Буровой раствор — это то, без чего невозможно пробурить ни одну скважину. Он не только охлаждает оборудование, но и не дает стенкам обрушиться, предотвращая аварии. Проблема в том, что значительная часть раствора уходит через трещины в горной породе и теряется в пласте. Однако ни одна из существующих сегодня технологий не позволяет устранить все зоны утечки. В итоге из-за простоев и недополучения объемов нефти или газа компании ежегодно теряют сотни миллионов рублей. Ученые ПНИПУ совместно с исследователями из Китая и Саудовской Аравии впервые в мире создали гель, который ликвидирует утечки раствора прямо в процессе бурения. Он в 1,5 раза прочнее аналогов, при этом перекрывает до 90 % трещин, а значит, позволит компаниям значительно сократить свои убытки.
Чтобы построить нефтяную или газовую скважину и добраться до углеводородного пласта, инженеры должны сначала пробурить тысячи метров горных пород с помощью специального оборудования и бурового раствора. Эта жидкая химическая смесь выполняет сразу несколько важных функций: она охлаждает раскаленное долото, смазывает механизмы и, самое главное, создает давление на стенки скважины, не давая им обрушиться.
Проблема в том, что горная порода не однородна и в ней встречаются зоны с большим количеством трещин и пустот. Через них при бурении раствор уходит глубоко в землю, а не остается в скважине. В некоторых пластах его потери могут достигать более 10 % от объема закачки, а это тысячи кубометров дорогостоящей жидкости.
В итоге нефтегазовые компании постоянно несут убытки не только из-за перерасхода реагентов, но и из-за простоев. Инженеры каждый раз останавливают технику для ликвидации утечки, а значит, теряют объемы нефти или газа. Ежегодные убытки компаний при этом могут достигать сотен миллионов рублей на одном месторождении.
Для борьбы с утечками используются специальные материалы — цементные растворы или полимерные гели. Однако эти составы застывают либо слишком рано, мешая работе бурового инструмента, либо поздно, так и не перекрыв трещину. В итоге бурение регулярно приходится останавливать, а компании снова несут убытки.
Ученые Пермского Политеха совместно с исследователями из Китая и Саудовской Аравии впервые в мире создали «умный» гель, который позволяет бурить скважины без остановок. Он превращается в сверхпрочный полимер именно в тот момент, когда достигает зоны утечки. В сравнении с аналогами он в 1,5 раза прочнее и перекрывает до 90 % трещин, а значит, до минимума сокращает простои техники и позволяет компаниям экономить сотни миллионов рублей.
Главный компонент геля — вещество на основе алюминия, которое способно превращать жидкость в прочный полимер. Чтобы защитить его от агрессивной среды, ученые соединили его с оксидом цинка. Этот порошок играет роль защитной оболочки: он не дает компоненту вступить в преждевременную реакцию, пока температура вокруг низкая. Это значит, что как только гель попадает в глубокие горячие пласты, связи между оксидом цинка и алюминием постепенно разрушаются, и активное вещество высвобождается и превращается в прочный гель. Так, под воздействием нагрева состав превращается в прочный гель ровно там, где надо, позволяя устранить утечки без прекращения добычи.
Чтобы проверить, насколько эффективно работает новое решение, мы провели серию экспериментов. Для этого использовали стеклянные трубки, заполненные кварцевым песком, который имитирует трещиноватую породу. Сначала через образцы пропускали воду, измеряя их проницаемость, затем закачивали гель и оставляли его при разных температурах — от 30 до 90 градусов Цельсия, что соответствует условиям глубоких скважин, — рассказал Сергей Чернышов, заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии» ПНИПУ,доктор технических наук.
Результаты показали, что гель сохранял текучесть более двух часов — этого времени достаточно, чтобы безопасно доставить его к месту утечки без риска закупорить насосное оборудование. Полное затвердевание происходило примерно через три часа.
В ходе экспериментов гель обеспечил эффективность перекрытия свыше 90 %. Он также выдерживает напор жидкости в 1,5 раза лучше аналогов, то есть прочнее изолирует трещину и не пропускает раствор даже под сильным давлением. При этом по температурной стойкости новый гель работает до 120 °C, тогда как большинство существующих решений разрушаются уже при 80-90 °C. Благодаря таким свойствам его можно применять в более глубоких и горячих скважинах, — поясняет Хуаджи Лиу, доктор наук, профессор школы нефтегазового инжиниринга Китайского Нефтяного Университета г. Циндао.
Созданный материал не только прочнее аналогов, но и дешевле в производстве благодаря использованию доступного оксида цинка вместо дорогостоящих микрокапсул или синтетических добавок, которые часто берут за основу в полимерных гелях. Кроме того, он безопасен для окружающей среды, так как не содержит токсичных соединений и не требует утилизации.
Использование такого геля позволит эффективно закупоривать трещины и пустоты прямо в процессе бурения. Это сократит постоянные убытки компаний от перерасхода дорогостоящего раствора и простоев оборудования — экономия для компаний в таком случае может составить сотни миллионов рублей в год. При этом разработка снизит риски серьезных аварий от обрушения стенок скважин или поломок техники, что сделает добычу нефти и газа более безопасной и выгодной.
Статья опубликована в международном журнале «Гели».
Фото: ПНИПУ. На обложке: изображение, полученное с помощью криогенной сканирующей электронной микроскопии (а) структура крупнопористой сетки (b) структура среднепористой сетки (c) структура плотной мелкопористой сетки (d) общая конфигурация.
Источник: Минобрнауки России
