Укрепление целостности мела с помощью обработки диаммонийфосфатом

Почему важно упрочнять меловую породу

Большая часть нефти и газа, добываемых в Северном море, поступает из мела — мягкой, тонкозернистой породы, которая по поведению напоминает утрамбованный порошок. При откачке жидкости мелкие частицы могут отрываться и перемещаться вместе с нефтью, закупоривая каналы, повреждая скважины и снижая эффективность добычи. В этом исследовании проверяют химическую обработку, призванную укрепить мел из реальных залежей Северного моря, с целью сокращения отделения частиц при сохранении проницаемости породы.

Соединение, превращающее мягкий мел в более прочный камень

Исследователи сосредоточились на соединении диаммонийфосфате, уже известном в консервации памятников и архитектуры как средство для укрепления хрупких камней. При контакте этого раствора с кальцитом — основным минералом мела — часть его может преобразовываться в гидроксиапатит, более твердую фазу, присутствующую в костях и зубах человека. Команда хотела выяснить, сработает ли эта реакция не только на образцах мела из выходов на поверхность в Техасе, но и глубоко в недрах на реальных кернах из датского сектора Северного моря, где давление и температура ближе к условиям добычи.

Испытания на реальных полевых образцах

Были изучены два набора мела: распространённые выходные образцы Austin Chalk из Техаса и четыре цилиндрических керна, взятых из действующего месторождения в Северном море. Каждый образец пропитывали концентрированным раствором диаммонийфосфата, помещали в стальной корпус и выдерживали при повышенной температуре и давлении в течение трёх дней, имитируя забойные условия. До и после обработки измеряли проницаемость, пористость и жёсткость породы с помощью безразрушающего импульсного молотка. Отдельно проводили эксперименты с небольшими крошками и порошками из тех же пород, чтобы отследить изменения минералогии и микроструктуры в ходе реакции.

Появление минеральных мостиков между зернами

Микроскопические и рентгеновские методы показали, что происходило внутри мела. До обработки зерна мела в основном представляли собой чистые частицы кальцита, соприкасающиеся в точках, с небольшим количеством природного цемента между ними. После обработки на поверхностях зерен и в промежутках между ними появились новые мелкие кристаллы розеточной формы. Их химический состав — кальций, фосфор и кислород — соответствовал гидроксиапатиту. Эти новые кристаллы действовали как мостики, связывая соседние зерна и превращая свободные контакты в прочные соединения. Эксперименты с порошком показали, что при тщательном размоле и полном воздействии раствора большая часть кальцита может превратиться в гидроксиапатит, что подтверждает возможность интенсивного протекания реакции при доступности поверхностей.

Прочнее, меньше пылеобразования, но снижается проницаемость

С механической точки зрения мел стал заметно жёстче после обработки. Выходные образцы примерно удвоили или утроили свою жёсткость, тогда как керны из резервуара продемонстрировали рост порядка 40–50 процентов. При этом объём пустот оставался почти неизменным, но способность жидкости проходить через породу уменьшилась: образцы с высокой проницаемостью теряли до 60 процентов пропускной способности, тогда как более плотные керны — около 30 процентов. Это указывает на то, что новые минеральные мостики частично сужают каналы между порами. С точки зрения добычи это компромисс: порода становится более устойчивой к разрушению и меньше склонна к выделению проблемных частиц, но одновременно снижается её проницаемость, что может уменьшить приток, если обработка не будет локализована.

Что это означает для будущей энергетики

Для неспециалиста основная мысль такова: авторы нашли способ «облакировать» мягкий мел изнутри — сделать его более долговечным, преобразовав часть минерального каркаса в более прочную форму. При правильном применении — особенно вблизи скважин, где наблюдаются обвалы мела и миграция тонких частиц — это может стабилизировать породу, защитить оборудование и поддерживать добычу. Однако тот же минеральный «клей», который предотвращает движение частиц, также сужает пути тока, поэтому обработку целесообразно применять точечно вокруг ствола скважины, а не по всему месторождению. Будущие исследования будут направлены на то, как раскрыть каналы перед обработкой, как контролировать места и количество образования новой фазы и как балансировать укрепление породы с необходимостью поддерживать эффективный поток нефти и воды через пласт.

Цитирование: Desouky, M., Aljawad, M., Amao, A. et al. Enhancing chalk formation integrity by diammonium phosphate treatment. Sci Rep 16, 9932 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39100-7

Ключевые слова: меловые залежи, укрепление пород, диаммонийфосфат, миграция тонкодисперсных частиц, гидроксиапатит