Дикарев А.А., Кузнецов В.Г.
АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ МИГРАЦИИ ГАЗА ПРИ ЦЕМЕНТИРОВАНИИ СКВАЖИН *
Аннотация:
в статье рассматриваются ключевые этапы формирования цементного камня в процессе цементирования нефтяных и газовых скважин, во время которых возможна миграция газа в затрубное пространство. Выявлены основные механизмы и факторы, способствующие возникновению этого явления. Приведены методы лабораторного моделирования процессов миграции, а также описаны технологические решения, предотвращающие образование газопроницаемых каналов в цементном камне.
Ключевые слова:
цементирование, миграция газа, затрубное пространство, фильтрация, цементный камень
Миграция газа в процессе цементирования нефтяных и газовых скважин остаётся одной из актуальных проблем, существенно влияющих на надёжность изоляции продуктивных пластов. Газовая миграция — это проникновение флюидов, преимущественно газа, в затрубное пространство и далее вверх по заколонному пространству во время или после цементирования. Такое явление способно привести к формированию каналов в цементном камне, через которые происходит переток флюидов. Это, в свою очередь, может вызвать обводнение продуктивных интервалов, потерю нефти и газа, а также представляет потенциальную угрозу окружающей среде.Причинами возникновения газовой миграции являются несоответствие свойств тампонажного раствора фактическим условиям скважины, некачественное выполнение цементирования, а также особенности геологического строения продуктивного пласта. Актуальность исследования данного явления определяется необходимостью обеспечения герметичности затрубного пространства и повышения надёжности эксплуатации скважин.Формирование цементного камня в затрубном пространстве скважины проходит в несколько стадий: гидратация, структурообразование и твердение. Каждая из них имеет свои особенности, которые влияют на вероятность миграции газа.1. Стадия гидратации характеризуется взаимодействием цементного клинкера с водой, в результате чего образуется насыщенный раствор с новообразованиями. На этом этапе цементный раствор сохраняет высокое гидростатическое давление, равномерно передаваемое на пласт. За счёт этого давление в затрубном пространстве превышает пластовое, что исключает вероятность миграции газа в скважину.2. Стадия структурообразования и схватывании наступает спустя определённое время после закачки раствора. В этот момент происходит укрупнение кристаллических структур, между частицами формируются прочные связи. Однако одновременно начинают действовать негативные факторы — фильтрация жидкости, усадка, снижение давления в столбе цементного раствора. Если давление в затрубном пространстве опускается ниже пластового, возникает градиент, способствующий проникновению газа. Недостаточная прочность структуры на этом этапе делает цемент уязвимым к миграции.3. Стадия твердения — заключительный этап, на котором формируется прочный, нерастворимый цементный камень. На данной стадии вероятность миграции газа минимальна, так как цемент приобретает достаточную прочность и плотность. Однако, если ранее в материале возникли каналы или трещины, они сохраняются и могут служить путём для дальнейшего перетока газа.Миграция газа может происходить как вдоль контактов между цементом и обсадной колонной или стенкой скважины, так и через сам цементный камень. Основные механизмы:- образование микроканалов в процессе фильтрации и усадки,- неполное заполнение кольцевого пространства,- нарушения при закачке цементного раствора,- недостаточная рецептура цементной смеси, не обеспечивающая устойчивость к фильтрации и пластовому давлению,- температурные и механические напряжения.Лабораторное моделирование и методы исследования.Для воспроизведения процессов миграции газа в контролируемых условиях используется специальное лабораторное оборудование. В частности, стенды для оценки миграции газа позволяют смоделировать воздействие пластового и гидростатического давления на цементный раствор в процессе его перехода в камень.Цементный раствор подвергается кондиционированию при определённой температуре и давлении, после чего проводится испытание на газовую проницаемость. Контролируются такие параметры, как давление, температура, объём выделенного фильтрата и объём проникшего газа. Момент начала миграции фиксируется по резкому увеличению объёма газа на фоне стабилизации других параметров.Три типа цементных растворов:Таблица 1. Составы цементных растворов.Испытания проводились при температуре 80°C и давлении 20МПа. Через 3, 6 и 9 часов после замеса фиксировался объём газа, прошедшего через образец при перепаде давления в 0.7МПа.Результаты эксперимента по газовой проницаемости:Таблица 2. Результаты лабораторного тестирования:Рисунок 1. Зависимость объёма газа от времени для различных цементных систем.Полученные данные подтверждают эффективность применения добавок, особенно латексных, в повышении герметизирующих свойств цементного камня. Различия не столь резкие, но устойчиво подтверждают тенденцию.Способы предотвращения миграции газа Для повышения устойчивости цементного камня к газовой миграции применяются различные технические и технологические приёмы:Модификация цементных систем — добавление в состав раствора специальных реагентов, снижающих фильтрацию, ускоряющих схватывание или обеспечивающих блокировку каналов. Наиболее эффективны латексные добавки, полимеры на основе акриловой кислоты, сульфированные сополимеры.Контроль параметров закачки — обеспечение равномерного заполнения затрубного пространства, оптимизация скорости закачки, поддержание необходимого противодавления.Использование вспомогательных конструкций — установка цементных мостов, заколонных пакеров в опасных интервалах.Повторное цементирование и изоляционные работы — при выявлении негерметичности после окончания цементирования.Модифицированные цементные системы демонстрируют лучшие результаты в испытаниях. В ходе лабораторного тестирования смеси с латексными добавками не показали признаков миграции даже при снижении давления ниже пластового. Это указывает на повышенную устойчивость структуры цементного камня к воздействию газа в критические моменты.Исследование процессов миграции газа при цементировании скважин показывает, что наибольшую опасность представляет промежуток между стадиями схватывания и твердения цемента. Именно в этот момент цементная структура ещё недостаточно прочна, а давление может быть уже недостаточным для предотвращения проникновения газа.На основании проведённого анализа можно сделать следующие выводы:- Основными причинами миграции являются снижение гидростатического давления, высокая фильтрация и медленное нарастание прочности цементного камня,- Эффективным методом предупреждения миграции является применение модифицированных цементных систем с добавками, стабилизирующими структуру и снижающими фильтрацию,Таким образом, надёжность цементирования обсадных колонн напрямую зависит от корректного подбора состава раствора, контроля технологии закачки и своевременной оценки устойчивости к газовой миграции. Работа в этом направлении способствует улучшению качества строительства скважин и предотвращению экологических и производственных рисков.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 3
Ссылка для цитирования:
Дикарев А.А., Кузнецов В.Г. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ МИГРАЦИИ ГАЗА ПРИ ЦЕМЕНТИРОВАНИИ СКВАЖИН // Вестник науки №5 (86) том 3. С. 1865 - 1872. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23220 (дата обращения: 17.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+