ВЛИЯНИЕ ГИБРИДНОГО ЭПОКСИДНО-СИЛИКОНОВОГО ТАМПОНАЖНОГО МАТЕРИАЛА НА ФИЛЬТРАЦИОННО-ЕМКОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПРОДУКТИВНОГО ПЛАСТА

EFFECT OF A HYBRID EPOXY-SILICONE PLUGGING MATERIAL ON THE FILTRATION AND CAPACITANCE PROPERTIES OF THE PRODUCTIVE FORMATION

Hussein Hatem Hassan Azooz

student, Department of Oil and Gas Drilling, Tyumen Industrial University,

Russia, Tyumen

Kuznetsov Vladimir Grigorievich

Scientific supervisor, Professor, Doctor of Science, Department of oil and gas well drilling, Tyumen Industrial University

Russia, Tyumen

АННОТАЦИЯ

В работе проведён сравнительный анализ механизмов воздействия на фильтрационно-емкостные свойства продуктивного пласта традиционного портландцемента и нового гибридного эпоксидно-силиконового состава, модифицированного эпоксисилановым связующим агентом. Основное внимание уделено теоретическому обоснованию того, каким образом изменение химической природы тампонажного материала способно принципиально изменить характер его взаимодействия с коллектором. Показано, что фундаментальные недостатки цементного камня — проникновение твёрдой фазы, набухание глин и высокое межфазное натяжение фильтрата — могут быть потенциально устранены за счёт особенностей строения гибридной полимерной матрицы. Сформулированы гипотезы о возможном положительном влиянии состава на проницаемость и скин-фактор.

ABSTRACT

A comparative analysis is conducted of the mechanisms through which traditional Portland cement and a novel hybrid epoxy-silicone composition modified with an epoxy silane coupling agent affect the filtration and capacitance properties of a productive formation. The primary focus is on the theoretical justification of how altering the chemical nature of the plugging material can fundamentally change the nature of its interaction with the reservoir. It is shown that the principal shortcomings of set cement — solid phase invasion, clay swelling, and high interfacial tension of the filtrate — can potentially be overcome due to the structural features of the hybrid polymer matrix. Hypotheses regarding the possible positive influence of the composition on permeability and skin factor are formulated.

Ключевые слова: гибридный тампонажный материал, эпоксидно-силиконовый состав, силановый связующий агент, LT-560, фильтрационно-емкостные свойства, скин-фактор, селективная изоляция, гидрофобизация.

Keywords: hybrid plugging material, epoxy-silicone composition, silane coupling agent, LT-560, filtration and capacitance properties, skin factor, selective isolation, hydrophobization.

Введение

Строительство и эксплуатация нефтяных и газовых скважин неразрывно связаны с проблемой сохранения естественных фильтрационно-емкостных свойств продуктивных горизонтов. Традиционное цементирование обсадных колонн, выполняемое с использованием растворов на основе портландцемента, несмотря на свою повсеместность, является одним из основных источников повреждения призабойной зоны пласта. Многочисленные экспериментальные исследования, в том числе фундаментальные работы Ишбаева Р.Р. и Зейгмана Ю.В. (2012 г.), неопровержимо доказывают, что в процессе тампонирования цементный раствор оказывает комплексное негативное воздействие на коллектор, выражающееся в глубоком проникновении фильтрата и твёрдой фазы, образовании стойких эмульсий и набухании глинистых компонентов. Следствием этих процессов является резкое снижение проницаемости и многократное увеличение скин-фактора, что в конечном итоге приводит к значительным потерям в добыче.

В связи с этим поиск альтернативных тампонажных материалов, способных минимизировать или полностью исключить повреждение продуктивных пластов, является одной из наиболее актуальных задач современной нефтепромысловой науки. Перспективным направлением является разработка составов на основе полимерных систем, в частности гибридных эпоксидно-силиконовых композиций. Данная работа посвящена теоретическому анализу того, каким образом замена цементного камня на материал подобного типа может повлиять на ФЕС коллектора. При этом мы сознательно ограничиваемся уровнем обоснованных предположений и гипотез, поскольку полномасштабные фильтрационные эксперименты составляют следующий этап исследования.

Детальный анализ механизмов повреждения пласта портландцементом

Для того чтобы оценить потенциал любого альтернативного материала, необходимо иметь ясное представление о том, какие именно процессы вызывают деградацию коллектора при использовании цемента. Многолетние лабораторные исследования на керновом материале позволили выделить три основных, взаимно усиливающих друг друга механизма.

1) Механическая кольматация порового пространства. Цементный раствор представляет собой суспензию, твёрдая фаза которой состоит из частиц клинкера различного размера. Экспериментально установлено, что частицы размером 7,5–10 мкм способны проникать в фильтрационные каналы и необратимо блокировать их. Особенно катастрофические последствия это имеет для низкопроницаемых коллекторов, где средний диаметр пор составляет менее 5 мкм. В таких условиях даже небольшой объём отфильтровавшейся твёрдой фазы приводит к практически полной потере гидродинамической связи скважины с пластом. Важно отметить, что данный процесс является необратимым: удалить частицы клинкера из поровых каналов методами освоения или кислотных обработок удаётся далеко не всегда.

2) Физико-химическое повреждение, вызываемое фильтратом цементного раствора. Фильтрат имеет сильно щелочную реакцию (pH 12–13) и содержит ионы кальция, гидроксила и другие активные компоненты. При контакте с глинистыми минералами, входящими в состав цемента коллектора, он вызывает их интенсивное набухание. Количественно этот процесс характеризуется коэффициентом набухания K=0,69 см³/г при средней скорости Wср=28,2 см³/(г·ч). Набухшие глинистые частицы резко уменьшают эффективное сечение фильтрационных каналов, создавая дополнительное сопротивление потоку.

3) Высокое межфазное натяжение на границе фильтрата с пластовыми флюидами. Значение поверхностного натяжения для цементного фильтрата составляет 57,2 мН/м, что существенно затрудняет процесс освоения скважины. Капиллярные силы, удерживающие фильтрат в поровом пространстве, оказываются настолько значительными, что вытеснить его полностью при освоении практически невозможно. Остаточная водонасыщенность ПЗП после цементирования может достигать 40–60%, что напрямую снижает фазовую проницаемость по нефти.

Совокупное действие этих трёх механизмов приводит к тому, что проницаемость ПЗП после цементирования восстанавливается лишь на 5–31 % от первоначальной, а скин-фактор достигает значений 8–25.

Теоретическое обоснование иного характера воздействия гибридного состава

Предлагаемый гибридный эпоксидно-силиконовый материал представляет собой принципиально иную систему, которая по своей химической природе должна взаимодействовать с породой-коллектором совершенно иначе, чем портландцемент. Ниже излагаются теоретические предпосылки, позволяющие ожидать существенного снижения негативного воздействия на ФЕС.

Первое и наиболее очевидное отличие предлагаемой системы — полное отсутствие твёрдых частиц наполнителя, сопоставимых по размерам с клинкерными зёрнами. Гибридный состав представляет собой истинный раствор или тонкую эмульсию полимерных компонентов в реакционноспособном разбавителе. Следовательно, механическая кольматация порового пространства твёрдой фазой исключена в принципе. Единственным фактором, который может вызвать снижение проницаемости, является проникновение жидкой фазы в пласт до момента её отверждения. Однако глубина этого проникновения может эффективно контролироваться путём регулирования времени гелеобразования. Лабораторные эксперименты, выполненные нами ранее, показали, что время начала полимеризации при температуре 60°C может быть доведено до нескольких часов, что позволяет завершить продавку состава задолго до того, как он начнёт терять подвижность в пласте.

Химическая инертность отверждённого гибридного состава обусловлена его молекулярным строением. Эпоксидная матрица, сшитая аминным отвердителем, и силиконовая фаза, вулканизованная по платиновому механизму, не содержат функциональных групп, способных вызывать набухание глинистых минералов или вступать в химические реакции с компонентами нефти. Более того, силановый связующий агент LT-560, введённый в состав, не только обеспечивает ковалентное связывание органической и неорганической фаз композита, но и потенциально способен прореагировать с поверхностью породы, создав на ней тончайшую гидрофобную плёнку. Такая плёнка, во-первых, предотвращает контакт водной фазы с глинистыми минералами, подавляя их набухание, а во-вторых, изменяет смачиваемость поверхности, снижая капиллярное удерживание фильтрата.

Кроме того, следует ожидать, что фильтрат гибридного состава будет обладать значительно более низким поверхностным натяжением на границе с пластовыми флюидами, чем щелочной фильтрат цемента. Это предположение основывается на известном факте, что кремнийорганические соединения (силаны, силоксаны) являются эффективными поверхностно-активными веществами, снижающими межфазное натяжение. Низкое поверхностное натяжение должно облегчить вытеснение фильтрата из пласта при освоении скважины и способствовать более полному восстановлению проницаемости.

Сопоставление изложенных выше механизмов повреждения пласта цементом и теоретических предпосылок для гибридного состава позволяет выстроить логически непротиворечивую картину его возможного положительного влияния на ФЕС. Если предположить, что все описанные механизмы сработают ожидаемым образом, то можно рассчитывать на кратное снижение объёма фильтрата, проникающего в пласт, и полное отсутствие механической кольматации. Химическая инертность и низкое межфазное натяжение должны обеспечить лёгкость освоения и высокую степень восстановления проницаемости. А гидрофобизация породы силановым компонентом — создать условия для селективной изоляции водопритока.

Список литературы:

1. Ишбаев P.P., Зейгман Ю.В. Исследование динамики проницаемости моделей горных пород в процессах тампонирования скважины // Нефтегазовое дело. – 2012. – № 3. – С. 92-98.
2. Ишбаев P.P., Зейгман Ю.В. Влияние фильтрата тампонажного раствора на проницаемость коллектора по нефти // Неньютоновские системы в нефтегазовой отрасли: мат-лы междунар. семинара. – Уфа, 2012. – С. 137-141.
3. Benaji M.S.A., Berdnik M.M., Malyukov V.P., Hamuli T.K. Effectiveness of a new silicone composition for improving water and gas shutoff in horizontal wells of the Kuyumbinskoye field // Actual Problems of Oil and Gas. – 2025. – Vol. 16, No. 2. – P. 309-323.
4. Провалова Е.А., Ковальчук Т.Н. Анализ причин низкой эффективности ремонтно-изоляционных работ в нефтяных скважинах // Нефтегазовое дело. – 2018. – № 1. – С. 23-32.