Увеличение прочности на сжатие песчаника с высоким содержанием глины путем химической консолидции песка с минимальным снижением проницаемости

Почему важно удерживать песок на месте

Глубоко под землей значительная часть мировой нефти и газа хранится в породах, которые скорее похожи на рыхлый пляжный песок, чем на сплошной камень. Когда компании выкачивают эти жидкости на поверхность, зерна песка могут отрываться и подниматься по скважине вместе с потоками. Этот «вынос песка» изнашивает трубы, засоряет оборудование и может даже разрушить скважину. Исследование, изложенное здесь, изучает способ «склеить» эти зерна внутри породы с помощью специальных смол, при этом сохранив возможность течения нефти и газа — тонкий баланс, который может снизить затраты, повысить безопасность и сократить отходы на многих месторождениях по всему миру.

Проблема слабых пород, богатых глиной

Многие нефтегазовые пласты представлены мягким песчаником, в котором естественные контакты между зернами слишком слабы, чтобы выдерживать эксплуатационные нагрузки. По мере падения давления в пласте и увеличения потока жидкости зерна могут отрываться и двигаться к скважине, повреждая всё на своем пути. Распространенное решение — установка металлических фильтров или гравийных фильтров для механической фильтрации песка, но они дорогостоящи, сложны в установке и фактически не укрепляют саму породу. Более элегантный вариант — химическая консолидция песка: закачка жидкости в породу, которая затем отвердевает и служит «клеем» между зернами. Однако в песчаниках с высоким содержанием глины — микроскопических пластинчатых минералов — этот подход становится значительно сложнее. Глина может разбухать, перекрывать поровые пространства, «поглощать» ключевые компоненты смолы и покрывать зерна песка так, что клей плохо сцепляется.

Испытание пяти «клеев в породе» в реалистичных условиях

Исследователи поставили задачу выяснить, какие типы смол надежно укрепляют песчаник с содержанием глины 15%, аналогичный сложному реальному пласту на нефтяном месторождении Ахваз в Иране. Оценивали пять коммерческих систем: фурановую, эпоксидную, меламин-формальдегидную, мочевино-формальдегидную и винилэфирную. Сначала материалы отбирали в лаборатории при атмосферном давлении, подбирая состав смолы, отвердителя и растворителя так, чтобы каждая система могла затвердеть, оставаясь достаточно текучей для закачки. Затем переходили к более реалистичной «динамической» установке: цилиндрические керны насыщали реальной пластовой рассолой и нефтью, промывали и закачивали растворы смол при потоке. Образцы выдерживали при 90 °C и 120 бар — типичных условиях пласта — чтобы смола отвердела, после чего измеряли прирост прочности породы и сохранную способность пропускать жидкости.

Поиск наилучшего компромисса между прочностью и потокопроницаемостью

Работа опиралась на два простых показателя. Первый — прочность на сжатие, давление, которое керн может выдержать до разрушения, — должно быть достаточно высоким, чтобы зерна не разрывались. Второй — «восстановленная проницаемость», процент от первоначальной способности породы пропускать жидкости, который остается после обработки. Как правило, более высокая прочность достигается ценой снижения проницаемости, потому что больше «клея» в порах означает меньше пространства для движения нефти и газа. В этом исследовании выделились фуран и эпоксид. Оптимизированные фурановые формулы повышали прочность породы примерно до 1668 psi при сохранении около 79% первоначальной проницаемости. Эпоксид обеспечивал сопоставимую прочность (примерно 1579 psi), но сильнее снижал проницаемость — до примерно 62%. Другие три смолы либо не укрепляли породу в достаточной мере, либо слишком ухудшали пропускную способность, особенно в присутствии глины.

Как смолы взаимодействуют с песком и глиной

Чтобы понять, почему одни смолы работали лучше других, команда использовала методы визуализации, более знакомые из медицины и материаловедения, чем из нефтяной промышленности. Высокопроизводительные электронные микроскопы показали, как отвердевшая смола покрывает зерна и заполняет промежутки между ними, а КТ-сканирование дало трехмерные изображения обработанных кернов. Фуран, как правило, формировал мостики в точках контакта между зернами, оставляя многие проходы между ними открытыми, что объясняет его удачный баланс прочности и проницаемости. Эпоксид, напротив, образовывал более плотную и непрерывную сеть, охватывающую как песок, так и частицы глины. Это создавало более прочный «цемент», но также заполняло больше каналов, по которым перемещаются жидкости. Водная смола меламин-формальдегид слабо сцеплялась с глинистыми зернами, оставляя породу относительно слабой, несмотря на то, что она меньше закупоривала поры.

Что это значит для будущей добычи нефти

Для неспециалиста главный вывод таков: не все подземные «клеи» одинаковы, особенно когда дело касается глин. В этом тщательно контролируемом сравнении фурановая смола оказалась лучшей для удержания зерен песка вместе при сохранении большей части потока нефти или газа. Эпоксид подходит там, где требуется максимальная механическая стабильность и допустима некоторая потеря проницаемости. Работа предоставляет инженерам проверенную, механистическую основу для выбора и формулирования смол в сложных глинистых условиях вместо опоры на метод проб и ошибок. При внедрении в полевых условиях эти выводы могут продлить срок службы скважин, сократить дорогостоящие отказы оборудования и сделать извлечение существующих запасов более эффективным и надежным.

Цитирование: Banashooshtari, H., Khamehchi, E. & Rashidi, F. Increasing the compressive strength of a high clay content sandstone reservoir by chemical sand consolidation with minimal permeability reduction. Sci Rep 16, 6489 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36880-w

Ключевые слова: вынос песка, химическая консолидция песка, песчаник, богатый глиной, фурановые и эпоксидные смолы, месторождения нефти и газа