Молодые ученые-предприниматели о новой эпохе химии в нефтедобыче
«Химия в нефтедобыче очень разнообразная»
– Ваша компания появилась из стартапа, верно?
Тимур: Да, в конце декабря нам будет два года. Мы участвовали с нашим стартапом в акселераторе Industrix и наши кураторы подтолкнули нас к созданию компании.
– Из чего появился ваш стартап? Вы используете искусственный интеллект, чтобы создавать ПАВы (поверхностно-активные вещества) для добычи нефти?
Эмиль: На самом деле это очень большой и сложный вопрос. Обычно мы объясняем на примере поверхностно-активных веществ, но на самом деле химии в нефтедобыче используется очень много, и она очень разнообразная.
Т.: Мы объясняем на примере поверхностно-активных веществ, потому что это была наша первая гипотеза – использовать методы хемоинформатики для разработки ПАВ под пластовые условия. Исторически это был наш первый пример, а теперь – «флагманский продукт».
А началось все с того, что… На самом деле у нас два разных бэкграунда. Мы оба ученые, у нас есть кандидатские степени, но Эмиль работал в лаборатории по разработке спецхимии для нефтедобычи, а я был со стороны хемоинформатики и искусственного интеллекта. Мы просто как-то встретились и сошлись на том, что делаем примерно одно и то же, но в разных областях.
Э.: Да, это был пункт №0, примерно в начале 2023 года. Тимур как раз вернулся из Японии, он проходил там постдок (постдокторантура, которую проходят молодые ученые после получения PhD, – прим. Т-и). Я руководил лабораторией, где мы разрабатывали химию классическими методами, как все. Тимур рассказал мне про хемоинформатику, о том, что она действительно может помочь в предсказании структур и свойств [химических соединений] – все это он уже делал в других областях. Так и родилась идея.
Тимур Гимадиев
Мы начали искать хороший проект, чтобы понять, нужно ли это индустрии. Тут появились наши хорошие друзья из «Газпром нефти». Нас очень прокачали в плане бизнес-компетенций, мы были все же в первую очередь ученые, а не предприниматели.
Тогда стартап только появился. В 2024-2025 годах мы плотно работали с «Газпром нефтью», выполнили порядка четырех-пяти проектов. В какой-то момент «Газпром нефть» вместе с Татарстаном решили организовать в республике консорциум «Идел-Полихим», Рустам Нургалиевич Минниханов подписал договор с [председателем правления компании «Газпром нефть»] Александром Дюковым на ПМЭФ. Мы стали цифровым ядром в этом консорциуме.
В этом году нас также поддержал Фонд науки и технологий Татарстана. Мы выиграли грант на развитие очередной модели, которая позволяет предсказать комплексные свойства ПАВ. По этому гранту мы смогли компенсировать треть своих затрат, что очень помогло развитию технологии.
– Откуда больше заказчиков: из Татарстана или из-за пределов региона?
Т.: Так исторически сложилось, что у нас все началось с «Газпром нефти», но мы работали также с СИБУРом и «Татнефтью».
– Тимур, в Японии вы тоже занимались хемоинформатикой?
Т.: Да, мы занимались разными проектами по разработке и дизайну реакций. У нас даже была совместная работа с нобелевским лауреатом Беньямином Листом (вместе с американским химиком Дэвидом МакМилланом получил Нобелевскую премию в 2021 году за разработку ускоренного синтеза сложных молекул, в частности лекарств, – прим. Т-и). Но учился хемоинформатике я во Франции, а в Японии участвовал в открытии новой лаборатории по хемоинформатике в рамках государственного проекта правительства Японии по созданию научных центров мирового уровня. В какой-то момент решил вернуться в Россию, в Татарстан.
«Только лекарствоподобных соединений теоретически больше, чем звезд в наблюдаемой Вселенной»
– Что вы можете разрабатывать, кроме ПАВов?
Э.: Есть проекты по полимерам, ингибиторам коррозии (ингибиторы, в противоположность катализаторам, подавляют течение физико-химических процессов, – прим. Т-и), ингибиторам гидратообразования, деэмульгаторам – очень-очень много разных типов химии. Я бы сказал, что большую часть рынка химии для нефтедобычи составляют примерно 20 типов химий. К тому же каждая из них применяется не индивидуально, а в композиции, то есть это такие химические коктейли.
– Сколько уникальных соединений можно сделать?
Э.: Вообще, если мы говорим про органическую химию, то их неисчислимое количество, например только лекарствоподобных соединений теоретически 10^33, что больше количества звезд в наблюдаемой Вселенной. Но мы работаем с реальным сектором, индустрией, и им не нужны какие-то «золотые молекулы», поэтому мы сильно ограничиваемся и исходим из того, что производит промышленность. Поэтому мы тесно сотрудничаем с СИБУРом и другими химическими предприятиями, чтобы наладить язык: «Мы будем использовать ваше сырье в своих моделях, чтобы потом из этого рождались новые молекулы и реагенты, что выгодно всем». Сейчас из химического сырья (прекурсоров) на российском рынке можно создать десятки тысяч молекул.
– И вы предлагаете компаниям десятки тысяч молекул, которые будут работать?
Э.: Мы генерируем десятки тысяч молекул, и модель хемоинформатики выбирает из них лучшие кандидаты для каждого конкретного случая – именного этого месторождения, этого пласта с учетом их геолого-физических характеристик.
– Но сортов или видов нефти ведь ограниченное количество? Для чего столько разной химии? Ведь процесс нефтедобычи, кажется, так глубоко изучен.
Э.: Не настолько, как хотелось бы (смеется). Когда я работал в лаборатории, наш опыт не был структурирован, то есть не было такой зависимости, что для такой нефти нужна такая химия. Теоретически ее невозможно предсказать, поэтому здесь и нужны нейронные сети. Вариативность нефти, на самом деле, громадная. Помимо того, что сама нефть может быть разной, разными могут быть пластовая вода, порода, температура и другие свойства – очень большая вариативность.
«Следующая научная проблема, которую попытаются решить с помощью ИИ, будет из области химии»
– Как давно хемоинформатика сложилась как наука?
Т.: Исторически сложилось так, что хемоинформатика родилась из фармацевтики. Она позволяет очень сильно экономить деньги, потому что вы расчетными методами на компьютере проверяете гипотезы, собираете наиболее вероятные из них и только их проверяете в физическом мире. На текущий день разработка одного препарата может стоить миллиарды долларов, и все пытаются урезать хоть какие-то расходы на каждой стадии. Хемоинформатика появилась давно, я даже не могу сказать конкретно – смотря от чего отсчитывать.
– С появлением искусственного интеллекта?
Т.: Тогда это еще не было связано с искусственным интеллектом. Условно говоря, если вы можете построить линейную корреляцию по каким-то химическим признакам, это уже можно отнести к началам хемоинформатики. То есть даже не обязательно использовать искусственный интеллект. ИИ появился со временем, потому что это хороший инструмент для решения химических задач. В России первую магистратуру по хемоинформатике, как раз в нашем КФУ, открыли в 2013 году.
Э.: Хемоинформатика развивалась в фармацевтике примерно с 1990-х годов. Мы были одними из первых, кто начал переносить ее в другую область – нефтедобычу.
– Где еще можно использовать хемоинформатику?
Э.: Уже есть намеченные области, где мы будем пробовать. Возможно, в ветеринарии или в агропромышленном комплексе. В горнодобывающей промышленности тоже используется химия, и ее тоже нужно постоянно подбирать под разные минералы и породы. Ее можно использовать везде, где происходят постоянные изменения и применяется химия.
Т.: Мы говорим, что начали с нефтедобычи, но по сути это нефтедобыча, нефтеподготовка и нефтепереработка. То есть это все полимерные материалы, которые делаются из нефти, и вся химическая промышленность в целом.
– Как хемоинформатика развивается в мире? Можно ли сказать, например, что хемоинформатик сегодня более значим, чем айтишник?
Т.: Я бы сказал, что IT – это слишком, так сказать, собирательный образ, слишком много всего туда намешано. Наверное, хемоинформатика становится все более популярной, потому что нужно разрабатывать новые материалы. Но с самого начала все равно идет перекос в сторону биологии, потому что там больше задач, можно добиться больших побед и показателей. В 2024 году Google DeepMind дали Нобелевскую премию за разработку AlphaFold (программа на базе ИИ, которая предсказывает пространственную структуру белка, то есть решает важнейшую задачу биоинформатики, – прим. Т-и). Наверное, следующая проблема, которую попытаются решить с помощью ИИ, будет из области химии. Те же самые компании, которые разрабатывают искусственный интеллект, стали уделять химии все больше внимания. Сейчас ответы разных чат-ботов в области химии стали гораздо лучше, чем это было два года назад.
– Большие вычисления, наверное, требуют больших мощностей?
Э.: У нас свои серверы для решения небольших задач. А для остального мы пользуемся облачными серверами.
– Наверное, это самая большая статья расходов?
Т.: На самом деле, самая большая статья расходов – это люди, как всегда.
– То есть ничего специального вы не используете?
Э.: Пока это не уровень суперкомпьютеров.
Т.: Во-первых, это не уровень моделей типа чат-ботов, потому что это большие языковые модели. Наша модель более специфичная, она решает конкретную задачу. Общие задачи мы решаем из комбинаций разных моделей. Каждая из них не занимает столько ресурсов, сколько, например, нужно для обучения ChatGPT.
«Нефть как ресурс останется еще как минимум на 100 лет»
– Вы сказали, что ИИ экономит ресурсы нефтяных компаний. О каких цифрах может идти речь?
Э.: Точно сложно сказать. Все зависит от типа химии. К примеру, возьмем поверхностно-активные вещества, они используются в химических методах увеличения нефтеотдачи – закачиваем химию, выходит больше нефти. Десятки лет компании добывали нефть «естественным» методом, но через время добыча снижается – так они могут добыть примерно 25% от геологических запасов нефти. А закачка правильных реагентов может поднять нефтедобычу до 35-45%. Сколько стоит 10-20% нефти одного месторождения?
Т.: Кроме нефти, есть еще стоимость транспортировки, убытки от простоя оборудования и много других факторов, которые очень сложно оценить. Это баснословные суммы. Прошло время, когда можно было легко выкачивать нефть. Чтобы выкачивать ее дальше, нужно применять более сложные технологии. Химические методы увеличения нефтеотдачи – это одна из таких технологий, и она только входит в обиход. Условно говоря, через 10 лет все будут обязаны использовать химию в нефтедобыче.
– С помощью этой технологии можно добыть всю нефть вообще?
Э.: Добыча нефти делится на стадии. Первая стадия, это когда нефть добывается «естественным» путем. Так можно добыть обычно 20-30% нефти. Потом идут вторичные методы извлечения нефти – закачивают либо воду, либо газ. Так добиваются порядка еще 5-10% и переходят к третичным методам: химия, тепловая энергия, пар, горячая вода – это может дать еще 20%. В лучшем случае в сумме это 50-70%.
Нефть очень неоднородно распределена в пласте. Если представить нефтесодержащую породу как кирпич, то нефть находится в его микроскопических порах. То есть это не бассейн под землей. Первая стадия уже заканчивается, начинают применять вторичные и третичные методы, в том числе в России. И реагенты нужно подбирать быстро, потому что, как сказал Тимур, не должно быть простоев, чтобы рос коэффициент извлечения нефти. Это был первый запрос, с которым к нам пришли нефтедобывающие компании, – нужно быстрее подбирать химию.
Т.: Эмиль работал с нефтеизвлечением, а для меня это просто теория. Но однажды я пришел в лабораторию, и мне показали кусок мрамора, который на треть состоял из нефти. А внешне он выглядел как простой кусок мрамора.
– А когда всю возможную нефть выкачают – что тогда?
Э.: Когда началась нефтедобыча? В XIX веке? С тех пор выкачали порядка 30 процентов нефти. У нас в запасе еще 70 процентов. Есть месторождения, которые вообще не трогали. В России есть громадная баженовская свита, разработка которой попала под санкции одной из первых в 2014 году. В ней колоссальные запасы нефти, которые сейчас просто нерентабельно добывать. С учетом всех этих запасов и того, что еще недоизвлекли, это еще очень надолго, на столетия.
– Есть мнение, что нефти к 2050 году останется очень мало.
Э.: Я думаю, ее добыча станет менее рентабельной, но как ресурс она останется еще минимум на 100 лет, на наш век точно хватит.
Т.: Кроме того, мы будем развивать другие направления.
Э.: Например, есть биохимия или зеленая химия.
– К слову о зеленой химии. Применение ваших химикатов безопасно для природы?
Э.: Когда мы разрабатываем реагенты, у нас определено много требований, например отсутствие хлорорганических соединений. Если мы говорим об арктическом шельфе, там обязательно нужна биоразлагаемая химия. Есть определенные экологические требования к химии, и нефтяные компании их придерживаются. Риски всегда остаются, потому что это технологический процесс, как любое производство. Вообще любая человеческая деятельность приносит ущерб экологии.
– Если нефти в недрах не останется, не приведет ли это само по себе к катастрофе?
Э.: На самом деле, наш век очень сильно завязан на углеводородах и химической промышленности, но есть другие направления, например биотопливо. К примеру, дизель из рапса. Это работает и даже где-то экономически обоснованно, но для этого необходимо использовать землю, которую можно использовать для производства еды, поэтому от него пока отказываются – еды на Земле еще не всем хватает.
Т.: Могу привести пример с Индонезией, вокруг которой разгорелся экологический конфликт. Там вырубают огромное количество тропических лесов под сахарный тростник. Его используют для производства спирта – это тоже биотопливо. Эти проблемы все равно придется разрешать в будущем. Биотопливо тоже наносит экологический ущерб. Как Эмиль уже сказал, любая деятельность человека наносит природе ущерб.
Э.: Мы можем совершить переход на биотопливо, и он уже начался, люди ищут пути его адаптации. Первые и самые очевидные попытки не сработали, поэтому у нас появился, например, третий вид биотоплива – из биологических отходов. Делают даже специальные генетически модифицированные растения с обширной корневой системой – из корней и делают биотопливо. На самом деле, существует очень много направлений.
Т.: Кстати, сейчас животноводческие фермы в Татарстане внедряют биогаз из навоза. Получается двойная выгода: во-первых, эти массы сбраживаются и выделяется горючий газ, а во-вторых, после сбраживания они используются как удобрение, потому что они менее агрессивны для почвы.
«Любой рядовой студент может пройти тот же путь, что прошли мы»
– Тимур, как вы попали во Францию?
Т.: Это благодаря татарстанской инициативе. Во-первых, потому что в КФУ открыли магистратуру по хемоинформатике. В свое время от российского Правительства был грант на открытие международных школ. Профессор Александр Варнек (сейчас – руководитель лаборатории хемоинформатики Страсбургского университета, – прим. Т-и) открыл здесь магистратуру в 2013 году, я в нее поступил. По программе первый год я должен был учиться в Казани, второй – во Франции, в университете Страсбурга. Я выиграл грант Правительства республики «Алгарыш» на обучение за рубежом. Такая возможность есть у жителей Татарстана до сих пор, и даже есть возможность обучения во Франции, потому что у России с Францией до сих пор есть связи, через французское посольство. После того как я окончил магистратуру, я остался на PhD, то есть на кандидатскую степень. То есть у меня французская кандидатская.
– У вас довольно нетривиальный путь. Как вы думаете, это под силу рядовому студенту?
Т.: Мне кажется, я и был рядовым студентом. Я из Казани, химию в школе выбрал случайно – потому что учительница отправила на олимпиаду. В химии я был не очень хорош, но хорошо решал тесты. Что-то выиграл в районе, меня послали на «республику», и как-то с химией все связалось. Учился в лицее при КФУ, отучился на химфаке по специальности, никак не связанной с хемоинформатикой.
– А программирование?
Т.: Мне всегда нравилось программирование. На самом деле, сейчас это кажется чередой случайных событий.
– На каком языке пишете?
Т.: Мы пишем на Python, там есть все стандартные фреймворки для работы с нейронными сетями и хемоинформатикой.
– Можно ли назвать опыт учебы и работы за границей переломным?
Т.: Не переломным, а наверное, необходимым, потому что тогда я не мог получить это в России.
– Эмиль, как вы попали в химию?
Э.: Я из семьи инженеров-энергетиков, и первое образование у меня энергетическое. Я заканчивал наш Казанский государственный энергетический университет, и мне попался хороший заведующий кафедрой, доктор физических наук Юрий Ваньков. Он углядел во мне интерес к науке и предложил после магистратуры пройти аспирантуру уже на физфаке КФУ.
Так я попал в КФУ, работал в лаборатории под руководством прекрасного профессора Виктора Ларионова, кандидатскую защитил по теплофизике. Уже после мне повстречался руководитель направления нефтегазовых технологий КФУ Михаил Варфоломеев, который предложил поработать в области нефтянки. От тепловых методов я «перетек» в химические, поднаторел в химии и физхимии.
Нужно проявлять любопытство, не нужно никогда бояться задавать вопросы. Когда у человека есть свой интерес, находятся хорошие люди, которые подсказывают дорогу и поддерживают.
– Такой же вопрос: рядовой студент имеет возможность пройти тот же путь, что прошли вы?
Э.: Да. Когда я руководил лабораторией, у нас было очень много студентов. Некоторые из тех, кого я «воспитывал» в лаборатории, работают там до сих пор. К нам попадали только те, кто сам проявлял интерес. Все-таки это непростой путь. Даже если непонятно, нужно любопытствовать. Уже через неделю-две становится понятно, нравится человеку этим заниматься или нет.
Фотографии предоставлены Эмилем Сайфуллиным и Тимуром Гимадиевым