Исследователи из Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) впервые в мире экспериментально доказали, что добавление натурального каучука в цементный раствор позволяет самопроизвольно устранять трещины при появлении нефти или газа.

Об этом сообщила пресс-служба вуза.

Результаты исследования опубликованы в материалах конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых». Работа велась в рамках программы Приоритет-2030.

Контекст

Образование трещин в цементном камне остается одной из ключевых проблем при эксплуатации нефтяных скважин. Из-за них углеводороды могут уходить в соседние пласты или прорываться на поверхность. Ликвидация таких дефектов требует дорогостоящего капитального ремонта скважины (КРС) с длительной остановкой и привлечением бригады специалистов - ремонтников.

Авария на морской нефтяной платформе Deepwater Horizon в Мексиканском заливе, которая случилась 20 апреля 2010 года привела к одной из крупнейших техногенных катастроф. Нефть из поврежденной скважины поступала в океан почти 5 месяцев, в воды залива попало более 760 млн литров нефти. Лишь в ноябре 2011 года Береговая охрана США сообщила о завершении основных работ ЛАРН. Позднее специалисты назвали главной причиной аварии трещину в цементном кольце, которое должно было надежно изолировать скважину от окружающей среды.

Нарушение герметичности цементного камня фиксируется и на многих российских месторождениях. Особенно остро проблема проявляется в северных регионах, где перепады температур и давления накладывают на конструкцию повышенные нагрузки.

Цемент затвердевает в хрупкий материал. При подъеме нефти давление нестабильно, температура у поверхности и на глубине различается на десятки градусов, а вибрации от оборудования создают дополнительные напряжения. Все это ведет к постепенному разрушению камня. Сперва дефекты незаметны, но после образования сквозных путей нефть начинает мигрировать по трещинам, а не по обсадной трубе.

По данным университета, только на ремонт газовых скважин ежегодно тратятся миллиарды рублей, к которым прибавляются убытки от простоя и экологические штрафы.

Каучуковая технология

Решение, предложенное пермскими учеными, заключается во введении в цемент измельченного натурального каучука. При контакте с водой добавка не увеличивается в объеме, зато при взаимодействии с нефтью или газом она набухает и превращается в густой гель, плотно заполняющий трещину.

Как пояснил ассистент кафедры «Нефтегазовые технологии» В. Прохоров, каучук не реагирует на техническую воду, которая используется при приготовлении цементного раствора, и остается в смеси неизменным. Активация происходит только при соприкосновении с углеводородами благодаря химическому родству молекул каучука и нефти, что вызывает рост объема материала и перекрывает путь утечке.

Чтобы получить добавку, каучук измельчают до частиц размером менее 1 мм. Для предотвращения слипания их обрабатывают диоксидом кремния - порошком, часто применяемым против комкования в пищевой и фармацевтической отраслях. В результате вещество сохраняет сыпучесть и равномерно распределяется в цементе.

В ходе эксперимента исследователи приготовили два состава: стандартный цемент и цемент с 3,75% каучука от массы. Из каждого изготовили образцы-балочки. Через двое суток их разрушили, имитируя появление трещины, затем части соединили и погрузили в керосин - продукт переработки нефти. Использование керосина в лабораторных условиях безопаснее, а реакция добавки с ним проходит так же, как и с нефтью.

Через час после погружения началось гелеобразование. Еще через час трещина в образце с каучуком полностью закрылась. Стандартный цемент остался треснутым.

Заведующий кафедрой «Нефтегазовые технологии», доктор технических наук С. Чернышов отметил, что добавка незначительно изменила технологические свойства раствора. Плотность уменьшилась на 6%, показатели вязкости выросли. Прочность на изгиб на вторые сутки снизилась, но осталась выше регламентного порога - 3,3 МПа при требуемых 2,7 МПа. Густая консистенция положительно скажется на качестве цементирования: раствор лучше удерживает жидкость и снижает фильтрацию. При взаимодействии керосина с добавкой в цементном камне в течение 60 мин запускается процесс гелеобразования, способствующий самозалечиванию трещин.

Натуральный каучук относится к доступному и недорогому сырью. Технология его введения в цемент не предполагает сложного оборудования или длительной подготовки. Решение можно использовать как на этапе строительства новых скважин, так и при ремонте действующих. Ожидается, что разработка сократит число дорогостоящих ремонтов, повысит качество крепления и продлит срок службы скважин, уменьшив аварийные риски. Проблема межколонных давлений актуальна для нефтяной отрасли во всем мире, поэтому технология может найти применение и за рубежом.

Натуральный каучук является эластомером растительного происхождения, который добывают преимущественно из млечного сока гевеи. Он обладает способностью избирательно набухать в углеводородных средах, сохраняя стабильность при контакте с водой.

Сколько нужно каучука для использования технологии в промышленных масштабах?

Пермяки использовали 3,75% каучука от массы цементного камня скважины. Для скважины диаметром Dс=215,9 мм (8 дюймов), высотой столба раствора 1 км и нормальной плотности тампонажного раствора - 1800 кг/м³ потребуется около 18 т цементного камня, из которого около 0,7 т - это каучук.

Капитальный ремонт 1 скважины может составлять до 40% стоимости эксплуатационного бурения, и для наклонно-направленной скважины глубиной около 3 км может составлять до 20 млн рублей. Для шельфа арктической Зоны РФ стоимость КРС вообще может достигать 40 млн долл США.

Стоимость каучука на мировом рынке в 2026 году колеблется около 2500 долл США/т (около 184 тыс руб/т по текущему валютному курсу). Овчинка стоит выделки.

По прогнозам 2025 года мировое производство натурального каучука должно было составить 14,9 млн тонн, а спрос ожидался на уровне 15,6 млн тонн. Прогноз производства натурального каучука на 2026 год - 15,324 млн тонн. Однако несколько десятков тысяч тонн каучука для цементирования скважин не слишком изменять ситуацию на мировом рынке, хотя нехватка каучука останется.

Ранее группа ученых Пермского Политеха создала состав, защищающий скважины от воды. Он реагирует на воду и залечивает трещины, через которые происходит обводнение продукции. Новая разработка действует иначе и нацелена на взаимодействие с нефтью и газом.

Автор: А. Шевченко