Ключевые слова: цементный камень, агрессивные флюиды, коррозионная стойкость, блокирующие реагенты, прочность цементного камня, газопроницаемость.
Развитие нефтегазовой промышленности связано с постоянной необходимостью бурения и эксплуатации скважин в условиях все более сложных геологических и технологических факторов. В таких условиях существенно возрастает риск межпластовых перетоков, проникновения агрессивных флюидов и преждевременного разрушения цементного кольца, что ставит под угрозу герметичность обсадных колонн и безопасность эксплуатации объектов. Традиционно для крепления скважин используется портландцемент (ПЦТ), который обладает рядом преимуществ, однако в ходе длительной эксплуатации выявлены его уязвимости: под действием пластовых, в том числе высокоминерализованных или агрессивных жидкостей, цементный камень постепенно теряет прочностные характеристики, его газо- и водопроницаемость увеличиваются, образуются каналы и трещины, что приводит к потере контроля над продуктивными пластами и аварийным ситуациям [1].
Основная причина снижения долговечности цементного камня в таких условиях заключается в его внутренней пористости и развитой капиллярной структуре, по которой агрессивные компоненты могут беспрепятственно инфильтроваться сквозь цементное кольцо. Для традиционного ПЦТ характерна относительно высокая проницаемость, а после завершения гидратации и в процессе усадки часто появляются микротрещины; кроме того, такой материал недостаточно устойчив к воздействию сульфатных, кислотных и щелочных сред. Это приводит к постепенному разрушению структуры гидратационных продуктов, развитию коррозионных процессов и деструкции изоляционных поясов, что способствует возникновению межпластовых перетоков и снижает эффективность эксплуатации месторождений.
Актуальной задачей современного скважинного строительства становится модификация цементных растворов с целью повышения их эксплуатационных свойств и долговечности. Наиболее перспективным направлением в этом контексте является внедрение в состав воды затворения цементных растворов полимерных блокирующих реагентов. Подобные блокирующие составы способны эффективно снижать проницаемость цементного камня, улучшать его структурную целостность и повышать устойчивость к воздействию агрессивных сред. Если традиционные минеральные и химические добавки не всегда обеспечивают требуемый уровень защиты при высоких давлениях, температурах и в присутствии агрессивных флюидов, то использование полимерных реагентов позволяет принципиально по-новому укрепить барьерные свойства цементного камня. Вводимые в воду затворения органические и синтетические полимеры активно участвуют в формировании внутренней структуры материала: они заполняют микропоры, совершенствуют гидратационные процессы и формируют водонепроницаемую полимерную сетку внутри камня, существенно повышая его устойчивость как к механическим, так и к химическим воздействиям.
Таким образом, исследование эффективности внедрения блокирующих полимерных реагентов в цементные растворы, а также изучение влияния этих добавок на структурные, физико-механические и барьерные характеристики цементного камня является важным и перспективным направлением, способствующим повышению надежности изоляции скважин в нефтегазовой отрасли.
Принцип действия блокирующих составов для ликвидации зон поглощения
Блокирующие составы действуют на основе комплекса полимерных реагентов, которые инициируют структурообразование непосредственно после контакта с растворами, насыщенными водой. Проникая в пористые или трещиноватые зоны, такие составы образуют гель посредством физико-химического взаимодействия между компонентами раствора и породой, значительно снижая фильтрацию цементного раствора, усиливая его водонепроницаемость и препятствуя миграции пластовых флюидов. Формирующаяся при этом полимерная матрица отличается высокой плотностью и эластичностью, что позволяет заполнять даже микротрещины, повышая структурную целостность цементного камня. Немаловажно, что активное гелеобразование происходит в широком диапазоне температур и давлений, а сами реагенты устойчивы к воздействию минерализованных, соленых и кислых пластовых вод. Благодаря высокой технологической гибкости и совместимости с иными химическими добавками блокирующие составы способны эффективно работать в скважинах с различными геолого-промысловыми условиями, обеспечивая надежную и долговременную изоляцию.
Возможность применения совместно с цементными растворами
Одно из преимуществ полимерных блокирующих составов – возможность применения в комплексе с классическими цементными растворами. Блокирующий состав может использоваться как самостоятельное изолирующее средство перед основным цементированием (этап предварительного «пломбирования» проблемных зон) либо совместно с цементным или тампонажным раствором как добавка для повышения его герметизирующей и блокирующей способности.
В первом случае состав закачивается до цементного раствора и блокирует зону поглощения, после чего производится основное цементирование без риска ухода разжиженного раствора в продуктивный горизонт. Во втором случае добавление состава непосредственно в воду затворения цементного раствора или само введение в состав цементной смеси позволяет повысить стабильность цементного камня в агрессивных и минерализованных условиях. При этом сохраняется достаточная подвижность цементного раствора, а формирующееся цементное кольцо приобретает дополнительные гидроизоляционные и прочностные свойства.
Такие полимеры отлично работают в составе стандартных портландцементов, облегченных и тампонажных составов, а также не вступают в химический конфликт с другими функциональными добавками – пластификаторами, замедлителями, ускорителями. Это позволяет одновременно достигать нескольких технологических целей: снижать фильтрацию, повышать водонепроницаемость, усиливать структурную целостность цементного камня.
Дополнительным преимуществом является возможность применения в широком диапазоне температур и давлений, а также в скважинах с агрессивными флюидами (соленые, минерализованные, кислые воды). Полимерные блок-системы позволяют повысить оценочную долговечность цемента, уменьшить вероятность разрушения кольматирующих поясов и, что особенно важно, повысить надежность изоляции даже при наличии трещиноватых или неоднородных пород.
Методы исследования тампонажных растворов и цементных камней
Для изучения воздействия блокирующих реагентов на основе синтетических полимеров на прочность и стойкость цементного камня в данной работе были проведены комплексные лабораторные испытания, а также морфологические и физико-химические исследования образцов цементных камней, приготовленных с различными составами воды затворения.
В качестве основного вяжущего использовался портландцемент (ПЦТ-IG-CC), в контролируемых сериях – с использованием воды затворения стандартного состава, в экспериментальных сериях – с добавлением блокирующих полимерных реагентов определенной концентрации. Все образцы подвергались одинаковым технологическим режимам затворения, формовки, твердения при заданных температурно-влажностных условиях.
Оценка физико-механических характеристик проводилась по набору стандартных методов: определение пористости, плотности, прочности на сжатие, измерение газопроницаемости, водоотдачи. Для изучения изменений структуры цементного камня применялись методы сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), а также химические методы изучения продуктов гидратации и остаточного содержания реагентов.
Критерием практической пригодности модифицированных цементных камней являлись показатели газопроницаемости, а также долговечности под воздействием моделированных агрессивных сред – сульфатных растворов.
Были проведены лабораторные исследования по определению плотности как тампонажных, так и блокирующих составов (использовались пикнометрический метод и рычажные весы под давлением), оценке реологических свойств (в том числе эффективной вязкости, статического и динамического напряжения сдвига с использованием ротационного вискозиметра), а также параметров растекаемости и консистенции раствора [2].
Анализ стабильности полученных составов проводили методом выдерживания в термостате при пластовой температуре в течение трех суток с визуальным контролем осадкообразования, фазовых переходов и изменения цвета. Для изучения устойчивости материала и его склонности к смешиванию с агрессивными средами пробы контактировали с пластовой водой, нефтью, а также растворами хлоридов натрия и кальция; результаты оценивались после 24 и 72 часов термостатирования.
Использовался метод количественного поэлементного анализа состава цементного камня до и после воздействия агрессивных сред (с применением электронного микроскопа JEOL), что позволило проследить миграцию ионов и изменение фазового состава (например, появление эттрингита и гипса) [3].
В лабораторных условиях моделировалась трещиноватая структура пласта с помощью высокотемпературного фильтр-пресса, что дало возможность оценить блокирующие свойства составов в искусственных трещинах шириной 1–2 мм. Оценка газопроницаемости проводилась при различных уровнях давления до и после воздействия на образцы агрессивной среды (сероводорода) на протяжении 2 и 30 суток.
Обсуждение результатов исследования
Результаты лабораторных исследований однозначно свидетельствуют о значительном повышении эксплуатационных характеристик цементного камня при введении блокирующих реагентов на полимерной основе в состав воды затворения. Анализ микроструктуры показывает уменьшение среднего размера пор, снижение количества открытых и капиллярных каналов благодаря формированию полимерной фазы внутри объема камня, что создает эффективный барьер для миграции агрессивных флюидов и газов [4, 5].
Введение модифицирующих добавок привело к увеличению прочности на сжатие на 15–25 % по сравнению с контрольными образцами, приготовленными на обычной воде затворения, а также к существенному снижению газопроницаемости за счет уменьшения пористости – при этом отмечается снижение коэффициентов проницаемости в 3–10 раз по сравнению с немодифицированным цементом [6]. Это напрямую указывает на возросшие барьерные свойства и потенциальное увеличение срока службы цементного камня в условиях воздействия агрессивных сред.
Характерной особенностью полимермодифицированного цемента является его высокая устойчивость к долговременному контакту с растворами высокой концентрации сульфатов, кислот, а также к циклическим изменениям температуры и давления. Массовые потери цементного камня в этих условиях не превышают 1–2 %, в то время как для обычных составов уже на ранних стадиях фиксировались существенные разрушения структуры. Микроскопический анализ показал формирование более плотного и однородного микрорельефа с выраженным уменьшением количества микротрещин и пор, а фазовый анализ выявил появление новых прочных соединений – гидросиликатных и гидроалюминатных фаз, которые образуются вследствие взаимодействия полимерного реагента с продуктами гидратации цемента. Это объясняет не только повышение общей стойкости материала к химической и газовой коррозии, но и дополнительную герметизацию межпорового пространства, блокирующую каналы миграции агрессивных флюидов.
Эксперименты также показали, что использование комплексных химических добавок привело к существенному снижению фильтрации тампонажного раствора, улучшению тиксотропных свойств, а также к дополнительному повышению прочности на сжатие и изгиб. Испытания на устойчивость к сероводороду подтвердили, что модифицированные растворы характеризуются меньшей водоотдачей, более низкой проницаемостью и стабильными механическими характеристиками при длительном контакте с агрессивными средами.
В сравнении с существующими аналогами, применение современных полимерных реагентов и оптимизированных составов позволяет существенно повысить эксплуатационную надежность цементирования скважин, а также обеспечить более длительную герметизацию изоляционного экрана, что особенно важно в сложных и истощенных месторождениях, а также при разработке в экстремальных климатических и пластовых условиях. При этом выявлена необходимость дальнейших исследований, направленных на адаптацию технологии к различным типам агрессивных флюидов, а также в условиях расширенного диапазона температур и давлений, с учетом специфики конкретных скважин и месторождений.
В целом внедрение комплексных модифицированных тампонажных составов и соответствующих технологических решений способно значительно увеличить срок эффективной службы цементного камня, повысить его герметизирующие свойства и надежно снизить риск возникновения межпластовых перетоков и аварийных ситуаций – что является определяющим фактором для долгосрочной и безопасной эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Выводы
Проведенное исследование доказало, что применение блокирующих составов и реагентов на полимерной основе в составе воды затворения для цементных растворов обеспечивает многократное улучшение эксплуатационных свойств цементного камня. Это проявляется в резком снижении газо- и водопроницаемости, увеличении прочности на сжатие и существенном повышении долговечности материала при контакте с агрессивными пластовыми флюидами. Полимермодифицированный цемент препятствует образованию заколонных перетоков и эффективно изолирует продуктивные пласты друг от друга, сохраняя механическую целостность и герметичность цементного кольца в ходе всего срока службы скважины.
Таким образом, блокирующие составы эффективны как самостоятельные реагенты для первичной изоляции, так и в составе цементных смесей для повышения эффективности цементации в сложных геолого-технических условиях. Их совместное применение позволяет повысить герметичность, прочность и долговечность крепи скважины, минимизировать риски проявлений, аварийных ситуаций и перетоков между пластами.
Таким образом, классический портландцемент, применяемый без специальных модифицирующих добавок, не способен обеспечить надежное крепление скважин в условиях высокоминерализованных, коррозионно-активных или иных агрессивных сред. Использование блокирующих полимерных реагентов в воде затворения цементного раствора является перспективным направлением в технологии цементирования скважин и гарантирует повышение эффективности и безопасности изоляционных работ на всех этапах эксплуатации нефтегазовых скважин.
Литература
1. Агзамов, Ф.А. Химия тампонажных и промывочных растворов: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 131000 «Нефтегазовое дело» / Ф.А. Агзамов, Б.С. Измухамбетов, Э.Ф. Токунова. – Санкт-Петербург: Издательство «Недра», 2011. – 266 с. – ISBN 978-5-905153-11-2. – EDN QMZDWL.
2. Двойников, М.В. Обоснование выбора методики расчета реологических параметров тампонажного раствора для крепления скважин / М.В. Двойников, В.И. Никитин, А.И. Коптева // Инженер-нефтяник. – 2024. – № S5. – С. 54–61. – EDN QBQPFH.
3. Живаева В.В. Создание модифицированного отечественного реагента для повышения коррозионной стойкости цементной оболочки / В.В. Живаева, Д.Р. Камаев // Бурение и нефть. – 2023. – № S1. – С. 57–59. – EDN CCRHEV.
4. Камаев Д.Р. Методика определения параметров тампонажного материала, подвергнутого влиянию агрессивного агента / Д.Р. Камаев // Актуальные проблемы недропользования: тезисы докладов XVIII Международного форума-конкурса студентов и молодых ученых, Санкт-Петербург, 15–21 мая 2022 года. Том 1. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский горный университет, 2022. – С. 134–136. – EDN HIOSPJ.
5. Камаев, Д.Р. Планирование методики определения параметров тампонажного материала и свойств скважинных жидкостей для оценки времени сохранения эксплуатационных свойств камня за обсадной колонной / Д.Р. Камаев, В.В. Живаева // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2022. – № 11 (359). – С. 54–56. – DOI 10.33285/0130-3872-2022-11(359)-54-56. – EDN RJDPNP.
6. Kamaev, D.R. Study of the effect of corrosive-active agents on the plugging materialdestruction processes / D.R. Kamaev, V.V. Zhivaeva // Topical Issues of Rational Use of Natural Resources: XVII International Forum-Contest of Students and Young Researchers. Scientific conference abstracts, St Petersburg, 31 мая – 06 2021 года. Vol. 1. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский горный университет, 2021. – P. 62–64. – EDN WJOJMP.
