Российские исследователи разработали самовосстанавливающийся цемент для защиты нефтяных скважин

Представьте, что вы качаете из колодца не чистую воду, а смесь, где на каждую каплю полезной жидкости приходится почти целый стакан ненужной примеси. Примерно так сейчас работают многие нефтяные скважины в России. Основной проблемой отрасли сегодня считается их высокая обводненность.

Это значит, что вместо чистой нефти из недр добывается большое количество пластовой воды. По последним данным, в среднем по стране из скважин добывают жидкость, которая на 85% состоит из воды и лишь на 15% — из нефти, что приводит к снижению эффективности добычи.

Такая ситуация напрямую бьет по экономике, снижая общие объемы, а главное — многократно увеличивая затраты. Десятки миллионов рублей ежемесячно компании вынуждены тратить не на поиск новых месторождений или модернизацию технического оборудования, а на сбор и утилизацию этой воды.

Одной из основных причин, по которой происходит обводнение, является потеря герметичности из-за постепенного разрушения цементного слоя, который находится между горными породами и скважиной. При строительстве ее стенки цементируют, чтобы создать прочный изолирующий барьер, одной из основных задач которого является предупреждение поступления воды в скважину. Однако со временем в этом цементном слое появляется множество микротрещин. Через эти повреждения вода начинает поступать в скважину, что и приводит к обводнению.

Для предотвращения подобных явлений при строительстве скважин на сегодняшний день применяются буферные жидкости для очистки стенок и цемент для создания газо- и водонепроницаемого барьера. Проблема в том, что эти материалы не гарантируют долгосрочной герметичности. Так, промывочные жидкости могут оставлять на стенках скважины трудно отмываемую пленку. Из-за этого цементный раствор, который далее закачивается в скважину и превращается в камень, плохо сцепляется с поверхностью. Обычные цементы также не устраняют появляющиеся под нагрузками микротрещины. Это нарушает герметичность всей скважины, и пластовая вода начинает проникать в нее.

Решение этой проблемы нашли ученые Пермского Политеха. Они создали новую систему буферных жидкостей и самовосстанавливающийся цемент, которые защитят скважины от преждевременного обводнения. Статья опубликована в журнале International Journal of Engineering, Transactions A: Basics.

Долговечность работы скважины зависит от подготовки ее поверхности перед цементированием. Поэтому вместо одной «очищающей» жидкости ученые создали систему последовательной обработки из трех составов. Первый растворяет и смывает все загрязнения. Второй покрывает очищенную поверхность специальной пленкой и подготавливает ее для дальнейшей обработки. Третий содержит мельчайшие частицы, которые оседают на покрытии и обеспечивают максимальное сцепление с цементом.

Но даже хорошо подготовленная поверхность не гарантирует защиты, если сам изоляционный слой со временем разрушается. Поэтому параллельно исследователи разработали специальный цемент с функцией самовосстановления. Для этого ученые модифицировали состав специальными добавками. Одна из них при попадании воды в трещину вступает с ней в химическую реакцию, растворяясь и заполняя повреждение. Другая добавка разбухает, увеличивается в объеме и перекрывает зазор. Такой состав может полностью перекрыть искусственно созданную трещину всего за 14 часов, в то время как традиционные добавки не способны ее перекрыть.

— Лабораторные испытания показали конкретные преимущества нового решения. Во-первых, система буферных жидкостей обеспечила увеличение прочности сцепления с цементом в 4 раза по сравнению с применяемыми сегодня составами. Во-вторых, был создан самовосстанавливающийся цемент, который полностью перекрывал микротрещину всего за 14 часов, — объяснил Вадим Дерендяев, младший научный сотрудник кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ.

Предложенные материалы эффективны, поскольку на рынке России сегодня нет таких аналогов, которые бы комплексно решали проблему очистки скважины и ее защиты от обводнения. Новую систему можно внедрять на месторождениях для повышения защиты скважин в условиях высоких нагрузок — например, на тех, где планируются работы по проведению гидроразрыва пласта.

Важно, что разработка актуальна для России, поскольку может существенно снизить риск преждевременного обводнения и повысить экономическую эффективность добычи на сложных объектах.