Сибирский кольцевой источник фотонов поможет добывать «трудную» нефть, газ и редкоземельные металлы

Новосибирск. В Новосибирске состоялось открытие Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов». Какие станции запускаются в СКИФе в интересах геологии и как исследования помогут в поиске и добыче трудноизвлекаемых запасов нефти и газа, а также редкоземельных металлов Агентству нефтегазовой информации рассказали в ЦКП «СКИФ».

В России сформированы два профильных консорциума для решения геологических задач с опорой на возможности синхротронного излучения. В первый - «Синхротронное излучение для нефтегазовых технологий» - вошли Новосибирский госуниверситет, Научно-Технический Центр ВИНК, ЦКП «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ), Томский политех, Казанский федеральный университет, а также ряд институтов СО РАН.

Второй консорциум - «Синхротронное излучение для технологий прогноза и поисков стратегических видов минерального сырья» - объединил СКИФ, ФИЦ «Институт катализа СО РАН», Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, Институт геологии алмаза и благородных металлов СО РАН, Томский политехнический университет, Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН и Сколтех.

В рамках этих усилий на базе СКИФ запускается станция первой очереди «Микрофокус», параллельно ведется проектирование станции второй очереди «РФА геология».

Синхротронное излучение становится ключевым инструментом в поиске, разведке и эксплуатации месторождений. С его помощью удается решать широкий круг задач - от обнаружения микросодержаний ценных элементов (вплоть до 1 мг на тонну) до построения трехмерных карт распределения полезных ископаемых в образцах пород. Особенно ценен рентгенофлуоресцентный анализ на пучках синхротронного излучения: он неразрушающий и при этом позволяет локализовать исследуемую область и детально оценить элементный состав. Это критично для выбора оптимальных методов добычи и выявления перспективных участков.

Понимание механизмов формирования месторождений не менее важно, чем их обнаружение.

«Для того, чтобы знать, где искать месторождение, нужно понимать, вследствие каких процессов - магматических, метаморфических, гидротермальных - оно возникло, - рассказывает старший научный сотрудник лаборатории метаморфизма и метасоматизма к. г.‑м. н. ИГМ СО РАН Сергей Ращенко. - Благодаря синхротронному излучению мы глубже понимаем минералообразующие процессы, мы можем посмотреть in situ, как руды образуются на глубине под высоким давлением, высокими температурами, в каком химическом состоянии находятся элементы в растворах. Используя синхротронное излучение, мы выходим на новый уровень минералогии - проводим эксперименты не в лаборатории, а в тех условиях, в которых в недрах земли минералы кристаллизовались, образовались расплавы, а из них, соответственно, - полезные ископаемые».

Особое значение синхротронные методы имеют для работы с редкоземельными металлами - стратегически важным ресурсом для зеленой энергетики, электроники, электротранспорта и систем связи. Россия располагает крупными запасами таких элементов, прежде всего в северных и восточных регионах; ярким примером служит Томторское месторождение в Якутии, чьи запасы оксидов ниобия и редких элементов не имеют мировых аналогов и способны покрывать потребности страны на сотни и тысячи лет. Синхротрон позволит детально изучить сложные по составу руды Томторского массива, определить формы нахождения редких элементов и адаптировать технологии их извлечения и промышленной переработки.

Не менее актуальна роль синхротронных исследований для добычи трудноизвлекаемых запасов углеводородов. В Западной Сибири значительные объемы «трудной» нефти сосредоточены в Баженовской и Ачимовской свитах: по оценкам экспертов, геологические запасы Баженовской свиты достигают 18-60 млрд тонн при совокупной добыче в регионе около 15 млрд тонн за всю историю разработки. Традиционные методы здесь малоэффективны. Синхротрон дает возможность наблюдать микроскопические процессы в породе в динамике на микро- и наноуровне, что повышает точность цифровых моделей керна и помогает лучше понять поведение нефтяных пластов.

«Здесь основная работа связана с изучением кернов, которые извлекают нефтяники и газовики при геологоразведке. Есть возможность глубинного исследования как полноразмерных кернов - порядка 10 см, так и микрочастиц - около 4 мм, для того чтобы понять минеральный состав этих образцов, наличие пор, их количество, размеры и так далее. Фундаментальные исследования, проводимые на микронных и нанометровых размерах, могут привести к положительным результатам в реальном поиске и эксплуатации месторождения нефти и газа», - поясняет научный сотрудник Андрей Дарьин.

На базе этих данных будут создавать цифровые керны - трехмерные модели образцов пород, построенные по результатам рентгеновской томографии.

По словам сотрудников Центра, исследования проводятся в рамках трехлетнего гранта Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры до 2030 года и далее. Работы стартуют на базе инфраструктуры ИЯФ СО РАН, а с 2027 года продолжатся в ЦКП «СКИФ». В проекте участвуют специалисты Новосибирского госуниверситета, СКИФ, Томского политеха, Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН и НИЦ «Курчатовский институт».

«Что касается ближайших планов - это российская арктическая зона, она весьма перспективна в плане разведки и эксплуатации месторождений очень многих полезных ископаемых - не только нефти и газа, но и минерального сырья. Здесь представлены и алмазы, и благородные металлы, и цветные металлы, редкие рассеянные элементы и так далее», - поделился научный сотрудник Николай Крук.

Что еще поможет узнать СКИФ?

Помимо геологии и добычи, синхротронные методы применяют для реконструкции климатических изменений.

«Детальные исследования внутреннего строения годовых слоев с помощью СИ дают информацию о влиянии сезонных погодно-климатических факторов на состав осадка, что позволяет реконструировать природные процессы, происходившие сотни и даже тысячи лет назад. Слои, в которых хранится годовая история изменения состава и структуры донных осадков, составляют десятые доли миллиметра. Синхротронное излучение позволяет проследить не только ежегодную смену условий, но и ежесезонную», - рассказывает старший научный сотрудник отдела синхротронных исследований ЦКП «СКИФ» Федор Дарьин.

Ученые уже исследовали осадки озер Шира и Беле в Хакасии, Кучерлинского на Алтае и Донгуз-Орун на Северном Кавказе. Особый интерес представляют озера Пеюнгда и Заповедное вблизи эпицентра Тунгусского события: синхротронный анализ выявил в их донных отложениях слой 1908-1910 годов, отражающий последствия падения метеорита, и помог очертить зону поиска космических частиц.

Еще одно направление - изучение внеземных объектов: микрочастиц метеоритов (размером 50-400 мкм) и образцов лунного грунта. Синхротронные методы особенно эффективны для анализа столь мелких образцов, что важно для понимания космических процессов и оценки влияния крупных событий на историю Земли.

Наконец, синхротрон используют для экологической оценки состояния окружающей среды. Ключевым показателем служит химический состав атмосферного аэрозоля - особенно в чувствительных к изменениям арктических регионах. Методы СИ позволяют детально анализировать микронные частицы, определять концентрации черного углерода, органического и элементного углерода, а также изотопный состав над Северным Ледовитым океаном. Регулярный мониторинг аэрозолей помогает вести комплексный экологический и климатический контроль планеты.

Фото с сайта ЦКП «СКИФ»