Строительство нефтяных скважин происходит с помощью бурения горной породы. Специальная техника разрушает ее слои и образует отверстие, через которое позже добывают полезные ископаемые. Для промывки скважины и инструмента от частиц породы (шлама) используют буровой раствор, который под сильным давлением вымывает все лишнее. Но из-за того, что пласт содержит различные трещины, часто жидкость уходит в них, а не поднимается по скважине. В результате пласт поглощает в себя большой объем бурового раствора. Если его потеря становится слишком значительной, то это называют катастрофическим поглощением. Оно приводит к остановке строительства и большим затратам на исправление ситуации. Сейчас применяются различные составы, которые изолируют трещиноватые пласты, но ни один из них не эффективен для сильных поглощений. Ученые ПермНИПИнефть и Пермского Политеха разработали новый изоляционный материал на основе цемента и «сшитого» полимера. Такая комбинация адаптируется к особенностям структуры пласта и предотвращает осложнения при строительстве скважин.
Статья опубликована в журнале «Записки горного института. Геотехнология и инженерная геология», 2024 год. Исследования выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSNM-2023-0005).
В процессе бурения в скважину под сильным давлением подается специальная промывочная жидкость, которая очищает от частиц выбуренной породы и охлаждает нагревающийся инструмент. Поток бурового раствора должен быть непрерывным, однако если он попадает в большие пустоты и трещины в породе, то нарушается его циркуляция, ухудшается промывка скважины, расходуется время и материалы на приготовление новых объемов жидкости. Поглощение становится катастрофическим при значительном расходе бурового раствора — более 15 кубических метров в час. Такое характерно для пород с наличием больших карстовых провалов и крупных трещин в пласте. Такие поглощения часто встречаются на месторождениях республики Коми и Западной Сибири.
Низко- и среднеинтенсивные поглощения успешно изолируются с помощью стандартных технологий. Изоляция же катастрофических зон достигается за счет постепенного заполнения пустотного пространства тампонажными (перекрывающими) материалами, например, на основе цемента. Но их применение не всегда эффективно, так как цементный раствор под действием гравитации сильно растекается, не закупоривая трещины. Из-за этого для достижения нужного результата приходится проводить много таких операций и закачивать в скважину большой объем материала, что финансово невыгодно.
Повышение вязкости, исключающее растекание, характерно для составов на основе сшитых полимеров (их молекулы «сшиваются» между собой, образуя более плотную связанную структуру). Они создают упругий гель без водоотдачи и способны адаптироваться к различному объему канала. Но под действием давления затвердевшая структура такого геля разрушается. Получается, на сегодняшний день ни один из известных изоляционных составов не обеспечивает эффективную блокировку зон высокоинтенсивных поглощений.
Ученые филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «ПермНИПИнефть» и Пермского Политеха разработали новый состав, объединив свойства сшитого геля и цементного раствора. Он предотвращает растекание материала, выдерживает давление, возникающее при строительстве скважины, а также способен адаптироваться к структуре трещиноватого пространства пласта.
— Наш сшивающийся тампонажный изоляционный материал (СТИМ) – это комбинация цемента и «сшитого» полимера. После смешивания состав проходит три фазовых перехода: в скважину он закачивается как жидкость и в таком же состоянии движется по бурильным трубам. В нижней части колонны происходит «сшивка», и в зону поглощения состав попадает уже в упругом состоянии, что не дает ему растекаться по трещиноватой полости. После материал затвердевает и набирает прочность, которая позволяет ему противостоять гидродинамическим давлениям, возникающим при последующем процессе строительства скважины, — объясняет аспирант кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ Андрей Предеин.
— Необходимые свойства обеспечиваются за счет использования базового состава (цемент, жидкость затворения, функциональные добавки) и полимера. Такая комбинация позволяет нам получить однородную смесь, у которой плотность и время загустевания могут быть подобраны в соответствии с конкретными геолого-технологическими условиями путем добавления обычных добавок к цементу — реагентов замедлителей, — поделился доцент кафедры «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ, кандидат технических наук Александр Мелехин.
По словам ученых филиала ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг» «ПермНИПИнефть» и Пермского Политеха, разработанный состав соответствует всем требованиям для изоляции зон катастрофических поглощений, а также отличается коротким сроком схватывания (5 минут) и устойчивостью к размыву в условиях движения пластовых вод. Его применение позволит значительно сократить объемы закачанных изоляционных составов, а также сроки борьбы с осложнениями при строительстве скважин.