять в материалы композитного типа наноструктурированные элементы и тем самым значительно повышать их прочность.

Чем же новые материалы принципиально отличаются от старых, хорошо известных и проверенных в работе? Ответить на этот вопрос не так просто, потому что понятие объединяет целый ряд материалов, совершенно разных по составу, структуре и морфологии. Однако всем присуще наличие каких-либо новых, улучшенных свойств, ранее недоступных. Речь вовсе не обязательно идет о веществах с новым химическим составом. Если изменить кристаллическую структуру материала или размер отдельных зерен вещества или новым способом объединить несколько компонентов в одной конструкции, можно добиться новых, улучшенных свойств, а значит, создать новый материал.

Обычно выделяют три группы новых материалов. Во-первых, это материалы, полученные путем уменьшения зернистости структуры. В основном речь здесь идет о нанотехнологиях и сверхпластичных материалах. Во-вторых, композитные материалы — различное сочетание металлических и неметаллических элементов между собой, в том числе органических высокомолекулярных веществ, полимеров. В-третьих, умные, или интеллектуальные, материалы, которые контролируемым образом меняют свои свойства в ответ на изменения окружающей среды. В отдельную группу выделяют высокоэнтропийные сплавы (ВЭС), состоящие из нескольких элементов, доля каждого из которых не превышает 35%. Из-за особенностей своей структуры ВЭС обладают улучшенными физическими свойствами, например благоприятным сочетанием прочности и пластичности, высокой устойчивостью к термическим и механическим воздействиям. Направление ВЭС сейчас широко изучается в материаловедении, но о серийном производстве таких материалов говорить пока рано.

Умные материалы

Материалы, свойства которых значительно изменяются под воздействием каких-либо внешних факторов (механических нагрузок, электрического или магнитного поля, температуры, света, влажности, химических свойств среды и др.), способные преобразовывать один вид энергии в другой. Изменение свойств является обратимым и может повторяться много раз. Самовосстанавливающиеся материалы способны «залечивать» образовавшиеся в них дефекты. Сплавы с эффектом памяти после деформации и последующего нагрева восстанавливают первоначальную форму. Пьезоэлектрики вырабатывают электроэнергию при приложении механической нагрузки. Термоэлектрики производят электричество под воздействием разницы температур. Магнитореологические и электрореологические жидкости меняют свои свойства (например, вязкость) под воздействием магнитного или электрического поля.

До недавнего времени новые материалы открывали либо случайно, либо методом проб и ошибок — через перебор большого количества вариантов. Это долгий и дорогостоящий путь, который может и не привести к желаемому результату. Лишь недавно удалось найти способ предсказания стабильных кристаллических структур материалов с заданными свойствами и создать на его основе соответствующее ПО. Это позволяет значительно сузить круг решений по дизайну новых материалов, отфильтровать неработающие или малоэффективные комбинации. В основе нового подхода в том числе и результаты работ российского исследователя Артема Оганова, профессора Сколковского института науки и технологий.

Сфера применения

В разных отраслях промышленности новые материалы могут произвести революцию, когда возможности развития за счет традиционных технологий уже исчерпаны. Сегодня спектр их применения очень широк. Это космос и авиастроение, оборонный сектор, медицина и фармакология, машиностроение, строительство, робототехника и компьютерные технологии. В области микроэлектроники сегодня исследуют возможности применения материалов с особыми свойствами, основанными на квантовых эффектах, которые обещают прорыв в скорости вычислений и передачи информации. Отдельное место в создании новых материалов занимают аддитивные технологии (3D-печать или послойное конструирование), которые позволяют создавать очень сложные структуры, в том числе биологические ткани (в перспективе — целые органы).

Что касается нефтяных компаний, то в этой области они были, как правило, достаточно консервативны, пробуя существующие на рынке решения, однако не формулируя запроса на разработку новых материалов. В «Газпром нефти» решили действовать проактивно — поставить задачи и совместно с научными и производственными партнерами получить приемлемые решения.

В Научно-Техническом Центре компании был сформирован целый ряд направлений, где материалы с новыми свойствами были бы очень кстати. Например, это проппанты для проведения гидравлического разрыва пласта (ГРП) — специальные гранулы, которые закачиваются в скважину вместе с жидкостью и расклинивают возникающие трещины. Используемые сегодня проппанты слишком плотные и тяжелые, поэтому они распределяются в трещинах неравномерно. Создание более легкого, но не менее прочного проппанта позволило бы существенно повысить эффективность технологии ГРП.

Ряд проектов посвящен поиску материалов для снижения массы и металлоемкости конструкций. Это, в частности, исследование возможностей для снижения массы обсадных колонн (их длина в скважине может достигать нескольких километров) при сохранении или улучшении их свойств. Другие проекты направлены на разработку новых полимеров для полимерного заводнения (метода увеличения нефтеотдачи), материалов для укрепления отсыпки кустов скважин и насыпных дорог, буровых растворов с изменяющимися характеристиками, покрытий для обсадных колонн, повышающих качество цементирования и снижающих вероятность заколонных перетоков, и т. п.

Тверже, чем камень

Один из проектов «Газпром нефти», направленных на разработку новых материалов, уже принесший вполне осязаемые результаты, — проект по созданию сверхтвердых материалов. Такие материалы используются при резке, полировании, шлифовании, металлообработке — а также при бурении скважин. Самый твердый материал, который существует в природе, — это алмаз. Попытки создать материал тверже алмаза предпринимались не раз, однако так и не увенчались успехом. Тем не менее другие близкие по твердости материалы уже были синтезированы ранее.

Буровые долота — ощутимая статья расходов нефтяной компании. Важная и достаточно дорогая часть долота — резцы, которые призваны разрушать породу во время бурения. Резцы буровых долот состоят из двух частей: основа из карбида вольфрама, сверхтвердого материала, также известного как победит, и закрепленная на ней алмазная пластина. Немаловажно и то, что сегодня все эти изделия импортируются. Задача проекта — разработать новые материалы для обеих частей резца, которые окажутся эффективнее: будут давать тот же результат при более низкой себестоимости. Сокращение стоимости резцов в 2 раза за счет применения новых материалов позволит снизить себестоимость долот, а значит, и долотного сервиса (услуг по их предоставлению) на 20%.

Пока создан материал для основы резца. Новое соединение вольфрама и бора оказалось в полтора раза тверже традиционного победита, при этом он более дешев в производстве. Идет подготовка к оформлению патентов на новый материал.

Поиск материала, который заменит алмазную пластину резца, продолжается. Задача — максимально приблизиться по твердости и трещиностойкости к алмазу, снизив при этом стоимость производства (себестоимость искусственных алмазов высока, так как их производство требует высоких давления и температуры). Впрочем, уже полученный материал основы по своим характеристикам вплотную приблизился к такому веществу, как кубический нитрид бора, одному из наиболее близких к алмазу сверхтвердых соединений, применяемых в промышленности.

Наноматериалы

Изменение микроструктуры материала позволяет существенно модифицировать его свойства. Если материал состоит из наночастиц, его свойства уже начинают зависеть от количества атомов в одной частице. Например, взвесь наночастиц золота может приобретать разный цвет — от синего до красного — в зависимости от диаметра наночастиц. Это свойство известно давно. Им пользовались еще древние римляне, когда изготавливали красное стекло.

Уникальный современный наноматериал графен представляет собой двумерный кристалл из атомов углерода. По сути, это тонкая углеродная пленка толщиной в один атом. В природе такой материал не встречается, и долгое время он существовал лишь в теории, пока в 2004 году не был наконец получен из графита, который представляет собой не что иное, как стопку слабосвязанных графеновых слоев. Эти слои отделили друг от друга — и создали материал с совершенно уникальными свойствами. Одно из перспективных направлений использования графена — создание гибкой электроники, в частности гибких дисплеев. Если лист графена скрутить в тонкую трубку и сшить, можно получить еще один необычный материал с выдающимися характеристиками — углеродные нанотрубки. Они сильно отличаются от обычного углеродного волокна, прочнее самых прочных сплавов стали в 5–10 раз и обладают упругостью в 100 тыс. раз выше, чем у каучука.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ