В связи с техническими работами в центре обработки данных, возможность загрузки и скачивания файлов временно недоступна.
 

Новые подходы к выявлению перспективных химических маркеров для идентификации (паспортизации) месторождений углеводородовНИР

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 4 апреля 2016 г.-31 декабря 2016 г. Новые подходы к выявлению перспективных химических маркеров для идентификации (паспортизации) месторождений углеводородов
Результаты этапа: 1. Изучено влияние состава микроэмульсий, условия проведения экстракции на групповое количественное извлечение целевых компонентов (фракций) нефти. 2. Оптимизирована схема пробоподготовки нефтей с использованием микроэмульсий для хроматографического выделения групповых компонентов из нефтей (гопаны, стераны и т.п). Проведена экспериментальная апробация данной схемы. 3. Разработан и протестирован подход к масс-спектрометрической идентификации выделенных компонентов.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Новые подходы к выявлению перспективных химических маркеров для идентификации (паспортизации) месторождений углеводородов
Результаты этапа: 1. Проведен поиск соединений биомаркеров, входящих в состав различных среднелетучих углеводородных топлив. При изучении трансформации исследуемых углеводородных топлив (в почвенных образцах в реальных условиях в течение 2-х месяцев) в их составе обнаружены биомаркеры из класса сесквитерпанов. В составе нефтепродуктов найдены 10 основных сесквитерпанов. Таким образом, показано, что сесквитерпаны на основе дримана являются уникальными биомаркерами, входящими в состав среднелетучих углеводородных топлив. Окончательная обработка данных и статистический анализ проводился с помощью онлайн сервиса «MetaboAnalyst» (http://www.metaboanalyst.ca). Это позволяет провести нормализацию данных (по сумме значений, среднему, маркеру и др.), трансформацию для коррекции данных и отклонений от нормального распределения (логарифмирование и степенные преобразования), масштабирование для уменьшения флуктуаций переменных (центрирование, автошкалирование и др.) с последующей статистической обработкой. Было установлено, что наилучшие результаты достигаются с применением нормализации по сумме значений, логарифмической трансформацией и центрированием данных. 2. В ходе выполнение данного проекта нами впервые предложено использование микроэмульсий (МЭ) типа “масло в воде” в качестве экстрагентов тетрафенилолова из почв и горных пород с последующим расслоением МЭ и концентрированием тетрафенилолова в органической фазе. Такой подход позволяет существенно сократить время пробоподготовки, снизить пределы обнаружения и уменьшить погрешность определения на стадии пробоподготовки. Гидрофобные соединения мигрируют в масляную фазу после расслоения МЭ и концентрируются за счет уменьшения общего объема растворителя. Степень извлечения составила около 95%. Предел обнаружения – 0,1 нг/мл. По сравнению с «традиционным» экстрагированием гексаном или ацетонитрилом и упариванием растворителя в токе азота, общее время анализа сокращено в 2-3 раза. Изучены закономерности флуоресценции полициклических ароматических соединений (16 приоритетных ПАУ), входящих в состав нефтепродуктов от состава экстрагирующих микроэмульсий. В работе использовали МЭ типа «масло» в воде следующих составов: МЭ1 - 3% ДДСН, 0,8% бензола, 6% н-бутанола и 90,2% воды, МЭ2 - 3% ДДСН, 1% гептана, 6% н-бутанола и 90% воды, МЭ3 - 3,3% ЦТАБ, 0,8% гептана, 8% н-бутанола и 87,9% воды. Показано, что интенсивность флуоресценции возрастает в ряду: Ацетонитрил/гексан – МЭ2 – МЭ3. Причем при использовании в качестве ПАВ катионного ЦТАБ (МЭ3) сигнал возрастает в 1,5-2 раза по сравнению с анионным ДДСН (МЭ2) и в 2-3 раза по сравнению с классическими растворителями (ацетонитрил, гексан). Аналогичная закономерность наблюдается при переходе от бензола в качестве со-ПАВ к гептану. Например, для бенз(g,h,i)перилена интенсивность увеличивается в 17 раз, если в качестве растворителя МЭ1 заменить на МЭ2.Для всех исследованных веществ записаны индивидуальные спектры флуоресценции во всех эмульсиях. Таким образом, наилучшим растворителем для 16 приоритетных ПАУ является МЭ на основе ЦТАБ и гептана. При добавлении сульфата натрия наблюдается расслаивание данной МЭ. Показано, что при 15-кратном избытке Na2SO4 по сравнению с ЦТАБ коэффициенты концентрирования составляют 5-10. Из-за своей высокой гидрофобности (log P > 3,30) все 16 ПАУ концентрируются в органической фазе после расслаивания. На основании полученных данных был разработан способ высокочувствительного ВЭЖХ-ФЛД определения ароматических соединений. При данных условиях было достигнуто разделение всех исследуемых ПАУ. Поровые воды кернов шельфа характеризуются макросодержанием хлорида и сульфата (на уровне 20 000 и 3000 мг/л соответственно). А также относительно низкими содержаниями нитрата, бромида и иодида (на уровне единиц мг/л). Обычные анионообменники низкой емкости недостаточно селективны и не могут разделять пары данных веществ. Необходимо было синтезировать особый тип анионообменииков под эту задачу. Были синтезированы новые неподвижные фазы в ионной хроматографии с электростатически и ковалентно закрепленным гиперразветвленным функциональным слоем. Реализация такого подхода повысила селективность и эффективность химически модифицированных анионообменников за счет экранирования матрицы от неионообменных взаимодействий с анионами. Кроме того, ковалентное закрепление функционального слоя улучшило стабильность гиперразветвленных сорбентов. Продемонстрированы перспективы использования разработанных анионообменников для анализа реальных объектов (поровых вод) в режиме безреагентной ионной хроматографии. Оценены эксплуатационные характеристики полученных анионообменников. Получены новые сорбенты для ионной хроматографии, обладающие высокой селективностью и позволяющие проводить разделение до 25-ти органических и неорганических анионов за 45-60 минут. Анионообменник с гиперразветвленным функциональным слоем и отрицательно заряженными группами в его структуре был применен для анализа воды скважины и поровой воды. В 2017 году опубликовано 2 работы, индексируемые в Scopus (план - 2 работы). Опубликована 1 статья, индексируемая в РИНЦ (план - 1 работа). По материалам этапа были устные и стендовые доклады на международных и всероссийских конференциях: 3 конференции (план - 2 конференции). Результаты использованы при подготовке 1 кандидатской диссертации (Толмачева Н.Г., план - 1 диссертация).
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Новые подходы к выявлению перспективных химических маркеров для идентификации (паспортизации) месторождений углеводородов
Результаты этапа: В ходе реализации проекта можно выделить 4 основных направления: 1. Микроэмульсионная экстракция перспективных химических маркеров; 2. Анализ фракций нефтей и экстрактов пород методами ГХ/МС и ГХ/МС/МС на биомаркеры; 3. Идентификация/типизация исследованных образцов с применением хемометрических методов; 4. Исследование ионного состава межпоровых и поровых вод с цеью поиска новых маркеров. Ниже рассмотрены результаты, полученные в рамках решения каждой задачи. Исследованные в ходе выполнения проекта образцы были предоставлены профильными кафедрами геологического факультета МГУ. 1.Микроэмульсионная экстракция перспективных химических маркеров. Применение микроэмульсий (МЭ) для селективного или, наоборот, группового извлечения веществ-маркеров из сложных матриц, которой является нефть или породы, обогащенные керогеном, является перспективным направлением в аналитической химии. МЭ - гомогенные смеси воды и масла, стабилизированные за счет введения поверхностно-активного вещества (ПАВ), часто в сочетании с сопутствующим ПАВ (со-ПАВ). Под маслом в данном случае понимают любое органическое вещество, ограниченно растворимое в воде. Уникальные свойства МЭ, такие как высокая солюбилизационная емкость как для гидрофобных, так и для гидрофильных соединений, низкое значение межфазного натяжения на границе водной и масляной фаз, большая межфазная площадь, термодинамическая стабильность в основном обеспечивается дифильной структурой молекулы поверхностно-активного вещества. При разрушении МЭ путем добавления солей сильных электролитов образуются две фазы – органическая, т.н. “масло”, и водная. Гидрофобные соединения будут находиться в масляной фазе после расслоения МЭ и концентрироваться за счет уменьшения общего объема растворителя. Применение микроэмульсионной экстракции позволяет достичь более низких пределов обнаружения, упростить или исключить стадию пробоподготовки, и за счет этого уменьшить погрешность определения. В качестве химических маркеров нефти предложено использовать полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). В качестве экстрагентов ПАУ с последующим расслоением МЭ и концентрированием ПАУ в органической фазе в данном проекте использовали МЭ типа «масло в воде». На первоначальном этапе работы проводили микроэмульсионную экстракцию 10 ПАУ (пирен, нафталин, аценафтилен, хризен, флуорен, флуорантен, бенз(k)флуорантен, бенз(b)флуорантен, бенз(a)пирен, бенз(а)антрацен,) из различных типов почв. Использовали МЭ типа “масло” в воде следующего состав: 3% додецилсульфата натрия (ДДСН), 0.8% бензола, 6% н-бутанола, 90.2% воды. Расслаивание МЭ проводили с помощью избытка сухого хлорида кальция. Затем «масляную фазу» центрифугировали и отбирали надосадочную жидкость для дальнейшего определения методом ВЭЖХ с флуориметрическим детектированием). Степени экстракции для 10 ПАУ из различных типов почв (песка, торфа и глины) лежат в диапазоне 90 – 105%. Рассчитанные коэффициенты концентрирования ПАУ практически не зависят от logP (в диапазонах logP 3.4 – 6.6) и лежат в диапазоне 5.2 – 6.5. Полученные результаты сравнивали с результатами аттестованных методик ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.62-09 и ПНД Ф 16.1:2:2.2:2.3:3.39-2003 (МУК 4.1.1274-03) для оценки правильности предложенного подхода. Результаты показали, что разработанный способ определения ПАУ правильный и обладает в несколько раз большей чувствительностью по сравнению с рассматриваемыми аттестованными методиками для всех 10 ПАУ. Дополнительно в качестве модельных соединений по экстрагированию МЭ были выбраны диалкилфталаты (ДАФ). Продемонстрирована возможность использования МЭ в качестве экстрагентов эфиров о-фталевой кислоты с последующим расслоением микроэмульсий, концентрированием ДАФ в органической фазе и их газохроматографическим определением с масс-спектрометрическим детектированием. Оценивали применимость данного подхода на примере определения ДАФ в почве с использованием в качестве экстрагирующей среды МЭ состава 3% ДДСН, 0,8% н-гексана, 8% н-бутанола, 88,2% воды. Полноту осаждения додецилсульфата кальция в органическом слое после расслоения МЭ при добавлении избытка соли кальция определяли спектрофотометрически. Показано, что при добавлении десятикратного (по отношению к количеству присутствовавшего ДДСН в системе) избытка сухого хлорида кальция, концентрация ПАВ оказалась меньше предела обнаружения (0,025 мкг/л), установленного используемой методикой. Для определения эффективности разработанного подхода был проведен сравнительный анализ способности ацетонитрила и МЭ различного состава экстрагировать диалкилфталаты из почв. Показано, что МЭ (так же, как и ацетонитрил) хорошо экстрагирует ДАФ с высокими показателями гидрофобности (дибутилфталат (ДБФ), бутилбензилфталат(ББФ) и ди(2-этилгексил)фталат(ДЭГФ). Именно они чаще других используются в качестве пластификаторов и требуют повышенного контроля. На примере определения ББФ в почве показано, что пределы обнаружения ДАФ при использовании МЭ ниже, чем при использовании ацетонитрила в качестве экстрагента. ДАФ с log P ≥ 4,8 концентрируются в органической фазе количественно. Коэффициент концентрирования достигает 18. Во время реализации направления было продемонстрировано значительное возрастание чувствительности ГХ/МС определения микроэмульсионного экстракта фракции мальтенов нефтяных образцов после отделения смолисто-асфальтеновых веществ по сравнению с гексановым экстрактом. В работе предложено использовать микроэмульсионную экстракцию оловоорганических соединений (тетрафенилолова и тетрабутилолова) из почв, горных пород и буровых кернов. Определение оловоорганических соединений включает в себя несколько этапов: экстракцию в среде МЭ, расслаивание МЭ и одновременное концентрирование целевых компонентов в органической фазе, последующий анализ методом ВЭЖХ со спектрофотометрическим детектированием. Применимость предложенного подхода была исследована на модельном объекте: буровой керн заражали известной концентрацией тетрафенилолова, а затем использовали различные растворители (бутанол, гексан, гептан, толуол) для его извлечения. Оптимальный состав МЭ следующий: ДДСН/гексан/бутанол/вода (3/1.5/6/ 89.5 масс %). В этих условиях тетрафенилолово экстрагируется количественно (степень извлечения около 95%), коэффициент концентрирования равен 10. На следующем этапе работы изучали закономерности флуоресценции ароматических соединений (ПАУ), входящих в состав нефти и керогенсодержащих пород в зависимости от состава экстрагирующих микроэмульсий: природы и концентрации ПАВ и со-ПАВ, температуры, рН. Для этого были дополнительно синтезированы и изучены МЭ типа «масло в воде» различных составов: МЭ1 – ДДСН/бензол/н-бутанол/вода (3/0,8/6/90,2 масс. %), МЭ2 - ДДСН/гептан/н-бутанол/вода (3/1/6/90 масс. %), МЭ3 – ЦТАБ/гептан/н-бутанол/вода (3,3/0,8/8/87,9 масс. %), МЭ4 - ЦТАБ/н-гексан/н-бутанол/вода (4,14/2,2/10,7/83 масс. %), МЭ5 - ЛСН/н-гептан/н-бутанол/вода (2,9/0,8/6/90,3 масс. %), МЭ6 - БДТАБ/н-гексан/н-бутанол/вода (3/0,8/8/88,2 масс. %). В работе исследовали 16 приоритетных ПАУ (пирен, антрацен, нафталин, аценафтилен, 2-метилнафталин, хризен, флуорен, флуорантен, аценафтен, фенантрен, бенз(k)флуорантен, бенз(b)флуорантен, бенз(a)пирен, бенз(а)антрацен, дибенз(a,h)антрацен, бенз(g,h,i)перилен). Проводили сравнительный анализ интенсивностей флуоресценции ПАУ классическими растворителями (экстрагентами) для данных соединений, которыми являются гексан, ацетонитрил (ПНД Ф 16.1:2:2.2:3.39-03, РД 52.44.590-97, ПНД Ф 14.2:4.70-96) с МЭ различных составов. Для всех исследуемых ПАУ записаны индивидуальные спектры флуоресценции в этих эмульсиях. Измерение проводили на спектрофлуориметре FluoroLog-3 (Horiba Jobin Yvon) в интервале длин волн 270–600 нм с шагом 1 нм при ширине оптической щели 2 нм. В качестве источника возбуждения использовали ксеноновую лампу (мощность 450 Вт), возбуждение системы проводили при λex = 254 нм. Показано, что максимальная интенсивность флуоресценции исследуемых приоритетных ПАУ достигается при использовании МЭ3, она была выбрана в качестве рабочей. Были изучены зависимости интенсивности флуоресценции от pH раствора и температуры. Найдено, что максимальное значение интенсивности достигается при собственном pH микроэмульсии (МЭ3; pH = 4.2) и при охлаждении раствора (в этом случае интенсивности флуоресценции увеличивается на 2%, что находится на уровне погрешности для спектрофлуориметра). Поэтому в дальнейшем работу проводили при комнатной температуре. Полученные результаты характеризируются воспроизводимостью. Предложена схема расслаивания МЭ3 и концентрирования ПАУ в органическом слое модельной смеси ПАУ при добавлении различных избытков сульфата натрия. Показано, что при 15-кратном избытке Na2SO4 по сравнению с ЦТАБ коэффициенты концентрирования составляют 5-10. Из-за своей высокой гидрофобности (log P > 3.3) все 16 ПАУ концентрируются в органической фазе после расслаивания. В результате на основании полученных данных был разработан способ высокочувствительного ВЭЖХ-ФЛД определения ароматических соединений. Хроматографическое разделение проводили на колонке Eclipse PAH 4.6 x 250 мм с размером частиц 5 мкм (Agilent, USA). Объем вводимой пробы 10 мкл. Температура колонки 30 °C. Использовали градиентный режим элюирования подвижной фазой ацетонитрил-вода. Расход подвижной фазы 1 мл/мин. λвозб=235 нм, λисп=400 нм. Общее время анализа составило 50 минут. При разработанных условиях ВЭЖХ-ФЛД определения было достигнуто разделение всех исследуемых ПАУ (учитывая, что аценафтилен не флуоресцирует). Для максимального уменьшения концентрации мешающих компонентов в матрице при анализе нефти/керогенсодержащих пород на содержание маркеров для увеличения чувствительности ВЭЖХ-ФЛД определения в лабораторных условиях применяли схему SARA-анализа (saturates, aromatics, resins, asphaltenes – SARA) с использованием колоночной жидкостной хроматографии. На первом этапе образцы растворяли в избытке н-гексана, при этом выпадал темно-бурый осадок асфальтеновых веществ, который затем отделяли. На втором этапе полученные мальтены разделяли на насыщенную (растворимую в гексане), ароматическую (растворимую в толуоле) фракции и фракции смол (извлекали метанольно-толуольной смесью). Стоит заметить, что при таком делении часть определяемых ароматических соединений (ПАУ) может перейти в насыщенную фракцию. В работе было проведено сравнение содержания ПАУ в мальтенах и ароматической фракции. При анализе фракции мальтенов методом ВЭЖХ с флуоресцентным детектированием на хроматограммах присутствуют широкие интенсивные пики компонентов насыщенной фракции, разделение которых не являлось приоритетной задачей. При анализе ароматической фракции данные пики отсутствует на хроматограммах, поэтому в дальнейшем проводили исследование ароматической фракции. Определение компонентов проводили с использованием стандартной смеси 16 приоритетных ПАУ. За счет влияния сложной матрицы и невоспроизводимого фонового сигнала на хроматограммах реальных образцов наблюдается сдвиг времен удерживания относительно стандартной смеси, дополнительную идентификацию исследуемых ПАУ проводили методом добавок. В результате удалось заметно улучшить соотношение сигнал/шум. Предел обнаружения ПАУ в нефтях и нефтяных кернах по разработанной методике лежит в диапазоне от 10 до 50 мкг/кг. Продемонстрировано, что состав и содержание ПАУ в нефтях и нефтяных кернах зависит от месторождения и может варьироваться в достаточно широких пределах (от десятков мкг/кг до сотен мг/кг). Таким образом, наличие ПАУ можно считать идентификационным маркером источников нефтей и керогенсодержащих пород. В качестве альтернативного способа качественного определения полициклических ароматических углеводородов можно использовать метод флуоресцентной спектроскопии в варианте регистрации набора спектров возбуждения - испускания, так называемых контурных карт флуоресценции. Двумерные спектры напоминают отпечатки пальцев, они индивидуальны для каждого соединения, их используют для быстрой идентификации органических соединений. Приоритетные 16 ПАУ лежат в области: λвозб от 290 до 410 нм и λисп от 380 до 460 нм. В этом диапазоне выделяются 6 наиболее интенсивных пиков, от 2.5 × 106 у.е. до 6.4 × 106 у.е. Основным преимуществом 2D – карты состоит в том, что спектр аналогичной смеси, полученный в одномерном варианте, будет иметь только 2 пика. Регистрация данных методом двумерной спектрофлуориметрии позволяет оценить наличие ПАУ в реальном нефтяном образце. На спектрах мальтенов, растворенных в органическом слое после разрушения катионной микроэмульсии, наблюдали один широкий пик, при этом его координаты лежат в области ПАУ. При использовании вместо МЭ классических растворителей (н-гексана, н-пентана, толуола, ацетонитрила, этанола и их смесей), интенсивность пика целевых компонентов уменьшается в 1,5 раза. При анализе мальтенов методом двумерной спектрофлуориметрии, аналогично хроматографическому определению ПАУ в нефти, использовали метод добавок. В результате вместо одного пика, как и в спектре стандартной смеси, образовались 6 наиболее интенсивных областей. В отличие от времен удерживания на хроматограммах, координаты областей на 2D – картах не изменились под влиянием матриц образцов. Показано, что в выбранных условиях возможно проведение определения ПАУ в кернах методом двумерной спектрофлуориметрии (можно использовать для быстрого «скрининга» на наличие нефтепродуктов), однако при ВЭЖХ-анализе достигается разделение всех 16 соединений, а на контурных картах присутствуют только 6 индивидуальных пиков (вероятно, каждый из которых относится к группе веществ). В рамках реализации этого направления было исследовано порядка 200 образцов. 2. Анализ фракций нефтей и экстрактов пород методами ГХ/МС и ГХ/МС/МС В рамках работы разработан подход к проведению биомаркерного анализа фракций нефтей (насыщенных и ароматических) и экстрактов пород. Для исследования полученных образцов использовали систему, состоящую из газового хроматографа Agilent 7890 В и квадрупольного масс-спектрометрического детектора 5977 А. Разделение компонентов проводили на капиллярной колонке HP-5MS (30 м×0.25 мм, 0.25 мкм) с неподвижной фазой на основе метил (95%)-фенил (5%)-полисилоксана. Газ-носитель ‒ гелий, расход газа-носителя через колонку 1 cм3/мин. Объем вводимой пробы 1 мм3. Температура испарителя 290°С, температура интерфейса 300°С. Компоненты насыщенной фракции нефтей разделяли в следующих условиях: начальная температура колонки 60°С, изотерма в течение 3-х мин, далее повышение температуры от 60°С до 180°С со скоростью 27 град/мин, от 180°С до 300°С – со скоростью 6 град/мин, изотерма при 300°С – 25 мин. Условия разделения компонентов ароматической фракции нефтей: начальная температура колонки 60°С, изотерма в течение 3-х мин, далее повышение температуры от 60°С до 180°С со скоростью 15 град/мин, от 180°С до 300°С со скоростью подъема 4 град/мин, , изотерма при 300°С – 20 мин. Регистрацию хроматограмм проводили в режиме сканирования по полному ионному току в диапазоне m/z от 35 до 600. Общее время анализа составляет около 1 часа. Наличие нефтепродуктов, их степени зрелости и биодеградации определяли, исходя из расчетов биомаркерных показателей и изучения распределения индивидуальных классов углеводородов по полученным масс-хроматограммам. В качестве основных классов соединений насыщенной фракции рассматривали: н-алканы (m/z 85), ациклические изопреноиды (m/z 183), терпаны (m/z 191), стераны (m/z 217), изостераны (m/z 218), диастераны (m/z 259). Для ароматической фракции: метилнафталины (m/z 142), фенантрены (m/z 178, 192), дибензотиофены (m/z 184, 198), триароматические стероиды (m/z 231), моноароматические стероиды (m/z 253). В случае наложения пиков или низкого содержания определяемых соединений использовали метод тандемной хромато-масс-спектрометрии. Для регистрации хроматограмм использовали специфические ионные переходы (MRM). Первоначально проводили поиск соединений биомаркеров, входящих в состав различных среднелетучих нефтепродуктов. При изучении трансформации исследуемых углеводородов (в почвенных образцах в реальных начальных условиях и после хранения в течение 2-6 месяцев) в их составе обнаружены новые потенциальные биомаркеры из класса сесквитерпанов. Извлечение проводили с использованием хлористого метилена, разделение и детектирование осуществляли методом газовой хромато-масс-спектрометрии при регистрации хроматограмм в режиме сканирования по полному ионному току в диапазоне m/z от 40 до 600 и по выделенным ионам. Данные компоненты идентифицировали путем изучения полученных масс-спектров и индексов удерживания. Установлено, что при трансформации происходит изменение профилей хроматограмм по полному ионному току и содержания основных компонентов, однако соотношение отдельных изомеров сохраняется постоянным при различном времени. В исследуемых образцах найдены 10 основных сесквитерпанов. Для идентификации природы нефтепродуктов предложено использовать относительное (нормализованное) значение площадей пиков обнаруженных биомаркеров, а также соотношение площадей пиков отдельно взятых компонентов. Таким образом, сесквитерпаны (в основном - типа дримана) являются уникальными биомаркерами, входящими в состав среднелетучих углеводородных топлив. Использование метода газовой хромато-масс-спектрометрии позволяет изучить их распределение в почвенных проливах с предварительной экстракцией хлористым метиленом. Для всех исследованных типов нефтей показана характеристичность распределения данных биомаркеров. Важным классом хемофоссилий в нефтяной геохимии являются гопаны – нафтеновые углеводороды, которые содержат в молекуле 5 конденсированных (4 шестичленных и одно пятичленное) колец, их рассматривают как продукты преобразования непредельных стеролов исходного органического вещества. Для осуществления надежной идентификации нефтей при реализации проекта были применены специальные характеристики, представляющие собой отношения содержаний отдельных изомеров полициклических ароматических соединений. Методом селективной ионной регистрации по интенсивности сигнала иона с массой 191 к остальным ионам в хроматомасс-спектрометрии в исследованных образцах были определены относительные содержания 14 наиболее распространенных изомеров гопанов. По внешнему виду реконструированные по интенсивности иона с m/z=191 хроматограммы очень похожи. Количественные соотношения между содержаниями изомеров были рассчитаны, нормированием к сумме площадей пиков, принятой за 100%. Была осуществлена процедура сопоставления изомерного состава гопанов в каждом отдельном образце по отношению к статистически усредненному распределению по всей выборке с целью количественной оценки близости распределений гопанов во всех образцах. С использованием критерия согласия Пирсона χ2 было показано, что распределения содержаний гомологов и изомеров одного из основных классов биомаркеров – гопанов – во всех исследованных образцах принадлежат к одной генеральной совокупности, и их вариации носят случайный характер. Распределение относительных содержаний каждого изомера веществ класса гопанов в исследованных образцах описывается нормальным гауссовым распределением, т.е. также носит случайный характер. Во всех исследованных образцах был зафиксирован полный ряд н-алканов с количеством атомов углерода в цепи от 13 до 35. Фоссилии морских организмов могут синтезировать в основном алканы и олефины до С21. Происхождение нечетных алканов связано, по-видимому, с водорослями, а источником алканов С27, С29, С31 являются высшие растения. Однако при сопоставлении общего вида хроматограмм образцов наблюдается существенный сдвиг молекулярно-массового распределения н-парафинов в выветренном образце за счет испарения легкой части углеводородов исходной нефти и некоторые различия в содержаниях изопреноидов (рассчитанные геохимические индексы для исходной и выветренной нефти существенно различаются). При более детальном исследовании других классов УВ и проведении сравнительного анализа их состава в исходной нефти и в продуктах её выветривания под действием природно-климатических факторов в условиях была показана возможность надежной идентификации выветренного образца нефти. Для решения этой задачи были рассчитаны отношения содержаний C2-дибензотиофенов и C2-алкилфенантренов (C2-Db/C2-Ph), а также C3-Db/C3-Ph при сопоставлении УВ состава исходного и выветренного образцов. Близость значений этих параметров, полученных для образцов исходной и выветренной нефти – 1.337 и 1.401 (C2-Db/C2-Ph), и 0.870 и 0.817 (C3-Db/C3-Ph), расхождение 4.6 и 6.5 % соответственно, позволяет использовать их для обнаружения и идентификации нефтей в геохимии и/или в природоохранном контроле территории. Эти параметры были рассчитаны для всех исследованных нефтей для проверки применимости этих параметров с целью различения и идентификации образцов нефти разных месторождений. Оказалось, что их вариации лежат в диапазоне от 0,704 до 2,110 для отношения C2-Db/C2-Ph, и от 0,368 до 1,597 – для C3-Db/C3-Ph. Таким образом, эти отношения могут успешно применяться для дифференцирования образцов нефтей различных месторождений. Всего во время реализации этого направления в проекте было исследовано около 500 образцов. Одной из задач проекта было исследование нетрадиционной синтетической нефти, получаемой различными способами из пород, обогащенных керогеном. Для решения поставленной задачи был проведен ГХ/МС и ГХ/МС/МС анализ на выявленные ранее потенциальные химические маркеры набора объектов, в том числе полученных из одного месторождения. Это позволило выявить сходства и различия синтезированной и природной нефтей, усовершенствовать разработанный подход к анализу веществ – маркеров. Полученные в результате пиролиза Баженовской свиты синтетические нефти характеризуются различными условиями проведения пиролиза. Всего в рамках данной задачи было исследовано около 50 экстрактов синтетических нефтей. Исследованные образцы синтетической нефти получали путем последовательной экстракции углеводородов из керогенсодержащих пород различными растворителями: на первом этапе экстракцию проводили неполярным растворителем – н-гексаном (экстракция УВ-флюида из открытых пор), затем использовали экстракцию хлороформом (экстракция УВ-флюида из закрытых пор). Перед проведением газо-хроматографического анализа экстракты очищали от асфальтенов: добавляли 40-50-кратный избыток н-гексана, выдерживали смесь в темном месте в течение суток и затем фильтровали. Полученные мальтены далее исследовали в газо-хроматографических условиях, разработанных для анализа насыщенной и ароматической фракций. По полученным хроматограммам проводили определение основных классов соединений для насыщенной и ароматической фракций. Продемонстрировано, что состав пород существенно влияет на процесс формирования нефтей. Гексановый экстракт по своему составу практически полностью характеризует нефть, полученную из того же месторождения. Хлороформенный экстракт из закрытых пор характеризует степень зрелости нефти (преобладание четных н-алканов над нечетными на хроматограммах). Диапазон н-алканов для гексановых экстрактов находится в области от С12 до С35, для хлороформенных - от С12 до С30, причем содержание компонентов во втором случае меньше на порядок, что связано с особенностью распределения веществ в порах керогенных пород. В исследованных образцах практически полностью отсутствуют моноароматические стероиды в хлороформенной и гексановой фракции. На масс-хроматограммах исследуемых образцов синтетической нефти (m/z 192) помимо стандартных биомаркеров фенантренового ряда: 9-метилфенантрена, 1-метилфенантрена, 3-метилфенантрена и 2-метилфенантрена, также идентифицирован пик 2-метилантрацена. Данное соединение характерно для всех образцов синтетических нефтей и его можно отнести к химическому маркеру, который образуется при пиролизе керогена. Присутствие данного соединения подтверждено методом ГХ-МС/МС. Анализ экстрактов из открытых и закрытых пор позволяет исследовать процессы преобразования органического вещества и формирования химических маркеров нефти. Наличие химических маркеров, таких как 2-метилантрацен указывает на принадлежность данной нефти (или ее фракции) к синтетической. 3.Идентификация/типизация исследованных образцов с применением хемометрических методов; Важным вопросом при анализе большого количества образцов является их классификация/типизация. Для решения этой задачи во время выполнения проекта были использованы хемометрические метода анализа. Для классификации нефтепродуктов хемометрическими методами были использовали программы «MZmine2» (http://mzmine.github.io/) и (http://ms.iis.sinica.edu.tw/comics/Software_iMet-Q.html). Реализовывался следующий алгоритм математической обработки: фильтрация данных от шума и коррекция базовой линии; разметка и определение времени удерживания, m/z, и площади или интенсивности пиков; выравнивание пиков по временам и m/z. Одним из недостатков программы «MZmine2» является необходимость тонкой оптимизации большого количества параметров, а сам расчет занимает продолжительное время. Поэтому все последующие описанные операции проводили с помощью программы «iMet-Q». Окончательную обработку и статистический анализ проводили с помощью онлайн сервиса «MetaboAnalyst» (http://www.metaboanalyst.ca). Данный сервис позволяет провести нормализацию данных (по сумме значений, среднему, маркеру и др.), трансформацию для коррекции данных и отклонений от нормального распределения (логарифмирование и степенные преобразования), масштабирование для уменьшения флуктуаций переменных (центрирование, автошкалирование и др.) с последующей статистической обработкой. Было установлено, что наилучшие результаты достигаются с применением нормализации по сумме значений, логарифмической трансформацией и центрированием данных. Показано, что оба хемометрических метода (РСА и PLS-DA) успешно справляются с задачей различения всех исследуемых типов нефтепродуктов (в том числе образцов, подвергшихся трансформации), поскольку области их распределения не пересекаются и достаточно разнесены. Однако, для PLS-DA это выражено более явно, а границы разброса переменных ýже. Среди всех нефтепродуктов выделяется область, имеющая высокое содержание декалинов. Установлено, что это нефтепродукты техногенной природы. Продемонстрировано, что если рассматривать "выветривание" и деструкцию нефтепродуктов со временем, то соответствующие свежим пробам (или проливам) маркеры группируются в отдельную область, а остальные соединения сосредоточены достаточно плотно и с течением времени также могут мигрировать в характеристичную область, что можно объяснить процессами трансформации. Отнесение неизвестного образца к определенному типу нефтепродукта определяется попаданием точки с полученными значениями главных компонент в характеристичную область. Данный способ идентификации нефтепродуктов и УВТ был успешно применен для типизации природных нефтей из различных месторождений, а также синтетической нефти. Для интерпретации и представления данных были использованы хемометрические методы PCA и PLS-DA. В случае метода PCA наблюдается перекрывание областей образцов фракции месторождений. Метод PLS-DA позволяет полностью разделить зоны, характеристичные для каждого типа образцов. Проверка качества полученной модели для PLS-DA была проведена с помощью перекрестной проверки по отдельным наблюдениям (методом Leave-one-out cross-validation (LOOCV)). Количественным критерием приемлемости модели являлись значения таких коэффициентов как R2 – коэффициент регрессии, отражающий соответствие модели исходным экспериментальным данным; и Q2 – коэффициент, отражающий предсказательную способность модели. Модель считается эффективной, если R2 и Q2 высоки, а разница между ними не больше 0.2-0.3. Обычно для химических данных приемлемыми значениями являются R2 ≥ 0.8 и Q2 ≥ 0.5, тогда как для биологических данных эти значения являются менее строгими: R2> 0.7 и Q2> 0.4. Метод sPLS (sparse projection on latent structures) – рассеянная проекция на латентные структуры является дальнейшим развитием PLS-DA, его применяют в случае, если PLS-DA дает неудовлетворительные результаты. Однако в результате статистического анализа хромато-масс-спектрометрического массива данных для образцов фракций нескольких месторождений PLS-DA характеризовался высокими и близкими значениями R2 и Q2. Метод oPLS (ortogonal projection on latent structures) – ортогональная проекция на латентные структуры, в свою очередь, не может быть корректно применен для задач классификации с более чем двумя классами образцов. Также в работе были опробованы методы ANN (artificial neural network) – искусственных нейронных сетей. Однако точность классификации была неудовлетворительной и полученные модели не обладали достаточной предсказательной способностью для надежной дифференциации образцов, что связано с необходимостью наличия большего числа образцов в выборке для правильного функционирования нейронных сетей. В результате, предложенный подход с использованием метода PLS-DA как метода обработки хромато-масс-спектрометрических данных показал успешную дифференцирующую и предсказательную способность, поэтому является перспективным инструментом для надежной и экспрессной типизации нефтепродуктов, нефтей и экстрактов из керогенсодержащих пород различных месторождений. 4.Исследование ионного состава межпоровых и поровых вод. Исследование ионного состава межпоровых и поровых вод образцов морского шельфа составляло важную часть работы. Особенностью поровых вод морского шельфа является макросодержание хлорида и сульфата (на уровне 20 000 и 3000 мг/л соответственно), а также относительно низкие содержания нитрата, бромида и иодида (на уровне единиц мг/л). Обычные анионообменники низкой емкости обладают недостаточной селективностью и не способны разделять пары данных веществ. Для решения данной задачи были синтезированы новые неподвижные фазы в ионной хроматографии с электростатически и ковалентно закрепленным гиперразветвленным функциональным слоем. Данный подход позволил повысить селективность и эффективность химически модифицированных анионообменников за счет экранирования матрицы от неионообменных взаимодействий с анионами. Помимо этого, ковалентное закрепление функционального слоя улучшило стабильность гиперразветвленных сорбентов. В ходе выполнения проекта научной группой был разработан метод закрепления и формирования гиперразветвленных анионообменных функциональных слоев на поверхности полимерной матрицы. Оптимизированы условия синтеза сорбентов для получения анионообменников с емкостью, приемлемой для использования в режиме безреагентной ионной хроматографии. Изучено хроматографическое поведение органических кислот и неорганических анионов на синтезированных неподвижных фазах в варианте безреагентной ионной хроматографии. Продемонстрированы перспективы использования разработанных анионообменников для анализа реальных объектов (межпоровых и поровых вод) в режиме безреагентной ионной хроматографии. Оценены эксплуатационные характеристики полученных анионообменников. Метод синтеза химически модифицированных гиперразветвленных анионообменников для безреагентной ионной хроматографии на основе сополимера стирола и дивинилбензола предполагает использование аминов и диглицидиловых эфиров различной структуры в определенных циклах модифицирования. Разработанные подходы предполагают формирование гиперразветвленных анионообменных функциональных слоев на поверхности полистирол-дивинилбензола с предварительного введенной аминогруппой путем повторения стадий алкилирования диглицидиловыми эфирами и аминирования первичными аминами. Показано, что введение отрицательно заряженных карбоксильных или сульфо- групп в структуру гиперразветвленного анионообменника позволяет существенно повысить селективность по анионам слабоудерживаемых органических кислот по сравнению с гиперразветвленными сорбентами, не содержащими таких заместителей в структуре функциональных слоев. В ходе реализации направления были синтезированы и исследованы два типа аминированных матриц – со вторичными и третичными аминогруппами, однако предпочтение было отдано матрице с вторичными аминогруппами, поскольку она позволяет получать разветвленный функциональный слой уже после первого цикла модифицирования, что приводит к гораздо большей эффективности анионообменника. Гиперразветвленные слои были сформированы путем повторения циклов модифицирования, включающих стадии алкилирования диглицидиловым эфиром и аминирования первичным амином. За счет варьирования числа циклов, а также структуры диглицидилового эфира и амина были получены слои различной структуры и гидрофильности. В качестве диглицидиловых эфиров использовали 1,4-бутандиолдиглицидиловый эфир (1,1-БДДГЭ) и резорциндиглицидиловый эфир (РДГЭ), в качестве аминов – метиламин (МА), глицин, аланин и таурин. Полученные новые сорбенты для ионной хроматографии обладают высокой селективностью и позволяют проводить разделение до 25-ти органических и неорганических анионов за 45-60 минут. Средняя эффективность составляет от 35 000 до 60 000 ТТ/м. Анионообменник с гиперразветвленным функциональным слоем и отрицательно заряженными группами в его структуре был применен для анализа воды скважины и поровой воды. Установлено, что иодид и бромид быть дополнительным маркером нефтеносности слоев пород. Найдено, что, например в 77 проанализированных на иодид и бромид образцах кернов, вязтых со дна шельфа Баренцева моря, среднее содержание бромид-иона около 60 мкг/мл. И только в трех образцах оно достигает или немного превышает 100 мкг/мл. Аналогичная картина наблюдаеся и по иодиду (менее 1 мкг/мл и до 5 мкг/мл соответственно). Сопоставление точек проотбора с литографической картой дна показало хорошую корреляцию повышенного содержания элементов с глубинными разломами, из которых возможен дополнительный вынос этих веществ. Таким образом, определение брома и йода необходимо для расчета важных генетических коэффициентов: отношения Cl/Br и I/Br. Первый коэффициент позволяет уточнить генетический тип рассола, а увеличение второго характеризует поступление высокотемпературных вод в пластовую систему, что также позволяет определить происхождение воды. Увеличение количества йода в водах рассматривается как поисковый признак, что связано с адсорбцией его органическим веществом. Кроме того, нефтяные воды могут быть промышленно йодными.Те же образцы поровых вод исследованы методом ИСП-АЭС для выявления существенных различий в концентрации металлов (кальций, магний, бор, стронций, железо, цинк, литий, медь и марганец). Установлено, что варьирование в концентрации этих металлов от пробы к пробе, по-видимому, носят лишь случайный характер (не являются маркерами). Роданид и тиосульфат не были обнаружены ни в одном образце океанского шельфа, однако типичны для термальных вод, связанных с вулканической активностью (Камчатка). Во время реализации проекта было проанализировано около сотни образцов поровой воды морского шельфа. Подводя итог, можно коротко описать разработанную концепцию выявления перспективных химических маркеров месторождений углеводородов следующим образом (более подробно описана в результатах работы за отчетный год – см. Приложение 1). Необходимо получить максимальное количества геохимической информации из исследуемых образцов. Для достижения этой цели требуется проводить отдельные исследования каждой фазы нефтесодержащей породы (газовой – не рассматривалась в проекте, водной и твердой). При анализе водной фазы необходимо определять состав катионов (для этой цели применять методы ИСП-АЭС и ИСП-МС) и анионов (для решения этой задачи при реализации проекта были разработаны новые высокоселективные анионообменники). При анализе твердой фазы предлагается использовать микроэмульсионную экстракцию целевых компонентов с последующим определением методами двумерной спектрофлуориметрии и ВЭЖХ-ФЛД для быстрого скрининга наличия маркеров в пробе. В качестве идентификационных маркеров нефтепродуктов предложено использовать ПАУ. Для получения полноценной картины о процессах преобразования органического вещества и перспективности месторождения необходимо проводить биомаркерный анализ фракций (насыщенной и ароматической) нефтей и экстрактов пород методами ГХ/МС и ГХ/МС/МС (на наличие или отсутствие сесквитерпанов и декалинов). Маркерами синтетической (пиролизной) нефти предложено считать 2-метилантрацен. Для проведения достоверной и законченной идентификации образцов предлагается дополнительно использовать хемометрические методы анализа. Все разработанные методы и подходы опробованы на реальных образцах кернов и нефтесодержащих пород, отобранных на различных месторождениях и перспективных поисковых участков. Работа коллектива отмечена благодарностью нефтяных компаний России.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".