Ученые из Пермского Политеха предложили новый метод борьбы с утечками нефти и газа в скважинах.
Ирина Медведева
Измельченный натуральный каучук, опудренный диоксидом кремния, автор В.В. Прохоров. Источник фото: пресс-служба ПНИПУ
Проблема и решение
Основная проблема заключается в том, что цементный камень, который используется для изоляции скважин, со временем трескается. Через эти трещины углеводороды проникают в соседние пласты или выходят наружу, что требует дорогого ремонта с остановкой работы и привлечением бригад.
Исследователи впервые в мире экспериментально доказали, что добавление натурального каучука в цемент позволяет решить эту задачу. При контакте с нефтью каучук набухает, превращается в гель и заполняет трещины, восстанавливая герметичность. Процесс занимает около часа, а сырье доступно и не требует сложного оборудования.
Почему появляются трещины? Внутри скважины проходит стальная труба, окруженная цементным раствором. Он фиксирует трубу и не дает нефти уходить в другие слои. Но застывший цемент хрупкий. Из-за изменений давления, разницы температур и вибраций оборудования в нем возникают микротрещины. Со временем они становятся сквозными, и нефть начинает мигрировать.
Чтобы это остановить, скважину закрывают и проводят ремонт, что обходится в миллиарды рублей ежегодно, не считая потерь от простоя и штрафов.
Один из авторов разработки, В.В.Прохоров. Источник фото: пресс-служба ПНИПУ
Особый состав: цемент плюс каучук
Ученые ПНИПУ разработали состав, в который добавили измельченный натуральный каучук. С водой каучук не взаимодействует, поэтому во время приготовления цементного раствора ничего не происходит. Он активируется только при контакте с нефтью или газом.
Как объясняет ассистент кафедры Виталий Прохоров, это связано с химическим родством каучука и углеводородов: их молекулы легко вступают в реакцию, вызывая набухание. Каучук заполняет трещину, образует гель и блокирует путь для утечки. Частицы каучука измельчают до размеров менее миллиметра и обрабатывают диоксидом кремния, чтобы они не слипались и равномерно смешивались с цементом.
Образец цементного камня после разрушения при поперечном изгибе, автор В.В. Прохоров. Источник фото: пресс-служба ПНИПУ
В эксперименте ученые приготовили два образца: обычный цемент и цемент с добавкой каучука (3,75% от массы). Через двое суток образцы разрушили, имитируя трещины, затем соединили части и поместили в керосин — безопасный аналог нефти. Через час каучук начал превращаться в гель, а через два часа трещина была полностью закрыта. Обычный цемент остался поврежденным.
По словам заведующего кафедрой Сергея Чернышова, добавка незначительно изменила свойства раствора: плотность снизилась на 6%, вязкость увеличилась. Прочность на изгиб уменьшилась, но осталась выше нормативных требований (3,3 МПа при минимуме 2,7 МПа). Более густая консистенция улучшает удержание жидкости и снижает фильтрацию.
Погружение в керосин (60 минут), автор В.В. Прохоров. Источник фото: пресс-служба ПНИПУ
Перспективы разработки
Натуральный каучук — дешевое и доступное сырье. Технология проста и может применяться как при строительстве новых скважин, так и при ремонте старых. Ожидается, что это сократит количество дорогих ремонтов, повысит качество крепления скважин и увеличит их срок службы, снизив аварийные риски. Разработка востребована в России и за рубежом. Ранее та же группа ученых создала состав, реагирующий на воду и защищающий скважины от обводнения. Новая технология действует иначе — она активируется при контакте с нефтью и газом.
Разработка пермских ученых открывает новые перспективы для нефтегазовой отрасли, где проблема герметизации скважин стоит особенно остро. В отличие от традиционных методов ремонта, которые требуют остановки добычи и применения сложного оборудования, предложенная технология использует естественные химические реакции. Каучук, будучи полимером природного происхождения, обладает высокой эластичностью и способностью к набуханию в углеводородной среде. Это делает его идеальным агентом для самовосстановления цементного камня. В условиях, когда микротрещины образуются постоянно из-за циклических нагрузок, такой подход позволяет существенно продлить межремонтный период и снизить эксплуатационные затраты.
Погружение в керосин (120 минут), автор В.В. Прохоров. Источник фото: пресс-служба ПНИПУ
Универсальность технологии
Особую ценность технологии придает ее универсальность. Она может быть интегрирована как в процесс цементирования новых скважин, так и в ремонтные составы для уже действующих объектов. В первом случае добавка каучука в цементный раствор происходит на этапе приготовления смеси, что не требует дополнительного оборудования на буровой. Во втором случае возможно использование составов с каучуком для закачки в проблемные зоны через существующие каналы. Такая гибкость позволяет адаптировать технологию под конкретные геолого-технические условия, будь то многолетнемерзлые породы Арктики или высокотемпературные горизонты Западной Сибири.
Экономический и экологический эффект
Экономический эффект от внедрения разработки может быть значительным. Согласно отраслевой статистике, ежегодные затраты на ремонт скважин из-за нарушения герметичности цементного кольца в России составляют десятки миллиардов рублей. Снижение частоты таких ремонтов даже на 20-30% позволит сэкономить миллиарды, не говоря уже о предотвращении экологических штрафов и ущерба репутации компаний. Кроме того, увеличение срока службы скважин сокращает потребность в бурении новых, что снижает нагрузку на окружающую среду и уменьшает углеродный след отрасли.
Экологический аспект также заслуживает внимания. Утечки нефти и газа не только наносят экономический ущерб, но и загрязняют почву, водоносные горизонты и атмосферу. В северных регионах, где экосистемы особенно уязвимы, аварии могут приводить к долгосрочным последствиям, восстановление от которых занимает десятилетия. Технология самозалечивания трещин с помощью каучука снижает риск таких катастроф, делая добычу более безопасной. Использование натурального, а не синтетического каучука дополнительно уменьшает экологический след производства самого материала.
Сечение образца цементного камня, автор В.В. Прохоров. Источник фото: пресс-служба ПНИПУ
Дальнейшие исследования
Результаты работы были представлены на конференции, посвященной разработке месторождений полезных ископаемых, и выполнены в рамках программы «Приоритет-2030». В истории уже были примеры катастроф из-за трещин в цементе. В 2010 году в Мексиканском заливе взрыв платформы привел к утечке миллионов баррелей нефти. Причиной назвали именно разрушение цементного кольца, которое должно было изолировать скважину. Эта проблема актуальна для нефтяников по всему миру, в том числе в России, особенно в северных регионах с перепадами температур и давления.
Дальнейшие исследования пермских ученых направлены на оптимизацию состава и изучение поведения модифицированного цемента в реальных скважинных условиях. Уже сейчас рассматривается возможность добавления других природных полимеров, а также комбинирования с ранее разработанными составами, реагирующими на воду. Это позволит создать многофункциональные цементные системы, способные самостоятельно ликвидировать различные типы утечек — как углеводородов, так и пластовой воды. В перспективе такие материалы могут стать стандартом в строительстве нефтяных и газовых скважин, значительно повысив их надежность и безопасность.
Журнал «Химагрегаты» всегда в курсе новых разработок ученых ПНИПУ. Так, недавно мы рассказывали о способе предотвратить разрушение легкого бетона. А ранее писали, что учёные из Пермского Политеха создали инновационные для отечественной практики материалы, призванные гарантировать надёжную защиту скважин от раннего обводнения.