ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОЦЕССЕ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ ТАМПОНАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ И БОРЬБЫ С МЕЖКОЛОННЫМ ДАВЛЕНИЕМ И МЕЖПЛАСТОВЫМИ ПЕРЕТОКАМИ

При строительстве скважин необходимым условием является качественная изоляция вскрытых пластов и предотвращение заколонных перетоков, исключение возникновения межколонного давления (МКД), межколонных перетоков и обводнения продуктивного пласта.

При обзоре открытых источников информации, были выявлено что, количество скважин с межколонным давлением на месторождениях Западной Сибири составило 56–84 % [1].

Первые проявления заколонных перетоков могут возникать еще в процессе ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ). Ученые склоняются к тому, что движение пластового флюида в заколонное пространство происходит за счет силы, обусловленной градиентом давления.

Данное явление возникает в связи с разницей пластового и заколонного(гидростатического) давлений, которая в свою очередь постепенно увеличивается с затвердеванием цементного раствора. Анализируя причины появления этих каналов, можно условно их разделить на две группы: появляющиеся во время ОЗЦ и появляющиеся после ОЗЦ.

На качество изоляции пластов влияет несколько факторов, которые можно разделить на два блока.

К первому блоку можно отнести качество замещения бурового раствора цементным. Ко второму блоку - параметры цементного камня и его целостность в период жизни скважины, способность к противодействию циклическим воздействиям (бурение под следующую секцию, перепад температур, добыча углеводородов, нагнетание жидкостей, опрессовки и т.д.), стойкость к агрессивным средам, прочность, проницаемость (Рис. 1) и др.

Рисунок 1. Факторы, влияющие на качество изоляции пластов

Снизить вероятность появления трещин в цементном камне и, как следствие возникновения МКД позволяет применение эластичных добавок в цементном камне либо использование цементно-смолистых систем [3, 4].

Перспективной технологией по предотвращению МКД является применение самовосстанавливающихся цементных систем (СВЦ). СВЦ - это системы, в состав которых включаются специальные добавки (в основном высокомолекулярные полимеры), которые на границе контакта с углеводородной средой вступают в реакцию, образуя прочный гель, с помощью которого восстанавливают целостность цементного камня [3, 4]. Схема процесса восстановления цементной матрицы показана на Рис. 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема восстановления цементной матрицы

Так же известны способы восстановления бетонных конструкций, применяемых в области гражданского строительства. Так, в состав цементного раствора добавляют бактерии, которые при попадании в водную среду «оживают», результатом их жизнедеятельности является карбонат кальция (CaCO₃), закупоривающий имеющиеся трещины в цементном камне. Рассмотрим принципы восстановления целостности цементной матрицы.

При использовании так называемого самовосстанавливающегося «биоцемента» необходима длительная и кропотливая подготовка, а также лабораторные работы по подбору необходимого штамма бактерий, которые впоследствии будут выращены в специализированных инкубаторах в достаточных объёмах и необходимой чистоты.

При приготовлении СВЦ применяются различные типы бактерий, такие как Bacillus, Sporosarcina, Clostridium и Desulfotomaculum [5]. Учеными Политехнического института Дальневосточного федерального округа совместно с учеными из Индии и Ирана были проведены опыты по добавлению в бетон водного концентрата с бактериями Bacillus cohnii.

Во время эксперимента бактерии активировались после того, как трещины в бетоне получили доступ к влаге и кислороду. В течение 28 дней трещины шириной от 0,2 до 0,6 мм были ликвидированы, прочность бетона восстановлена (Рис. 3).

Рисунок 3. Процесс самозалечивания трещин под действием бактерий

После окончания процесса восстановления цементного камня бактерии Bacillus cohnii «засыпают» и могут сохранять свою жизнеспособность в течение 30 лет и более [1]. Несомненным плюсом применения бактериальной методики восстановления цементного камня является то, что в процессе самовосстановления сами бактерии не умирают, т.е. процесс самовосстановления может продолжать в течение всего биологического срока жизни самой бактерии.

При этом разработка и применение бактериальных штаммов, активирующихся углеводородами, может быть опасным с точки зрения загрязнения продуктивных пластов, как это уже случалось в случае загрязнения пластов сульфатвосстанавливающими бактериями (СВБ).

Кроме того, этот метод самовосстановления неприменим в области строительства нефтяных и газовых скважин из-за большого диапазона давления, температуры и необходимости сохранения прокачиваемости цементного раствора в определенном интервале времени, а также ввиду требований к физико-механическим свойствам раствора и цементного камня.

Наибольшее распространение в мире получила технология с добавлением в цементный раствор полимеров, набухающих при контакте с углеводородами.

До недавнего времени на российском рынке единственными поставщиками технологии СВЦ в области цементирования скважин были импортные компании, но в рамках импортозамещения компанией ООО «Нефтесервис» была разработана отечественная цементная система с применением высокомолекулярных полимеров российского производства.

В лаборатории научно-образовательного центра «Газпромнефть-ИТМО» совместно с ООО «Нефтесервис» были подобраны рецептуры облегченного и тяжелого самовосстанавливающихся эластичных цементных растворов для условий одного из месторождений компании «Газпромнефть».

Тестирование цементных растворов проводилось по методикам, описанным в международном стандарте ИСО 10426-2 «Промышленность нефтяная и газовая. Цементы и материалы для цементирования. Часть 2. Испытания цементов».

Были подобраны и испытаны две цементные системы: СВЦ-150, СВЦ-190, определены следующие параметры цементных растворов: плотность, водоотдача, водоотделение, реология, время переходного периода, время загустевания, структурно-механические свойства: прочность, модуль Юнга, коэффициент Пуассона). Цементные камни обладают более низкими значениями модуля Юнга относительно стандартных цементных систем (10–15 ГПа), т.е. подобранные системы будут способствовать большей стойкости цементного камня к циклическим нагрузкам в процессе эксплуатации скважины.

Для испытания цементного камня на способность к самовосстановлению при контакте с углеводородом был использован лабораторный стенд.

Образец поместили в испытательный стенд для определения его самовосстанавливающейся способности при контакте с углеводородом при прокачивании нефти через канал под давлением.

На выходе получили переток-циркуляцию жидкости по сформированному каналу при воздействии давления в 0,5 атм. После подтверждения заполнения канала нефтью давление в установке было снижено до атмосферного. Через 16 часов нахождения образца в контакте с углеводородной средой была зафиксирована герметичность канала: при давлении 3,5 атм на резервуар с жидкостью перетока-циркуляции не обнаружено.

После проведения испытания образец цементного камня системы СВЦ был извлечен и расколот по месту прохождения канала, заполненного герметизирующим гелем.

Дополнительно в образце цементного камня системы СВЦ методом механической нагрузки создали трещины, которые впоследствии с помощью шприца заполнили нефтью. Через 40–50 минут визуально видно образование герметизирующего геля в трещинах (Рис. 4).

Рисунок 4. Процесс формирования герметизирующего геля при контакте СВЦ с углеводородом

Выводы

В результате лабораторных испытаний подтверждены эластичные свойства отечественного СВЦ, а также его способность к восстановлению нарушенной цементной матрицы при контакте с углеводородом. Технология СВЦ имеет высокий потенциал использования на месторождениях Западной Сибири для предотвращения возникновения заколонных перетоков и МКД.

Список литературы:

1. Денисов И.В., Губжоков В.Б. Отечественная эластичная самовосстанавливающаяся цементная система как метод предупреждения и борьбы с межколонным давлением и межпластовыми перетоками. PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти.- 2023-№8(2). –С.40–49.
2. Агзамов Ф.А., Измухамбетов Б.С., Каримов Н.Х., Мавлютов М.Р. Повышение долговечности тампонажного камня в агрессивных флюидах нефтяных и газовых скважин. Самара, 2008.
3. Аль Дулайми Салман Давуд Салман. Самовосстановливающиеся бетоны, модифицированные микробиологической добавкой. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2019.
4. Райкевич С.И. Обеспечение надежности и высокой продуктивности газовых скважин [монография] / ОАО «Газпром». 2007 — C. 247.
5. Фролов А.А., Янкевич В.Ф., Овчинников В.П., Овчинников П.В. Расширяющийся тампонажный раствор. – Известия вузов. Нефть и газ. – 2007. - №5. – С. 77-79