Ключевые слова: водонабухающий полимер, тампонажный раствор, «самозалечивающиеся» свойства, прочность цементного камня, герметичность крепи скважины, эффект отложенной гидратации полимера.
Сохранение герметичности затрубного пространства скважин является актуальной проблемой для нефтегазовой отрасли, поскольку напрямую связано с безопасной эксплуатацией и экономической эффективностью добычи углеводородов. Наличие трещин и каналов в крепи скважины приводит к заколонным перетокам и межколонному давлению, а также к повышению обводненности продукции [1-3].
Существующие методы решения данной проблемы имеют свои недостатки, связанные с кратковременным эффектом и высокой стоимостью проведения ремонтно-изоляционных работ. Разработка новых технологий и материалов для восстановления герметичности крепи скважин является актуальной задачей и может значительно повысить эффективность эксплуатации месторождений углеводородов [4, 5].
При бурении, перфорации и гидроразрыве продуктивного пласта цементный камень испытывает повышенные динамические нагрузки, а в процессе эксплуатации – агрессивное воздействие пластового флюида, горного давления и температуры. В результате этого могут возникнуть трещины и каналы, по которым возможно движение пластового флюида [6, 7]. Для устранения указанных проблем, возникающих в процессе жизненного цикла скважин используются специально разработанные методы [8- 10].
В ряде исследований упоминается о «самозалечивании» цементного камня. Самозалечивание реализовывалось путем применения специальных добавок в тампонажный раствор при его затворении с последующей активацией при контакте с пластовым флюидом, прорывающимся по трещинам в цементном камне. В качестве таких добавок использовались полимеры, волокна и бактерии [11, 12, 2].
Добавка полимера влияет на технологические параметры тампонажного раствора и цементного камня, такие как плотность, прочность, растекаемость и консистенция. Поэтому при использовании полимера его частицы покрывались водорастворимой оболочкой, которая растворялась пластовым флюидом с последующим его набуханием, приводящим к перекрытию трещины в цементном камне и восстановлению герметичности крепи [1, 2, 13].
Добавка бактерий в тампонажный раствор позволяет закупорить образованные трещины лактатом кальция, являющегося продуктом жизнедеятельности микроорганизмов при поглощении ими кальция, содержащегося в цементном камне. Процесс «самозалечивания» бактериями достаточно долгий и может достигать нескольких месяцев [14, 15, 16].
Основным положительным фактором концепции восстановления герметичности затрубного пространства скважины «самозалечиванием» является автономность и пролонгированная активация добавок, начинающаяся при возникновении трещины и появлении в ней пластового флюида [17].
Задача настоящей работы заключается в разработке тампонажного раствора, способного в автономном режиме герметизировать появляющиеся водопроводящие капиллярные каналы в цементном камне за счет эффекта отложенной гидратации полимера марки ЛП-6С в трехслойной оболочке из ПЭГ-6000 [18].
Методы
Для реализации поставленной задачи определены основные направления исследований эффекта отложенной гидратации полимера марки ЛП-6С в трехслойной оболочке из ПЭГ-6000 в составе тампонажного раствора.
Определение прочности образца цементного камня на сжатие
В экспериментальных исследованиях на сжатие цементного камня (ГОСТ 34532-2019) было установлено, что добавка в тампонажный раствор на основе ПЦТ-1-50 полимера марки ЛП-6С приводит к снижению его прочности. При контакте с водой ЛП-6С наблюдалась высокая скорость гидратации, вследствие чего нарушалась структура цементного камня. В работах посвященных исследованиям влияния добавок микрокремнезема было установлено увеличение прочностных характеристик цементного камня. В связи с этим для компенсации снижения прочности цементного камня в его состав был введен микрокремнезем МК (ГОСТ Р 58894-2020) в концентрации 10 %. Рецептура нового ТР выглядела следующим образом: вода + ПЦТ-1-50 + ПЭГ-6000 + МК. Результаты иследования показали, что добавление в состав тампонажного раствора 10% микрокремнезема повысило прочность цементного камня практически на 21% в течении двух суток. Данное увеличение показателей прочности помогло скомпенсировать потери при добавлении водонабухающего полимера ЛП-6С в оболочке из ПЭГ-6000. Положительно повлиять на прочностные характеристики удалось при 0,5% и 1% содержании ЛП-6С в цементном растворе. Повысить прочность при 5% содержании полимера хоть и удалось, однако этого было недостаточно. Его потеря прочности после добавления микрокремнезема составила 30%, в отличие от 0,5% и 1% добавления ЛП-6С, чьи потери прочности составили 0% и 5% соответсвенно, что является предельно допустимыми значениями.
Покрытие оболочки ЛП-6С
По результатам анализа литературных источников было установлено, что оболочки, получаемые на основе КМЦ, желатина и поливинилового спирта, обладают способностью к набуханию, что негативно отражается на формировании структуры цементного камня [13, 19]. Оболочка из ПЭГ благодаря своей высокой молекулярной массе обладает способностью медленно растворяться в воде, не набухая, в отличие от вышеперечисленных оболочек. Кроме того при введении ПЭГ в состав тампонажного раствора на ранней стадии твердения наблюдается замедление процесса гидратации, что приводит к снижению тепловыделения, а на поздних стадиях твердения – отмечается связывание портландита в органоминеральные комплексы, что сопровождается ускорением процесса структурообразования и, как следствие, повышением прочности искусственного камня [20].
Создание оболочки вокруг частиц водонабухающего полимера осуществлялось путем введения его в водный раствор ПЭГ-6000 (вода/ПЭГ-6000 = 0,8) с последующей дегидратацией в сушильном шкафу в течение 4 ч., затем, полученный материал диспергировался до требуемой фракции. Сформированная оболочка позволила реализовать эффект отложенной гидратации полимера на период 2 ч. Для пролонгации срока действия данного эффекта формировались дополнительные слои оболочки из ПЭГ-6000 аналогичным способом. В результате, полученная трехслойная оболочка (рис.1) позволила на 6 ч. увеличить время до начала гидратации полимера, что позволяет избежать нарушение структуры цементного камня в процессе его твердения.
Из рисунка 1 видно, что водонабухающий полимер ЛП-6С полностью покрыт оболочкой из ПЭГ-6000.
Динамика набухания ЛП-6С
Лабораторные опыты показали, что сухой ЛП-6С имеет превосходную динамику набухания. Трехслойная оболочка из ПЭГ-6000 позволила в первые 6 часов добиться ограничения увеличения объема полимера лишь до 10%, а после полного растворения облочки полимер начал активно гидратировать и набухать.
В минерализованной воде динамика набухания ЛП-6С показала схожие результаты. Концентрация солей в воде влияла только на скорость набухания полимера, но не на изменение его объема.
Растекаемость тампонажного раствора
По результатам экспериментальных исследований тампонажного раствора в соответствие с ГОСТ 34532-2019 можно отметить, что добавление чистого водонабухающего полимера марки ЛП-6С существенно снижает его подвижнось. Добавка водонабухающего полимера с оболочкой из ПЭГ-6000 в концентрации 5 % позволила повысить растекаемость с 9 до 16 см.
1. Проницаемость каналов в цементном камне.
Для оценки герметизирующих свойств полимера с оболочкой разработан экспериментальный стенд имитирующий процесс фильтрации жидкости в каналах цементного камня (Рис. 2).
Загрузочная ячейка 1 с проволокой диаметром 0,4 мм, имитирующей водопроводящие каналы 3 заполняется тампонажным раствором 2. По истечении суток производится извлечение проволоки с целью освобождения водопроводящих каналов. По истечении 48 ч. загрузочная ячейка подключается к опрессовочному насосу при помощи которого подается жидкость. Ежечасно фиксировались объем жидкости, проходящей сквозь каналы в цементном камне и давление нагнетания по манометру.
Исследовались тампонажные растворы следующих составов с В:Ц=0,5:
- ПЦТ–1- 50 + 0,5% ЛП-6С;
- ПЦТ – 1- 50 + 1% ЛП-6С;
- ПЦТ – 1- 50 + 5% ЛП-6С;
- ПЦТ – 1- 50+ 0,5% ЛП-6С в оболочке из ПЭГ-6000 + 10% МК;
- ПЦТ – 1- 50 + 1% ЛП-6С в оболочке из ПЭГ-6000 + 10% МК;
- ПЦТ – 1- 50 + 5% ЛП-6С в оболочке из ПЭГ-6000 + 10% МК.
Первоначально расход жидкости сквозь образованные каналы составлял 200 мл/мин. при давлении 0,3 МПа. С каждым часом давление нагнетания должно расти, а расход воды уменьшаться. В первых трех образцах в течении десяти часов не было зафиксировано снижение расхода прокачиваемой жидкости и повышение давления. Это связано с тем, что при добавлении чистого ЛП-6С в тампонажный раствор происходило набухание полимера до максимально возможного объема, в результате чего дальнейшая гидратация в цементном камне не происходила. Кроме того, полимер показал недостаточную адгезию к цементному камню, что приводило к его частичному вымыванию при нагнетании воды. Таким образом, эти составы тампонажного раствора показали отсутствие эффекта отложенной гидратации.
Образец четвертого состава аналогично предыдущими продемонстрировал отсутствие эффекта отложенной гидратации, но по причине низкой концентрации полимера.
Образцы пятого и шестого составов, показали положительный результат герметизации водопроводящих каналов. Результаты опытов представлены в таблице 1.
Результаты подтверждают эффект отложенной гидратации в течение первых двух часов. Затем отмечалось снижение расхода жидкости с одновременным ростом давления нагнетания. Вымыв полимера не наблюдался. Опыты проводились до достижения расхода жидкости менее 0,3 мл/мин. Пятый образец достиг требуемого расхода жидкости через 10 ч. с начала опыта, а шестой – через 4. На рисунке 3 представлен шестой образец до и после испытания. Можно наблюдать, что каналы в цементном камне затянулись.
На рисунках 4 и 5 представлены графические зависимости изменений расхода и давления нагнетания жидкости от продолжительности опытов для пятого и шестого образцов.
Введение в тампонажный раствор 5% водонабухающего полимера в оболочке из ПЭГ-6000 существенно сокращает время герметизации водопроводящих каналов, но добавка МК не позволила полностью компенсировать снижение прочности цементного камня. По результатам проведенных исследований удалось реализовать эффект отложенной гидратации водонабухающего полимера при его оптимальной концетрации от 1% до 5%.
Для анализа результатов эффекта отложенной гидратации выполнен расчет коэффициента проницаемости каналов в период проведения эксперимента с образцом состава 5 (табл. 2).
Таким образом, проницаемость цементного камня с «очень хорошо проницаемые» снизилась до «слабопроницаемые». Следовательно, добавка водонабухающего полимера марки ЛП-6С в оболочке из ПЭГ-6000 позволяет снизить проницаемость цементного камня в затрубном пространстве скважины.
Выводы
По результатам проведенных исследований был разработан новый состав тампонажного раствора с самовосстанавливающимися свойствами. Предлагаемый состав тампонажного раствора с добавлением 1% водонабухающего полимера марки ЛП-6С в оболочке из ПЭГ-6000 имеет оптимальные свойства и способен обеспечить максимальную герметичность затрубного пространства скважины при минимальных затратах на ликвидацию межколонных проявлений и перетоков.
Экспериментальные исследования показали, что модификация 1% ЛП-6С в оболочке из ПЭГ-6000 способна герметизировать водопроводящие каналы даже в минерализованной воде. В дополнении ко всему, такое количество добавки незначительно влияет на понижение плотности тампонажного раствора и его растекаемости. Полимер ЛП-6С влияет на снижение прочностных характеристик цементного камня, что частично компенсируется добавлением 10 % микрокремнезема.
Литература
1. Агзамов Ф. А., Маскенов А. С., Шантасов Н. Н. Исследование добавок для восстановления герметичности крепи скважины //Научно-технический журнал «проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов». – 2019. – №. 2. – С. 30-38.
2. Исмагилова Э. Р., Агзамов Ф. А., Джибрин А. А. Оптимизация дисперсности добавок в самозалечивающихся цементах //Георесурсы. – 2017. – Т. 19. – №. 2. – С. 129-134.
3. Liu M. et al. A new application of fluid loss agent in enhancing autogenous healing ability and improving mechanical properties of oil well cement //Cement and Concrete Composites. – 2022. – Т. 128. – С. 104419. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104419
4. Elaboration of a conceptual solution for the development of the Arctic shelf from seasonally flooded coastal areas / Litvinenko, V.S., Dvoynikov, M.V., Trushko, V.L. // International Journal of Mining Science and Technology, 2022, 32(1), Р. 113–119
5. Digital Economy as a Factor in the Technological Development of the Mineral Sector / Litvinenko, V.S. / Natural Resources Research, 2020, 29(3), Р. 1521–1541
6. Kulsum U., Sulistyaningsih T., Kusumastuti E. Immobilization of Bacillus subtilis on Fly Ash-Based Geopolymers with Biochar as a Self Healing Material //Indonesian Journal of Chemical Science. – 2024. – Т. 13. – №. 3.
7. Li L. et al. Insight into the temperature stimulation on the self-healing properties of cement-based materials //Construction and Building Materials. – 2022. – Т. 361. – С. 129704. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129704
8. Indhumathi S., Dinesh A., Pichumani M. Diverse perspectives on self healing ability of Engineered Cement Composite–All-inclusive insight // Construction and Building Materials. – 2022. – Т. 323. – С. 126473. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126473
9. Huang X. et al. High-strength amphoteric hydrogel that can realize self-repairing of cement microcracks triggered by CO2 gas //Reactive and Functional Polymers. – 2022. – Т. 179. – С. 105380. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2022.105380
10. Li, L.; Liu, T.; Jiang, G.; Fang, C.; Sun, J.; Zheng, S.; Liu, H.; Leusheva, E.; Morenov, V.; Nikolaev, N. Field Application of Microbial Self-Healing Cement Slurry in Chunguang 17-14 Well. Energies 2021, 14, 1544. https://doi.org/10.3390/en14061544
11. Yang D. et al. Self-healing cement composites based on bleaching earth immobilized bacteria //Journal of Cleaner Production. – 2022. – Т. 358. – С. 132045. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.132045
12. Wu M. et al. Synergistic effect of OH-rich fibers and mineral capsules on the self-healing properties of cement mortar //Cement and Concrete Composites. – 2023. – Т. 137. – С. 104913. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104913
13. Тиханова , О. А., Гагарин , А. Н., Токмачев , М. Г., Тробов , Х. Т., Ферапонтов , Н. Б. (2022). Кинетика набухания геля поливинилового спирта в растворах органических кислот и их солей. Сорбционные и хроматографические процессы, 21(6), 860-867. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3832
14. Erbakan M., Ozel B. F., Şahin Y. Bacterial species impact on self-healing of cement based materials in marine structures //Materials and Structures. – 2024. – Т. 57. – №. 8. – С. 189. https://doi.org/10.1080/21650373.2023.2263447
15. Šovljanski O. et al. Insights into self-healing capacity of cement matrix containing high-efficiency bacteria under challenging conditions //Journal of Building Engineering. – 2024. – Т. 98. – С. 111094. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.111094
16. Šovljanski O. et al. Bioaugmentation of Industrial Wastewater and Formation of Bacterial–CaCO3 Coupled System for Self-Healing Cement //Buildings. – 2024. – Т. 14. – №. 12. – С. 4011. https://doi.org/10.3390/buildings14124011
17. Gong P. et al. Study on the effect of CaCO3 whiskers on carbonized self-healing cracks of cement paste: Application in CCUS cementing //Construction and Building Materials. – 2022. – Т. 321. – С. 126368. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126368
18. Патент РФ. Самовосстанавливающийся тампонажный материал // Патент России № 2 821 870(13) С1. 2024. Бюл. № 18. / Блинов П.А., Никишин В.В., Салахов К.Н.
19. Дорошенко, И.А. Влияние сшивающих агентов на набухание поливинилового спирта в воде / И.А. Дорошенко, И.С. Алексеев // Вестник Витебского государственного технологического университета . – 2014. – № 27. – С. 136-140.
20. Ионов, Д.С. / Взаимодействие полиэтиленгликоля с продуктами гидратации цемента и его влияние на свойства бетона // Вісник ПДАБА, № 5, травень 2014, С. 33-40. https://cyberleninka.ru/article/n/vzaimodeystvie-polietilenglikolya-s-produktami-gidratatsii-tsement...
