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. Разработка международной группы ученых может решить эту проблему.
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.
Пермские ученые с коллегами из Китая и Саудовской Аравии впервые в мире разработали «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.
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», — пояснил 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 об исследовании опубликована в международном журнале «Гели».
