Добавка набухает при контакте с углеводородами и за час перекрывает трещины в цементе.
Пермь, 13 мая - ИА Neftegaz.RU. Исследователи из Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) впервые в мире экспериментально доказали, что добавление натурального каучука в цементный раствор позволяет самопроизвольно устранять трещины при появлении нефти или газа.
Об этом сообщила пресс-служба вуза.
Результаты исследования опубликованы в материалах конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых». Работа велась в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Образование трещин в цементном камне остается одной из ключевых проблем при эксплуатации нефтяных скважин. Из-за них углеводороды могут уходить в соседние пласты или прорываться на поверхность. Ликвидация таких дефектов требует дорогостоящего ремонта с длительной остановкой скважины и привлечением бригады.
В апреле 2010 г. в Мексиканском заливе взорвалась нефтяная платформа, что привело к одной из крупнейших техногенных катастроф. Нефть из поврежденной скважины поступала в океан почти три месяца, объем разлива оценивается примерно в 5 млн барр. Позднее специалисты назвали главной причиной аварии трещину в цементном кольце, которое должно было надежно изолировать скважину от окружающей среды.
Нарушение герметичности цементного камня фиксируется и на многих российских месторождениях. Особенно остро проблема проявляется в северных регионах, где перепады температур и давления накладывают на конструкцию повышенные нагрузки.
Цемент затвердевает в хрупкий материал. При подъеме нефти давление нестабильно, температура у поверхности и на глубине различается на десятки градусов, а вибрации от оборудования создают дополнительные напряжения. Все это ведет к постепенному разрушению камня. Сперва дефекты незаметны, но после образования сквозных путей нефть начинает мигрировать по трещинам, а не по обсадной трубе.
По данным университета, только на ремонт газовых скважин ежегодно тратятся миллиарды рублей, к которым прибавляются убытки от простоя и экологические штрафы.
Решение, предложенное пермскими учеными, заключается во введении в цемент измельченного натурального каучука. При контакте с водой добавка не увеличивается в объеме, зато при взаимодействии с нефтью или газом она набухает и превращается в густой гель, плотно заполняющий трещину.
Как пояснил ассистент кафедры «Нефтегазовые технологии» В. Прохоров, каучук не реагирует на техническую воду, которая используется при приготовлении цементного раствора, и остается в смеси неизменным. Активация происходит только при соприкосновении с углеводородами благодаря химическому родству молекул каучука и нефти, что вызывает рост объема материала и перекрывает путь утечке.
Чтобы получить добавку, каучук измельчают до частиц размером менее 1 мм. Для предотвращения слипания их обрабатывают диоксидом кремния - порошком, часто применяемым против комкования в пищевой и фармацевтической отраслях. В результате вещество сохраняет сыпучесть и равномерно распределяется в цементе.
В ходе эксперимента исследователи приготовили два состава: стандартный цемент и цемент с 3,75% каучука от массы. Из каждого изготовили образцы-балочки. Через двое суток их разрушили, имитируя появление трещины, затем части соединили и погрузили в керосин - продукт переработки нефти. Использование керосина в лабораторных условиях безопаснее, а реакция добавки с ним проходит так же, как и с нефтью.
Через час после погружения началось гелеобразование. Еще через час трещина в образце с каучуком полностью закрылась. Стандартный цемент остался треснутым.
Заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии», доктор технических наук С. Чернышов отметил, что добавка незначительно изменила технологические свойства раствора. Плотность уменьшилась на 6%, показатели вязкости выросли. Прочность на изгиб на вторые сутки снизилась, но осталась выше регламентного порога - 3,3 МПа при требуемых 2,7 МПа. Густая консистенция положительно скажется на качестве цементирования: раствор лучше удерживает жидкость и снижает фильтрацию. При взаимодействии керосина с добавкой в цементном камне в течение 60 мин запускается процесс гелеобразования, способствующий самозалечиванию трещин.
Натуральный каучук относится к доступному и недорогому сырью. Технология его введения в цемент не предполагает сложного оборудования или длительной подготовки. Решение можно использовать как на этапе строительства новых скважин, так и при ремонте действующих. Ожидается, что разработка сократит число дорогостоящих ремонтов, повысит качество крепления и продлит срок службы скважин, уменьшив аварийные риски. Проблема межколонных давлений актуальна для нефтяной отрасли во всем мире, поэтому технология может найти применение и за рубежом.
Натуральный каучук является эластомером растительного происхождения, который добывают преимущественно из млечного сока гевеи. Он обладает способностью избирательно набухать в углеводородных средах, сохраняя стабильность при контакте с водой.
Ранее группа ученых Пермского Политеха создала состав, защищающий скважины от воды. Он реагирует на воду и залечивает трещины, через которые происходит обводнение продукции. Новая разработка действует иначе и нацелена на взаимодействие с нефтью и газом.
Автор: А. Шевченко