Трещины в цементном камне — одна из главных проблем нефтяных скважин. Через них нефть и газ уходят в соседние пласты или на поверхность. Устранить такие утечки можно только дорогостоящим ремонтом: остановка скважины, вызов ремонтной бригады, многодневные работы. Ученые Пермского Политеха впервые в мире экспериментально подтвердили, что с этим может справиться эластомер — натуральный каучук. Если добавить его в цемент, то при контакте с нефтью он набухает, превращается в гель и запечатывает трещину. Технология использует доступное сырье, не требует сложного оборудования и работает всего за час.
Для справки: ранее другая группа ученых Пермского Политеха разработала состав, который защищает скважины от воды — он реагирует на воду и залечивает трещины, через которые происходит обводнение продукции. Новая разработка, о которой идет речь в этой новости, работает иначе: она реагирует на нефть и газ.
Статья опубликована в материалах конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых». Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
В апреле 2010 года в Мексиканском заливе произошла одна из крупнейших техногенных катастроф в истории — взорвалась нефтяная платформа. Из поврежденной скважины нефть фонтанировала почти три месяца, и за это время в океан вылилось около 5 миллионов баррелей. Позже комиссия назвала главную причину: цементное кольцо, которое должно было надежно изолировать скважину от окружающей среды, дало трещину. Нефть пошла не по трубе вверх, как положено, а по трещинам в цементном камне и прорвалась в океан.
Проблема трещин в цементном камне известна нефтяникам по всему миру. На многих отечественных месторождениях скважины тоже работают с нарушенной герметичностью. А на севере страны, где перепады температур и давления особенно велики, ситуация еще сложнее.
Почему цементный камень трескается? В любой скважине есть стальная обсадная труба, по которой нефть поднимается на поверхность. Вокруг нее заливают цементный раствор. Он нужен, чтобы труба стояла прочно, и чтобы нефть не уходила в другие пласты, например, в водоносные.
Но затвердевший цемент — материал хрупкий. Когда нефть поднимается, давление постоянно меняется, при этом температура у поверхности и на глубине отличается на десятки градусов, к тому же добавляются вибрации от оборудования — все это постепенно разрушает цементный камень. Сначала повреждения незаметны, но когда они становятся сквозными, у нефти появляются пути миграции. Она начинает двигаться не по трубе вверх, а по цементным трещинам, то есть в соседние пласты или на поверхность.
Чтобы не допустить катастрофы, скважину останавливают и проводят дорогостоящий ремонт. Только по газовым скважинам такие затраты составляют миллиарды рублей в год, кроме того, добавляются потери от простоя и экологические штрафы.
Для решения этой проблемы ученые ПНИПУ разработали новый состав для цементирования скважин. В него добавили натуральный каучук. С водой каучук не реагирует и не увеличивается в объеме. Зато при контакте с нефтью или газом он набухает и превращается в густой гель.
— Для скважины это важно, потому что в процессе приготовления цементного раствора используется техническая вода. Если бы каучук реагировал на воду, он вступил бы в реакцию еще во время цементирования. Но этого не происходит. Он остается в смеси в неизменном виде и активируется только при контакте с углеводородами. Это происходит из-за химического родства каучука и нефти: их молекулы легко взаимодействуют, вызывая рост объема материала. Каучук заполняет трещину, превращается в гель и перекрывает путь углеводородов, — объясняет Виталий Прохоров, ассистент кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ.
Для создания добавки каучук измельчают до частиц размером меньше миллиметра. Чтобы они не слипались, их обрабатывают диоксидом кремния — безопасным порошком, который часто использует в пищевой и фармацевтической промышленности как добавку против комкования. Благодаря этому вещество остается сыпучим и равномерно смешивается с цементом, а после закачки распределяется по раствору в виде мелких частиц.
Ученые приготовили два состава: бездобавочный и цемент с добавкой каучука (3,75% от массы) — и из каждого сделали образцы-балочки. Через двое суток их разрушили для имитации появления трещины. Позже части соединили и опустили в керосин — это продукт переработки нефти. Для каучука это та же углеводородная среда, поэтому реакция происходит так же, как при контакте с нефтью, но работать с керосином в лаборатории проще и безопаснее.
Через час каучук начал превращаться в гель. Через два часа трещина была полностью закрыта. Обычный цемент же остался треснутым.
— Добавка незначительно изменила основные технологические свойства цементного раствора. Плотность снизилась на 6%, увеличились реологические показатели. Для цементного камня прочность на изгиб на вторые сутки уменьшилась, но осталась выше регламентного значения — 3,3 МПа при требуемых 2,7 МПа. Это значит, что материал сохраняет свою несущую способность. Более густая консистенция будет положительно влиять на качество цементирования: такой раствор лучше удерживает жидкость затворения и уменьшает показатель фильтрации. При взаимодействии керосина и добавки натурального каучука, находящегося в цементном камне, за 60 минут происходит процесс гелеобразования, который способствует самозалечиванию трещин в цементном камне, — рассказывает Сергей Чернышов, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, доктор технических наук.
Натуральный каучук — доступное и недорогое сырье. Технология его добавления в цемент не требует сложного оборудования или длительной подготовки. Это простое и быстрое решение, которое можно применять как при строительстве новых скважин, так и при ремонте существующих.
Разработка позволит снизить количество дорогостоящих ремонтов, повысить качество крепления скважин и увеличить срок их службы, а значит, уменьшить аварийные риски. Технология может быть востребована в России и за рубежом: проблема межколонных давлений стоит перед нефтяниками по всему миру.