ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СЕРОВОДОРОДНОЙ КОРРОЗИИ

АННОТАЦИЯ

Разрушительные свойства сероводорода на цементный камень и его коррозионное воздействия, что приводят к разрушениям недр. Разное состояние сероводорода на цементный камень и последствия.

Ключевые слова: сероводород, цементный камень, коррозия.

В настоящее время в определенной степени уточнен механизм коррозионных процессов, происходящих в цементном камне при контакте с газом, водой, содержащими сероводород, создано несколько видов тампонажных цементов с повышенной сероводородостойкостью.

Из двух кислых газов, содержащихся в пластовом флюиде (сероводород и углекислота), большие проблемы создает сероводород, который является отравляющим веществом для персонала, агрессивен по отношению к буровому оборудованию, промывочным жидкостям и тампонажным материалам. Опыт разбуривания Прикаспийских месторождений нефти и газа позволяет говорить о решении вопросов борьбы с сероводородом в процессе проводки скважины применением соответствующих поглотителей и нейтрализаторов, вводимых в промывочные жидкости. В то же время имеющиеся технологии и материалы не до конца решают проблемы долговременного сохранения недр и окружающей среды, т.к. один из элементов крепи скважины, представленный цементным камнем, весьма уязвим и недостаточно надежен. Анализ состояния фонда скважин по многим месторождениям, имеющим межколонные давления, подтверждает слабость цементного камня к сероводородной агрессии. Сероводород более агрессивен, чем углекислый газ по отношению к портландцементному камню благодаря способности взаимодействовать в окислительно-восстановительных реакциях. Ранее проведенные термодинамические расчеты позволили выявить наиболее устойчивые к действию сероводорода продукты твердения цементного камня. Однако механизм поражения цементного камня существенно зависит от его агрегатного состояния. При газовой сероводородной агрессии механизм поражения носит объемный характер, разрушение сопровождается объемными изменениями камня. Кислород, попадающий в пласты, усиливает процесс поражения, благодаря образованию гипса и гидросульфоалюминатов в порах цементного камня.

При контакте цементного камня с растворенным в воде сероводородом разрушение цементного камня носит послойный характер, причем скорость коррозии зависит от концентрации агрессивных ионов, реакционной емкости цементного камня, его структурных характеристик. Определяющим фактором скорости коррозии является диффузия агрессивных ионов внутрь камня и последующее выщелачивание Са(ОН)₂, сопровождающееся гидролизом и растворением твердой фазы. Принципы выбора тампонажных материалов должны учитывать агрегатное состояние сероводорода (газообразный или растворенный), т.к. механизм поражения камня при этом различен. В результате проведенных в УГНТУ работ обоснованы критерии для выбора тампонажных материалов. Теоретические исследования сероводородной коррозии цементов показали следующее:

1. Результаты изучения процесса газовой сероводородной коррозии.

Прежде всего, была определена термодинамическая устойчивость к сероводороду основных фаз цементного камня в присутствии углеводородов. Из нее видно усиление агрессивного воздействия сероводорода по отношению к продуктам твердения в присутствии углеводородных паров. Наибольшей стойкостью обладают карбонат кальция, низкоосновные гидросиликаты кальция С₆S₆H; C₂S₃H_2,5; C₅S₆H_5,5; CS₂H₂.

К сожалению, для получения последних необходимы температуры 150 – 200 ⁰С, а в большинстве пластов сероводородсодержащих месторождений она не превышает 100 ⁰С.

Наиболее реакционноспособным компонентом цементного камня является гидроксид кальция. По степени устойчивости продукты твердения цемента располагаются в следующий ряд:

СаСО₃ >С₆S₆H > C₂S₃H_2,5 > C₅S₆H_5,5 > CS₂H₂ > C₂S₆H₃ > C₄AH₁₉ > C₃S₂H₃ > C₃AH₆ > Ca(OH)₂.

Поскольку процесс разрушения носит объемный характер, был проведен расчет изменения объемов исходных фаз продуктов твердения после их взаимодействия с сероводородом.

Из нее видно, что только при образовании СаS из реакции ксонотлита (C₆S₆H) с H₂S и сульфида железа из реакции оксида железа с сероводородом объем продуктов реакции больше объема исходных веществ, вступивших в реакцию. Однако если сравнить его с объемом пор в цементном камне, то легко показать, что даже в камне с максимальной степенью гидратации объем пор всегда больше, чем объем возникших продуктов коррозии.

Мы полагаем, что продукты коррозии накапливаются только в порах с большим капиллярным потенциалом. Если размер поры меньше, чем размер образующегося продукта коррозии, то условий для осаждения продуктов коррозии нет. Для каждого вида продукта коррозии существует определенная зона размеров пор, в которых накапливаются нерастворимые компоненты реакции, приводящие к возникновению внутренних растягивающих напряжений в этих порах и, как следствие, к разрушению камня. Косвенным доказательством данной гипотезы служат результаты исследований показавших, что в химическую реакцию, приводящую к объемному разрушению камня, вступает незначительная (3-10%) часть продуктов твердения.

Список литературы:

1. Джакиев К.Т. «Геология и разработка залежей высоковязких нефтей Западного Казахстан», Алматы, 2015 г.
2. Газизов А.А. «Увеличение нефтеотдачи неоднородных пластов на поздней стадии разработки», Москва, ОАО «Недра-Бизнесцентр», 2016 г.
3. Лысенко В.Д., Грайфер В.И. «Разработка малопродуктивных нефтяных месторождений», Москва, ОАО «Недра-Бизнесцентр», 2017г.
4. Лысенко В.Д. «Инновационная разработка нефтяных месторождений», Москва «Недра» - 2016 г.
5. Зайнутдинов Р.А., Крайнова Э.А. «Теория и практика экономической оценки повышения эффективности нефтегазодобывающего производства», Москва, 2019.
6. Зайцев Ю.В., Балакиров Ю.А. Технология и техника эксплуатации нефтяных и газовых скважин. - М.: Недра, 2015. - 302 с.
7. Казак А.С. Новое в развитии техники и технологии механизированных способов добычи нефти: Обзоры. инф. - М.: ВНИИОЭНГ, 2018. - 92 с.
8. Казак А.С. Новые направления в технике и технологии добычи тяжелых углеводородов за рубежом: Обзорн. инф. - М.: ВНИИОЭНГ, 2014. - 48 с. (Сер. Нефтепромысловое дело. Вып. 11).
9. Калинин В.Ф. Выбор продолжительности воздействия депрессии на пласт при освоении скважин // Нефтяное хозяйство. - 2018. - № 6. - с. 29 - 32.
10. Карапетов К.А., Балакиров Ю.А., Кроль В.С. Рациональная эксплуатация малодебитных нефтяных скважин. - М.: Недра, 2016.