Ключевые слова: цементирование скважин, тампонажный раствор, скважина, буферная жидкость, реологический буфер, цементная смесь, дизайны смесей, прочность на сжатие, время загустевания, минеральная добавка, качество цементирования, герметичность МКП.
В процессе строительства и эксплуатации нагнетательных и добывающих скважин ключевым фактором долговечности и безопасности является качественное цементирование обсадных колонн. Стандартные технологии часто сталкиваются с вызовами, такими как:
-
Температурная деградация цементного камня, ведущая к потере прочности.
-
Недостаточное сцепление (адгезия) цемента с колонной и породой.
-
Нарушение целостности цементного камня под механическими и термоциклическими нагрузками.
-
Риск негерметичности межколонного пространства (МКП).
В рамках поиска решений была инициирована разработка новых материалов на основе широко исследуемого в мировой практике сырья – продуктов переработки топливно-энергетического комплекса [1]. На первом этапе исследований в качестве перспективного компонента рассматривалась летучая зола [2]. Лабораторные испытания подтвердили принципиальную возможность ее применения для улучшения свойств тампонажных и буферных систем [2, 3].
Однако для достижения стабильных и воспроизводимых характеристик требовался следующий шаг – переход от сырья к готовому продукту. На основе анализа и модификации исходного материала были созданы специализированные составы:
-
Система EcoCem представляет собой оптимизированную тампонажную систему, обогащенную комплексной минеральной добавкой (КМД). Данная добавка, полученная в результате дополнительного обогащения и калибровки оксидного состава (Si, Al, Fe, Ca, Mg), обеспечивает стабильность системы при высоких температурах и значительное повышение механических свойств получаемого камня, включая прочность и адгезию.
-
Система EcoSpacer – реологическая буферная жидкость на основе комплексной минеральной добавки, обеспечивающая эффективное вытеснение бурового раствора и реологическую совместимость с тампонажными системами.
Механизм действия добавки КМД
Цементный камень c добавкой КМД обладает улучшенными физико-механическими свойствами. Данные характеристики обусловлены составом КМД – это наличие химических элементов Si, Al, Fe, Ca, Mg. Влияние каждого из них уникально и во многом определяет, каким получится цементный камень. Основные механизмы влияния данных элементов на свойства цементного камня представлены в табл. 1. Можем видеть, что влияние КМД на прочностные характеристики цементного камня обусловлено как увеличением прочности за счет Si, Al, Fe, так и расширением/безусадочности за счет Ca, Mg [4, 5]. Важно отметить тот факт, что цементный камень, модифицированный КМД, обладает высокой коррозионной и морозостойкостью с низким тепловыделением. Коррозионная стойкость вызвана связыванием портландита и уплотнением структуры, цементный камень становится более устойчивым к выщелачиванию и сульфатной агрессии. Морозостойкость определяется уплотнением структуры и снижением проницаемости. Снижение экзотермии при гидратации критически важно для предотвращения развития температурных микротрещин и растепления вечномерзлых пород.
Использование КМД в качестве модифицирующей добавки для утяжеленного реологического буфера увеличивает смывающую способность корки бурового раствора благодаря его абразивным свойствам [3]. В результате чего улучшается адгезия цемента и, соответственно, качество цементирования.
ТАБЛИЦА 1. Механизм действия химических элементов КМД на свойства цементного камня
Подготовка и проведение работ
С мая 2024 по январь 2025 года в ООО «БурСервис» успешно проведены ОПР с применением реологической буферной системы EcoSpacer и тампонажной системы EcoCem при цементировании эксплуатационных колонн Ø178мм для трех типовых скважин. Цель данных ОПР – улучшение качества цементирования и предотвращение возможных НМКП.
Разработаны соответствующие дизайны тампонажных систем EcoCem с плотностью 1,45 г/см3 и 1,89 г/см3 и буферной системы EcoSpacer плотностью 1,32 г/см3.
В процессе подготовки к проведению работ использовались системы марок EcoCem-10, EcoCem-20 и EcoCem-30. Выбор данных рецептур обусловлен их технологической эффективностью: цементный камень обладает достаточной прочностью на одноосное сжатие (табл. 2), а также фиксируется кольцевое расширение образцов цементного камня в течение 48 часов выдержки в скважинных условиях (табл. 3).
ТАБЛИЦА 2. Прочность на одноосное сжатие в зависимости от марки EcoCem
ТАБЛИЦА 3. Кольцевое расширение образцов в зависимости от времени выдержки
Дизайны технологических жидкостей подобраны таким образом, чтобы соблюдались плотностная и реологическая иерархии на всех ожидаемых расходах закачки (рис. 1). Лабораторные исследования прочности цементного камня затаренных смесей методом УЗА показали, что прочность на сжатие за 24 часа составляет 6,08 МПа (882 PSI) для EcoCem плотностью 1,45 г/см3 и 21,51 МПа (3121 PSI) для EcoCem плотностью 1,89 г/см3 (рис. 2).
РИСУНОК 1. Реологическая иерархия технологических жидкостей для всех режимов закачки
РИСУНОК 2. Графики набора прочности цементного камня затаренной тампонажной системы EcoCem плотностью: А – 1,45 г/см3; Б – 1,89 г/см3
Согласно результатам гидродинамического трехмерного моделирования замещения после окончания процесса цементирования на устье скважины прогнозируется зона смешения реологической буферной системы EcoSpacer и тампонажной системы EcoCem плотностью 1,45 г/см3 в пропорции (EcoSpacer 10,7 %, EcoCem 1,45 г/см3 89,3 %). На рис. 3 приведены графики набора прочности цементного камня в соответствии с данной зоной смешения.
РИСУНОК 3. Графики набора прочности цементного камня в приустьевой зоне: А – зона смешения EcoSpacer 1,32 г/см3 и EcoCem 1,45 г/см3; Б – зона смешения реологической буферной жидкости TergoVis 1,32 г/см3 и ОЦР 1,45 г/см3 (до ОПР)
Цементный камень зоны смешения EcoSpacer 1,32 г/см3 и EcoCem 1,45 г/см3 набирает большую прочность 4,84 МПа (703 PSI), чем зона смешения стандартной реологической буферной жидкости TergoVis 1,32 г/см3 и ОЦР 1,45 г/см3 (до ОПР) – 3,29 МПа (478 PSI). Данный факт подтверждает позитивное влияние КМД на прочностные характеристики цементного камня зон смешения.
На рис. 4 представлены расположения технологических жидкостей после окончания процесса цементирования для трех эксплуатационных скважин.
РИСУНОК 4. Расположение технологических жидкостей после окончания процесса цементирования
Работы проводились по схеме одноступенчатого цементирования с использованием сертифицированного оборудования. Особое внимание уделялось соблюдению регламентов смешивания и закачки инновационных составов. Последовательность закачки: химический буфер → EcoSpacer 1,32 г/см3 → EcoCem 1,45 г/см3 → EcoCem 1,89 г/см3 → резинополимерная тампонажная система плотностью 1,89 г/см3 → продавочная жидкость. Все работы выполнены в штатном режиме, отклонения от утвержденных программ на цементирование не зафиксированы, все объемы откачаны согласно таблице закачки, плотности закачанных технологических жидкостей выдержаны.
Результаты и оценка эффективности
Ключевые параметры для оценки результатов ОПР по применению систем EcoSpacer и EcoCem при цементировании эксплуатационных колонн Ø178мм являются:
-
опрессовка МКП 245х178мм;
-
результаты АКЦ.
Согласно данным по АКЦ (рис. 5 и табл. 4) качество цементирования «хорошее», общий коэффициент качества составил от 0,892 до 0,973. Результаты опрессовки МКП 245х178мм – герметично.
Важно отметить тот факт, что высокое качество цементирования обусловлено в первую очередь высокой адгезией цементного камня и его способностью к расширению в период отвердевания.
РИСУНОК 5. Результаты АКЦ для ОПР по системам EcoSpacer и EcoCem
ТАБЛИЦА 4. Качество цементирования
Заключение и выводы
Технологический эффект
Достигнуто качественное решение ключевых проблем цементирования. Комплексное применение систем EcoCem и EcoSpacer обеспечило синергетический эффект, выраженный в высоких для проекта показателях качества крепления.
Опытно-промышленные испытания комплексного решения на основе систем EcoCem и EcoSpacer доказали их высокую технологическую эффективность, надежность и соответствие принципам устойчивого развития.
Экологический эффект
Было применено ~30 тонн специализированных минеральных добавок, производство которых основано на переработке промышленных вторичных ресурсов. Это позволило предотвратить размещение эквивалентного объема отходов на отвалах и сократить углеродный след за счет замещения части портландцемента, производство которого является энергоемким и сопряжено со значительными выбросами CO₂.
Достигнутые результаты
-
Решение ключевых проблем: успешно решены задачи обеспечения высокой адгезии и герметичности МКП.
-
Штатное проведение работ: цементирование выполнено в одну ступень по стандартной технологии без осложнений.
-
Значительное улучшение качества: данные АКЦ свидетельствуют о высоком качестве крепления по сравнению со средними отраслевыми показателями.
Перспективы внедрения
На основе успешных ОПИ системы EcoCem и EcoSpacer рекомендованы к тиражированию на объектах ООО «БурСервис». Перспективным направлением является адаптация дизайнов данных систем для цементирования кондукторов, технических колонн, а также для скважин с более высокими термобарическими параметрами.
Литература
1. Климов Д.С., Розман М.С. Перспективы эффективного применения летучей угольной золы в технологических процессах нефтегазодобычи // SOCAR Proceedings. – 2023. – № 2. – С. 143–157. – DOI:10/5510/OGP2023SI200905.
2. Шубин В.В., Морозова А.В. «Зеленое» цементирование, или перспективы крепления скважин цементными растворами на основе летучей золы // Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. – 2024. – № 2 (140). – С. 55–61.
3. Шубин В.В., Морозова А.В. Зеленое цементирование или опыт применения буферных жидкостей с использованием отходов электрогенерирующих предприятий // Инженер нефтяник. – 2024. – № S5. – С. 108–112.
4. Маркова И.Ю., Строкова В.В., Степаненко М.А., Сивальнева М.Н. Анализ процессов структурообразования цементного камня в присутствии добавок из отходов ТЭС различного состава // Строительные материалы. – 2025. – № 9. – С. 68–78. – DOI:10.31659/0585-430X-2025-839-9-68-78/
5. Ильина Л.В., Бердов Г.И., Черных Т.Н. Влияние оксида и гидроксида алюминия на свойства цементного теста и камня // Эксперт: теория и практика. – 2023. – № 4. – С. 62–67.
