Инновационные применения и технологический прогресс носителей диатомита в технологии цементирования нефтяных месторождений

Анализ характеристик диатомитового носителя и его совместимости с технологией цементирования

Диатомитовые носители, как природные нанопористые кремнистые материалы, играют всё более важную роль в цементировании современных нефтяных месторождений. Образованный из древних ископаемых отложений диатомовых водорослей, этот специализированный носитель, состоящий преимущественно из аморфного кремнезёма (85–94% SiO₂), обладает уникальным сочетанием физико-химических свойств: высокой пористостью (60–90%), большой площадью поверхности (20–70 м²/г), низкой плотностью (0,15–0,5 г/см³) и превосходной химической инертностью. Эти свойства делают диатомитовые носители идеальной функциональной добавкой и носителем, повышающим эксплуатационные характеристики тампонажных растворов.

В цементных проектах носители на основе диатомита действуют по трём основным механизмам: во-первых, выступая в качестве микро- и наноразмерной армирующей фазы, они улучшают механические свойства цементного теста; во-вторых, благодаря своей многоуровневой пористой структуре они регулируют водоотдачу и реологические свойства цементного теста; и, в-третьих, благодаря своим поверхностным активным центрам они удерживают и медленно высвобождают цементные добавки. Исследования показали, что системы цементных растворов, содержащие носители на основе диатомита, могут повысить прочность цементного теста на сжатие на 20–40%, сохраняя при этом отличную устойчивость к образованию газовых каналов.

Применение диатомитового носителя в системе цементного раствора

• Диатомитовый носитель в системе цементного раствора низкой плотности

Диатомитовые носители обладают значительными преимуществами в качестве низкоплотных материалов, снижающих вязкость, при цементировании низконапорных и негерметичных пластов. По сравнению с традиционными плавучими гранулами или бентонитом, диатомитовые носители обладают более сбалансированными характеристиками: широким диапазоном регулирования плотности (0,8–1,4 г/см³), отсутствием влияния на стабильность цементного раствора и улучшенными механическими свойствами цементного теста. Экспериментальные данные показывают, что низкоплотные цементные растворы, содержащие 15–25% диатомита, достигают прочности на сжатие в течение 24 часов 14–18 МПа, что значительно превышает стандарты API.

Применение диатомитового носителя в пеноцементных системах оказалось особенно успешным. Благодаря специальной обработке поверхности диатомитовый носитель способен стабилизировать структуру пены и повысить устойчивость пеноцемента. После использования на одном из нефтяных месторождений пеноцементного раствора, содержащего диатомитовый носитель, для цементирования качество герметизации цементного кольца увеличилось с 75% до 92%, что значительно снизило частоту последующих ремонтов скважин.

• Диатомитовый носитель в системе цементного раствора для предотвращения образования газовых каналов

При цементировании газовых скважин высокого давления диатомитовые носители выполняют следующие основные функции: абсорбируют пластовые флюиды через пористые структуры, снижая риск образования газовых каналов; улучшают седиментационную устойчивость цементного раствора; и повышают плотность цементного теста. Диатомитовые носители с оптимизированным размером пор (0,1–1 мкм) способны формировать идеальную микроструктуру и значительно улучшают противогазовые свойства цементного раствора.

Исследования показали, что газопроницаемость разработанной системы тампонажного раствора, препятствующего газообразованию, на основе диатомитового носителя может быть снижена до уровня менее 0,01 мД, а коэффициент газопроницаемости (SPN) составляет <3, что полностью соответствует требованиям цементирования газовых скважин высокого давления. При цементировании скважин сланцевого газа диатомитовый носитель не только играет роль в предотвращении газопроявления, но и его активные кремниевые компоненты способны реагировать с продуктами гидратации цемента, увеличивая долгосрочный темп роста прочности цементного камня на сжатие на 15-25%.

• Диатомитовый носитель в системе высокотемпературного цементного раствора для глубоких скважин

Диатомитовые носители демонстрируют уникальную ценность при высокотемпературном цементировании глубоких скважин. Регулируя минеральный состав и процесс термообработки диатомитовых носителей, можно разрабатывать высокотемпературные стабилизаторы с термостойкостью более 200 °C. Испытания показывают, что специально обработанные диатомитовые носители способны эффективно препятствовать снижению прочности цемента при высоких температурах, увеличивая сохранение прочности цементного камня через 28 суток при 150 °C с 60% до более чем 85%.

При применении замедлителей схватывания многоуровневая пористая структура диатомитовых носителей позволяет добиться точного высвобождения добавок, что соответствует требованиям к герметизации протяженных участков глубоких скважин. После применения системы замедлителей схватывания на основе диатомита в сверхглубоких скважинах время загустевания цементного раствора можно регулировать в диапазоне 150–400 минут, а время перехода – в пределах 15 минут, что обеспечивает качественную герметизацию участков скважин глубиной более 5000 м.

Технологические инновации и оптимизация производительности носителей диатомита

•Технология модификации поверхности

Для улучшения эксплуатационных характеристик диатомитового носителя при цементировании в отрасли был разработан ряд технологий модификации поверхности:

1. Обработка силановым связующим агентом: силановые связующие агенты, такие как KH-560, используются для улучшения сцепления между диатомитовым носителем и цементной матрицей. Прочность интерфейса обработанного композитного материала увеличивается более чем на 50%.

2. Наномодификация: регулирование поверхностной активности и структуры пор носителей диатомита путем поверхностного осаждения наночастиц SiO₂ или CaCO₃;

3. Органо-неорганическая гибридизация: использование полимерных мономеров для полимеризации in situ на поверхности носителя из диатомита для достижения функциональной модификации.

•Технология структурного контроля

Оптимизация микроструктуры носителей диатомита физико-химическими методами:

Обработка кислотной активацией: использование соляной кислоты для удаления примесей и увеличения удельной площади поверхности и содержания активного кремния;

Технология классификации: мокрая классификация используется для получения гранулометрического состава, подходящего для системы цементного раствора (степень вяжущего обычно составляет 5-50 мкм);

Проектирование структуры пор: оптимизация распределения размеров пор и свойств поверхности путем контроля температуры прокалки (500–800 ℃).

• Технология композитной арматуры

Соединение диатомитового носителя с другими функциональными материалами:

Композит с наноматериалами: такие как композиционные материалы на основе наноглины/диатомита, синергетически улучшающие эксплуатационные характеристики цементного раствора;

Композит с волокном: например, носитель из диатомита, армированный углеродным волокном, для повышения прочности цементного теста;

Содержит эластичные материалы: такие как резиновые частицы, модифицированный носитель на основе диатомита, для повышения ударопрочности цементной оболочки.

Эксплуатационные испытания показывают, что оптимизированный диатомитовый носитель способен повысить прочность цементного теста на сжатие на 30–50% и снизить модуль упругости на 20–35%, обеспечивая идеальные механические свойства: «прочный, но не хрупкий». Например, проницаемость цементной системы с модифицированным диатомитовым носителем в условиях, имитирующих скважинные, может быть снижена до уровня менее 0,05 мД, что полностью соответствует требованиям герметичности.

Примеры применения и оценка эффекта

•Случай цементирования морских нефтяных месторождений

На морском нефтяном месторождении были достигнуты замечательные результаты после использования системы цементного раствора низкой плотности на основе диатомита:

- Плотность цементного раствора стабильно поддерживается на уровне 1,30 г/см³, а скорость утечки снижается на 90%;

- Прочность цементного теста на сжатие 7 дней достигает 21 МПа, что значительно превышает проектное требование в 16 МПа;

- Качество цементирования увеличилось с 68% до 89%;

- Частота последующих операций по ремонту скважин сократилась на 60%, что позволило сэкономить около 2 млн юаней на скважину.

• Дело о цементировании скважин сланцевого газа

При цементировании горизонтальных скважин сланцевого газа хорошо себя проявляет тампонажный раствор на основе диатомита, препятствующий образованию газовых каналов:

- Коэффициент газопроницаемости (значение SPN) <2,5, что лучше отраслевого стандарта 3,0;

- Качество изоляции цементной оболочки высокое – 92%;

- На 70% снижена частота возникновения перетоков за пределы трубы после проведения ГРП;

- Добыча при испытании отдельных скважин увеличилась на 15–20%.

•Случай цементирования сверхглубоких скважин

В сверхглубокой скважине глубиной 8000 м используется высокотемпературная цементная система на основе диатомита:

- Цементный раствор имеет хорошую стабильность при высокой температуре 180℃ без седиментации и расслоения;

- Время загустевания точно контролируется и составляет 360±15 мин;

- Скорость снижения прочности цементного теста при высоких температурах <10%;

- Успешно завершена самая глубокая операция по цементированию в Китае.

Данные сравнения производительности

По сравнению с традиционными цементирующими добавками продукты на основе диатомита демонстрируют хорошие результаты по нескольким показателям:

| Индекс эффективности | Система-носитель на основе диатомита | Традиционная система добавок |

| Прочность цементного теста на сжатие | Высокая (увеличивается на 20-40%) | Сильно варьируется в зависимости от типа |

| Противогазовая способность | Отличная (SPN<3) | Средняя (SPN 3-5) |

| Стабильность седиментации | Отличная (жидкость без API <5 мл) | Средняя (жидкость без API 5–15 мл) |

| Высокая температурная стабильность | Отличная (сохранение прочности при 200℃ >85%) | Средняя (сохранение прочности при 150℃ 60%) |

| Общая стоимость | От средней до высокой | Сильно различается в зависимости от типа |

Тенденции и проблемы развития отрасли

• Тенденции развития технологий

1. Интеллектуальное применение: разработать интеллектуальную систему цемента-носителя на основе диатомита, реагирующую на условия пласта;

2. Наномодификация: изучение применения нанодиатомитового носителя в цементе со сверхнизкой проницаемостью;

3. Многофункциональная интеграция: придание носителю диатомита дополнительных функций, таких как ингибирование коррозии и самовосстановление;

4. Экологичность и безопасность для окружающей среды: оптимизация технологии переработки носителя диатомита для снижения потребления энергии и выбросов углерода.

• Перспективы развития рынка

Ожидается, что мировой рынок цементных растворов для нефтяных месторождений к 2025 году достигнет 15 млрд долларов США с годовым темпом роста около 4,5%. Благодаря своим эксплуатационным преимуществам, диатомитовые носители, как ожидается, увеличат свою долю на рынке цементных добавок с текущих 12% до 20-25%. В частности, существует большой потенциал роста в следующих областях:

- Глубоководное цементирование;

- Цементирование скважин сланцевой нефти и газа;

- Цементирование скважин при высоких температурах и давлениях;

- Цементирование скважин для хранения СО2.

• Технические проблемы, с которыми пришлось столкнуться

1. Контроль качества: обеспечение стабильности характеристик партии носителя на основе диатомита;

2. Механизм действия: Глубокое понимание механизма взаимодействия носителя диатомита и цемента;

3. Система стандартов: установить стандарты оценки для вяжущих продуктов на основе диатомита;

4. Оптимизация затрат: снижение затрат на модификацию при сохранении производительности.

По мере продвижения разведки и разработки нефти и газа в более глубокие и сложные пласты значение диатомитовых носителей в проектах цементирования будет продолжать расти. Ожидается, что благодаря инновационным материалам, исследованию механизмов и инженерному опыту диатомитовые носители станут основным компонентом нового поколения высокоэффективных цементных материалов, обеспечивая ключевую техническую поддержку для управления целостностью нефтяных и газовых скважин на протяжении всего их жизненного цикла. Ожидается, что в ближайшие пять лет рыночный спрос на диатомитовые носители для цементирования будет расти в среднем на 6-8% в год, а технологический прогресс будет способствовать повышению их ценности при цементировании в нетрадиционных и экстремальных условиях.