Существенным отличием нефти баженовской свиты от традиционных углеводородов является ее нахождение в керогенсодержащей породе, что крайне ограничивает ее подвижность и извлекаемость. Остаток органического вещества – керогена в среднем составляет 23,3 % от объема породы. (рис. 1).
Данная особенность таких залежей позволяет отнести ее по способу извлечения ТРИЗ к высоковязким или малоподвижным нефтям, поскольку для извлечения запасов требуется пиролиз керогена с образованием высоковязких нефтей и последующим снижением конечной вязкости нефтепродуктов.
Традиционно для извлечения высоковязкой нефти используют третичные методы увеличения нефтеотдачи, к которым относятся, помимо остальных, тепловые методы добычи.
Одним из перспективных тепловых методов извлечения углеводородов из керогенов является метод термогазового воздействия на пласт, принцип которого основан на инициировании в пласте самопроизвольных окислительных процессов пиролиза и крекинга керогена. В результате проведения ТГВ крепь скважины подвергается значительным термическим нагрузкам до 300–350 °С.
Для надежной изоляции затрубного пространства при применении тепловых методов повышения нефтеотдачи необходимо использование специальных термостойких тампонажных цементов, способных противостоять термической коррозии при тепловом воздействии.
Геофизические исследования по оценке качества цементирования и технического состояния обсадной колонны, проведенные с применением акустического скважинного телевизора на преломленных волнах (АСТП) на ряде скважин до и после термического воздействия, показали резкое снижение контакта цементного камня с обсадной колонной – следствие термической коррозии (рис. 2) [1].
Снижение качества крепления скважин под воздействием высоких температур обусловлено термической коррозией цементного камня при температуре выше 100 °С [2, 3].
Характерные разрушения цементного камня, приводящие к снижению качества крепления под воздействием высоких температур, наблюдаются и при проведении лабораторных испытаний. На рис. 3 представлена фотография образца цементного камня на основе бездобавочного цемента ПЦТ I-G после воздействия высокой температуры, на котором отчетливо видны признаки термокоррозии [4].
Межфазные переходы могут быть описаны по следующей схеме реакции:
С3S + H2O → C3S2H3 → C2SH8 → C2SH(H) → C6S6H →C5S6H (1)
Наибольшей склонностью к термоперекристаллизации обладают цементы, соотношение продуктов твердения в которых CaO/SiO2 = C/S > 1,2.
Примером таких продуктов может быть C3S2H3 (3CaO·2SiO2·3H2O), с соотношением С/S=1,4.
С/S= 3 х (40+16) / 2 х (28+2х16) = 3х56 / 2х60 = 168 / 120 = 1,4.
Наиболее устойчивы низкоосновные соединения, в которых отношение С/S ≈ 1.
Происходящие разрушения в цементном камне обусловлены изменением внутренних объемов фаз и возникновением структурных напряжений при межфазных переходах термодинамически неустойчивых высокоосновных гидросиликатов кальция. Поэтому для сохранения целостности структуры необходимо снизить количество межфазных переходов и добиться равномерного образования низкоосновных гидросиликатов кальция (тоберморитов и ксонотлитов).
Традиционно для снижения соотношения С/S и основности продуктов твердения цементов применяется добавление в состав тампонажного материала кремнийсодержащих сыпучих компонентов, шлаков, зол или мелкодисперсного кварца [5, 6].
Однако, добавление большого количества сухих наполнителей, повышающих термостойкость камня, значительно улучшает реологические свойства растворов и приводит к усадке при твердении по причине большой концентрации твердых малоактивных компонентов в исходной смеси, что негативно влияет на качество тампонажных растворов и изоляционные характеристики камня на их основе.
Добиться снижения побочных фаз в образовании низкоосновных продуктов твердения возможно за счет протекания реакции гидратации с одной скоростью по всему объему реакционной смеси путем правильного подбора фракционного состава сухой смеси и создания «плотнейшей упаковки» в тампонажном растворе и твердеющем камне.
Для формирования «плотнейшей упаковки» систем с непрерывным зерновым составом, таких как цементные и бетонные смеси, применяется метод, основанный на построении оптимальных гранулометрических кривых через функцию распределения, в качестве которой используется функция распределения Фуллера, описываемая уравнением [7]:
где Ai – размер частиц в процентах (тонкость помола фракции), проходящих через сито размером di, мм; dmax – наибольший размер зерна в смеси, мм; n – коэффициент распределения, равный 0,5.
На рис. 4 показан фракционный состав смеси, полученной при оптимизации фракционного состава базового термостойкого тампонажного материала с применением метода Фуллера.
Применение метода «плотнейшей упаковки» позволяет максимально заполнить пустоты между более крупными соприкасающимися частицами разных фракций с менее крупными частицами и вытеснить избыток воды, тем самым обеспечивая равномерное распределение всех исходных компонентов по всему объему. При этом соприкасающиеся частицы начинают скользить по поверхности друг друга подобно шарикам в подшипнике, а вода играет роль компонента, смазывающего твердые частицы. Образующийся эффект способствует снижению трения между твердыми частицами за счет перераспределения силы трения-скольжения в силу трения-качения, снижая реологические характеристики раствора, а также позволяя сократить число межфазных переходов продуктов твердения и обеспечить малостадийное протекание процесса образования термодинамически устойчивых соединений [8–10].
Принципиальная схема осуществления фазовых переходов, полученных с применением оптимизации фракционного состава тампонажной смеси, описывается следующей схемой:
Данный метод позволяет существенно повысить изоляционные и прочностные характеристики цементного камня, снизить реологические характеристики и повысить седиментационную устойчивость цементного раствора.
Установлено, что чем ближе фракционный состав тампонажной смеси к эталонному, тем выше тампонажно-технологические свойства исследуемых растворов и сформированного из них камня.
С применением указанного способа была проведена оптимизация фракционного состава смеси для термостойких материалов, применяемых при реализации ТГВ [4].
На рис. 5 представлены рентгенограмма образца ТТМ, разработанного с применением оптимизации фракционного состава смеси после одного и 10 циклов воздействия температуры 300 °С.
Установлено, что при циклическом воздействии температуры на продукты твердения (рис. 5), фазовый состав камня, в основном представлен низкоосновными гидросиликатами кальция вида ксонотлита, который практически постоянен, отмечаются лишь незначительные изменения в содержании.
Можно предполагать, что, преимущественно, фазовые переходы осуществлены в процессе первого цикла термического воздействия. При последующих воздействиях изменение физико-механических свойств сформированного камня также малозаметно, обусловлено лишь ростом кристаллов, т.е. структура камня является термостабильной.
Таким образом, применение метода «плотнейшей упаковки» способствует получению седиментационно устойчивых тампонажных растворов с высокой их подвижностью при минимальном водосодержании, значительно превосходящих по свойствам тампонажные материалы с неоптимизированным фракционным составом при тех же значениях плотности. Их применение позволяет снизить гидродинамические нагрузки на стенки ствола скважины, уменьшая риск поглощений при цементировании, и обеспечивает герметичность крепи скважин. Промысловые испытания на объектах с термогазовым воздействием на пласт подтверждают результаты лабораторных исследований – в скважинах обеспечена герметичность крепи после циклического воздействия высоких температур.
