Ключевые слова: поглощение бурового раствора, тампонирование, кольматация, циркуляционный переводник, ксантановая камедь, гидродинамическая активация, трещиноватый коллектор.
Поглощение буровых и тампонажных растворов относится к числу наиболее затратных осложнений при строительстве нефтяных и газовых скважин, поскольку сопровождается ростом непроизводительного времени, увеличением расхода технологических жидкостей, нарушением гидравлического режима циркуляции, риском недоподъема цементного раствора и ухудшением состояния призабойной зоны пласта [1, 2]. Значимость этой проблемы возрастает по мере перехода к бурению в более сложных геолого-технических условиях, включая трещиноватые и кавернозные коллекторы, зоны тектонической нарушенности, а также интервалы с аномальными пластовыми давлениями [3].
С инженерной точки зрения поглощение представляет собой не только фильтрационную, но и гидромеханическую задачу. Для успешного тампонирования недостаточно доставить смесь в интервал осложнения, необходимо обеспечить сохранение ее технологических свойств при транспортировке, формирование экрана в целевой зоне и устойчивость этого экрана при действии перепада давления. На практике именно на этапе доставки возникают основные ограничения: состав разбавляется буровым раствором и пластовым флюидом, подвергается интенсивному сдвиговому воздействию в циркуляционной системе и может существенно менять вязкостно-структурные характеристики еще до контакта с поглощающим пластом.
При частичных поглощениях это приводит к снижению эффективности кольматирующих пачек, а при интенсивных и катастрофических потерях – к выносу смеси в глубину пласта либо к преждевременному загустеванию вне целевого интервала. Особенно остро эта проблема проявляется в трещиновато-кавернозных коллекторах, где для получения устойчивого результата требуется не только прочность сформированного барьера, но и высокая точность момента его формирования [4].
В практике ликвидации поглощений применяются как специальные технические средства, прежде всего циркуляционные переводники и байпасные узлы, так и системы с физическим или химическим механизмом тампонирования [5, 8, 9]. Однако в обоих случаях итоговая эффективность определяется общим фактором – степенью управляемости состояния состава на пути от устья до зоны поглощения.
В связи с этим целесообразно рассмотрение следующих задач: проведение анализа применяемых технологий тампонирования зон поглощения; оценка работоспособности сшитых полимерных составов на основе ксантановой камеди в модельной трещиноватой среде; определение практической значимости полученных лабораторных результатов; обоснование целесообразности использования подхода гидродинамической активации состава вблизи интервала поглощения.
Технологии тампонирования зон поглощения и ограничения их применения
Применяемые при бурении технологии ликвидации поглощений целесообразно рассматривать по механизму воздействия как механические, физико-химические и гидродинамические. Такое деление позволяет сопоставлять не только состав системы, но и способ формирования тампонирующего экрана в прискважинной зоне.
Механические методы основаны на закупоривании фильтрационных каналов твердыми частицами, волокнистыми и чешуйчатыми материалами. Их эффективность определяется соответствием гранулометрического состава фактической раскрытости трещин и режиму нагнетания смеси. При работе с частичными потерями такие подходы остаются востребованными, однако при развитой трещиноватости и высокой приемистости пласта дисперсные системы часто не формируют устойчивого барьера [6].
Физико-химические методы используют тампонирующие составы, способные изменять свои свойства после попадания в пласт: увеличивать вязкость, формировать пространственную структуру, переходить в гелеобразное состояние либо создавать малопроницаемый экран за счет химического взаимодействия компонентов [1, 3]. Их основное преимущество состоит в возможности регулировать состав и кинетику структурообразования. Основное ограничение связано с тем, что эта кинетика оказывается чувствительной к температуре, минерализации среды, степени разбавления и длительности транспортировки.
Гидродинамические методы предполагают направленное использование энергетического воздействия потока на процесс формирования экрана. К ним относятся волновая и струйная обработка, а также решения, в которых гидравлический узел одновременно выполняет функции доставки и локальной интенсификации тампонирования [7]. С практической точки зрения такие подходы представляют наибольший интерес, поскольку позволяют ставить вопрос не только о свойствах состава, но и о пространственно-временном управлении его срабатыванием.
Особое место в этой группе занимают циркуляционные переводники и байпасные узлы. Их использование позволяет подавать крупнофракционные, абразивные и химически активные смеси в обход чувствительных элементов КНБК, защищать забойный двигатель и телеметрическую аппаратуру, а также изменять схему нагнетания тампонирующей системы [8, 9]. Для интенсивных поглощений это принципиально важно, поскольку прямоточная подача через стандартный гидравлический тракт компоновки нередко ограничивает как состав смеси, так и диапазон рабочих режимов.
Однако даже при использовании байпасных устройств базовое технологическое ограничение сохраняется. В большинстве случаев смесь поступает в интервал поглощения уже в смешанном состоянии и в процессе транспортировки подвержена разжижению, структурной деструкции либо преждевременному загустеванию. Следовательно, надежность технологии определяется не только типом состава и конструкцией инструмента, но и тем, насколько точно контролируется момент формирования экрана [5, 9, 10].
Химические системы для тампонирования зон поглощения
Химические системы, применяемые для ликвидации поглощений, целесообразно классифицировать по морфологии дисперсной фазы и по механизму тампонирования. По морфологии различают волокнистые, гранулированные и чешуйчатые материалы. Волокнистые компоненты формируют армирующий каркас, гранулированные частицы механически заполняют трещины и поры, чешуйчатые материалы перекрывают устья фильтрационных каналов и уплотняют экран. На практике наиболее устойчивый результат обычно достигается при комбинировании нескольких морфологических типов.
По механизму действия тампонирующие системы делятся на составы с преимущественно физической и преимущественно химической закупоркой. В первом случае эффект достигается за счет механического заклинивания частиц и формирования малопроницаемого слоя. Во втором – за счет реакционного структурообразования, включая сшивку полимерной матрицы, гелеобразование или образование нерастворимых фаз.
В качестве жидкой основы используют воду, минерализованные растворы, углеводородные среды и комбинированные системы. Для стабилизации дисперсной фазы и регулирования вязкостных характеристик вводят структурообразующие полимеры, в том числе ксантановую камедь и производные целлюлозы. Для продуктивных интервалов особый интерес представляют кислоторастворимые наполнители, прежде всего карбонат кальция, поскольку они позволяют повышать механическую стойкость экрана и одновременно сохранять возможность его последующего удаления [1, 5].
С технологической точки зрения такие методы реализуются либо как превентивная модификация бурового раствора, либо как закачка специализированной тампонирующей пачки после возникновения осложнения. Для частичных поглощений нередко достаточны фильтрационно-кольматирующие системы, тогда как для интенсивных и катастрофических потерь требуются составы с выраженным структурообразованием и повышенной механической стойкостью после формирования экрана. Однако независимо от рецептуры их ограничением остается изменение свойств в процессе транспортировки. Именно это обстоятельство определяет необходимость перехода от чисто рецептурного подхода к сочетанию состава и управляемого способа его активации.
Экспериментальные исследования полимерных тампонирующих составов и обоснование гидродинамической активации
Экспериментальная часть работы была направлена на оценку работоспособности сшитых полимерных тампонирующих составов в условиях, моделирующих фильтрацию через трещиноватую среду. По исходным данным исследования выполнялись на базе Санкт-Петербургского горного университета императрицы Екатерины II с использованием стандартного и модернизированного лабораторного оборудования для оценки фильтрационных и геомеханических характеристик тампонирующих систем [1, 3].
В качестве объекта исследования использовали составы на основе ксантановой камеди. Базовая тампонирующая система включала ксантановую камедь в концентрации 0,5–1,2 %, ацетат хрома 0,15–0,2 % и 2-меркаптоэтанол 0,06–0,13 %. Ксантановая камедь выполняла функцию структурообразователя, ацетат хрома использовали как сшивающий агент, а 2-меркаптоэтанол – как регулятор, замедляющий преждевременное развитие пространственной структуры. Подбор содержания компонентов обеспечивал регулируемое время гелеобразования в диапазоне 1,5–7 ч. С технологической точки зрения это означало, что состав сохранял подвижность, достаточную для приготовления, транспортировки и подачи в интервал осложнения, но после завершения индукционного периода переходил в структурированное состояние.
Для повышения механической стойкости экрана были приготовлены модифицированные системы с введением мраморной крошки фракций МК-500 и МК-1000/1500. Использование карбонатного наполнителя было направлено на решение двух задач: повысить сопротивляемость сформированного экрана перепаду давления и сохранить возможность его последующего кислотного разрушения в случае применения в продуктивных интервалах [1, 5].
Результаты были получены на фильтр-прессе высокого давления FANN, модернизированном для моделирования фильтрации через щелевые каналы трещинного типа. Методика испытаний заключалась в помещении состава в рабочую ячейку и последующей ступенчатой подаче азота с регистрацией момента прекращения фильтрации через модельный дефект рисунок 1. В итоговый текст включен только тот результат, который подтвержден исходным материалом: формирование устойчивого экрана в модельной трещиноватой среде с раскрытостью до 1,5 мм рисунок 2. Более крупные значения раскрытости, фигурировавшие в ранней версии текста, без опоры на первичные протоколы в интерпретацию не включались.
РИСУНОК 1. Принципиальная схема фильтр-пресса для оценки блокирующих свойств в условиях трещинного коллектора: 1 – газовый баллон; 2 – редуктор; 3 – манометр (давление в баллоне); 4 – манометр (давление в линии); 5 – газовая линия (подача газа); 6 – верхний клапан (откр./ закр.); 7 – верхняя заглушка; 8 – газ; 9 – тампонирующий состав; 10 – терморубашка; 11 – трещина; 12 – металлический диск с трещиной; 13 – мерный цилиндр [составлено авторами]
РИСУНОК 2. (а) Внешний вид мелкодисперсной фильтрационной корки над трещиной после фильтрации тампонирующего состава ТПС-МК (30 % МК-500) (трещина раскрытостью 5 мм): 1 – цельная часть фильтрационной корки; 2 – разрушенная часть фильтрационной корки в процессе слива; (б) Внешний вид фильтрационной корки на входе в трещину после фильтрации тампонирующего состава ТПС-Г (30 % Галит) [составлено авторами]
Испытания показали, что исследованные сшитые полимерные составы формируют прочный тампонирующий экран, выдерживающий перепад давления до 8 МПа. Это является главным количественным результатом работы, поскольку он характеризует не общие свойства рецептуры, а ее фактическую способность создавать механически устойчивый барьер в модельной трещиноватой среде. Для модифицированных систем с мраморной крошкой устойчивость экрана возрастала за счет сочетания полимерной матрицы и минерального наполнителя. Таким образом, в лабораторно контролируемых условиях исследованные составы показали достаточную прочность для применения при интенсивных поглощениях в трещиноватых коллекторах.
Для расширения методической базы исследования использовали также фильтрационную установку AutoFlood-700 и сервогидравлическую систему GCTS RTR 1500. В рамках настоящей статьи эти установки имеют значение не как источник основных количественных результатов, а как элементы исследовательской схемы, позволившие сформировать основу для дальнейшего перехода от статической оценки прочности экрана к моделированию взаимодействия тампонирующего состава с пористой или трещиноватой средой при более сложном нагружении. Однако главный вывод работы вытекает именно из результатов, полученных на FANN: проблема решается не подбором состава как такового, а обеспечением того, чтобы этот состав сформировал экран в нужной точке скважинной системы.
Полученные данные позволяют сделать важное уточнение. Лабораторная стойкость экрана к перепаду давления до 8 МПа подтверждает высокую прочность уже сформированной структуры, но сама по себе не гарантирует надежность технологии в реальной скважине. При интенсивном поглощении состав продолжает взаимодействовать с буровым раствором и пластовым флюидом, подвергается гидродинамическому воздействию и может менять свои свойства еще до достижения целевой зоны. Следовательно, практическая граница применимости химически регулируемых систем определяется не прочностью барьера после его образования, а риском смещения момента структурообразования относительно интервала поглощения.
Именно из этого следует логика дальнейшего развития технологии. Если задача состоит не только в получении прочного экрана, но и в точной локализации момента его формирования, то обоснованным становится использование подхода гидродинамической активации. Его смысл заключается в том, чтобы сохранить технологическую подвижность состава в процессе циркуляции и инициировать ускоренное структурообразование после прохождения через специальный гидродинамический узел, размещенный в непосредственной близости к интервалу поглощения. Такой узел, интегрированный в циркуляционный переводник или иной байпасный инструмент, должен создавать повышенные локальные скорости сдвига и сопутствующий диссипативный нагрев, переводя управление процессом из области только химической кинетики в область контролируемых гидродинамических параметров потока.
Речь при этом не идет о заявлении принципиально нового физического механизма. Волновое, струйное и гидродинамически интенсифицированное воздействие на прискважинную зону уже описано в литературе, а циркуляционные переводники давно используются как средство адресной подачи составов [7, 8, 9]. Существенным является применение к задачам тампонирования зон поглощения в сочетании регулируемого полимерного состава и локального узла гидродинамической активации, что пока не стало стандартным технологическим решением. Поэтому результаты настоящей работы следует рассматривать как экспериментальное обоснование уместности данного подхода именно для этой предметной области.
Практическое продолжение работы должно быть связано с созданием специализированного лабораторного стенда, который объединит циркуляционный контур высокого давления, активирующий гидравлический узел, систему контроля температуры и давления и ячейку с модельной трещиноватой средой. Только такая постановка эксперимента позволит оценивать состав, геометрию активатора и режим прокачки как единый инженерный объект и перейти от подтверждения прочности экрана к разработке полноценной технологии управляемого тампонирования [5, 9].
Выводы
-
Установлено, что основное ограничение существующих технологий тампонирования зон поглощения связано с недостаточной управляемостью состояния смеси в процессе ее доставки к интервалу поглощения.
-
Подтверждена работоспособность сшитых полимерных составов на основе ксантановой камеди, ацетата хрома и 2-меркаптоэтанола. Для исследованных систем обеспечено регулируемое время гелеобразования в диапазоне 1,5–7 ч.
-
На фильтр-прессе высокого давления FANN показано, что сформированный тампонирующий экран в модельной трещиноватой среде с раскрытостью до 1,5 мм выдерживает перепад давления до 8 МПа.
-
Введение мраморной крошки в состав повышает механическую стойкость экрана и сохраняет возможность использования кислоторастворимого наполнителя в системах для продуктивных интервалов.
-
Установлено, что практическая граница применимости химически регулируемых систем определяется не прочностью уже сформированного барьера, а риском изменения свойств состава до достижения зоны поглощения.
-
Обоснована целесообразность применения подхода гидродинамической активации, при котором управление процессом тампонирования переносится из области только химической кинетики в область контролируемых гидродинамических параметров потока.
-
Следующий этап исследований должен включать создание специализированного стенда для одновременного моделирования гидродинамической активации состава и оценки его тампонирующей способности в трещиноватой среде под перепадом давления.
К ограничениям настоящей работы относится то, что основные количественные результаты получены в условиях лабораторного моделирования. Кроме того, применение 2-меркаптоэтанола в качестве регулятора оправдано на этапе лабораторной отработки, однако при переходе к промысловой реализации требуется отдельная оценка экологических и технологических ограничений данного реагента и подбор альтернативных систем замедления структурообразования.
Литература
1. Predein A.A., Garshina O.V., Melekhin A.A. Technology for eliminating mud losses using a cross-linking plugging material based on cement and cross-linked polymer. Journal of Mining Institute. 2024;266:295–304.
2. Saduakasov D.S., Zholbasarova A.T., Bayamirova R.U. et al. Well kill with controlled losses. Journal of Mining Institute. 2025;272:119–135.
3. Kuchin V.N., Kunshin A.A., Martyushev D.A. Development of viscoelastic systems and technologies for providing watered horizons with abnormal formation pressures during oil and gas well drilling. Journal of Mining Institute. 2021;247:57–65. DOI: 10.31897/PMI.2021.1.7.
4. Sidorkin D.I., Ozhogin D.V., Piralishvili A.A. Drilling of natural and ultra-deep wells for prospecting and exploration of new mineral deposits. Journal of Mining Institute. 2022;258:945–955. DOI: 10.31897/PMI.2022.55.
5. Dvoynikov M., Sidorov D., Kambulov E., Rose F., Ahiyarov R. Salt deposits and brine blowout: development of a cross-linking composition for blocking formations and methodology for its testing. Energies. 2022;15(19):7415. DOI: 10.3390/en15197415.
6. Patey M., Toomes J., Benge G. A pragmatic approach to lost circulation material selection, particle size distribution, and fracture aperture relationship. In: AADE Fluids Technical Conference and Exhibition. 2020. Paper AADE-20-FTCE-062.
7. Ganiev O.R., Averyanov A.P., Ganiev S.R. et al. Laboratory-bench and field studies of wave and jet plugging of permeable rock. News of Higher Educational Institutions. Oil and Gas. 2025;3(171):66–81. DOI: 10.31660/0445-0108-2025-3-66-81.
8. Egorova E.V., Prikhodko E.N., Srymov A.A. Application of a circulation sub as equipment for preventing complications and accidents during oil and gas well drilling. Bulatov Readings. 2025;1:158–163.
9. Rybakov D.A., Dorokhin E.G., Andreev K.V., Buslaev G.V. Development of a hydraulic circulation sub as a tool to prevent mud losses during well drilling. International Journal of Engineering. 2024;37(10):2091–2098. DOI: 10.5829/ije.2024.37.10a.19.
10. Feng Y. et al. Review of fundamental studies on lost circulation and wellbore strengthening. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2017;152:511–522. DOI: 10.1016/j.petrol.2017.01.052.
