Исследование механизма закупорки в трещиноватых породах и системы промывочной жидкости для предотвращения утечек во время бурения

Почему утечки при бурении важны для всех

Когда инженеры бурят глубоко в Землю в поисках нефти и газа, жидкость, которая охлаждает и стабилизирует скважину, может внезапно исчезнуть в скрытых трещинах в породе. Эта «потерянная» жидкость приводит к ненужным расходам, замедляет работу и может вызвать опасные ситуации, такие как обрушение скважины или выброс. В представленном исследовании рассматриваются причины таких утечек в трещиноватой породе и то, как более продуманный состав промывочной жидкости способен быстрее закупоривать трещины, выдерживать большее давление и сокращать потери.

Трещиноватые породы и протекающие скважины

В изученном месторождении большинство утечек происходит на глубине примерно от 1200 до 1800 метров, где породы пронизаны естественными трещинами. Эти трещины обычно имеют ширину в несколько сотен микрометров, примерно равную толщине нескольких человеческих волос. Когда жидкость под высоким давлением движется по стволу скважины, она может уходить в эти отверстия вместо того, чтобы оставаться в стволе, где она нужна. Поскольку трещины могут расширяться по мере проникновения жидкости и порода уже ослаблена, даже временные герметизации склонны к разрушению, что заставляет бригады повторять ремонтные операции и увеличивает общее время бурения.

Как твердые частицы формируют пробку

Чтобы остановить утечки, бурильщики вводят в жидкость твердые частицы, которые могут перекрывать трещины и образовывать барьер. Исследователи показывают, что для прочного уплотнения важны две вещи: насколько размеры частиц соответствуют ширине трещины и насколько прочно частицы сцепляются друг с другом и с породой. Крупные зерна, сопоставимые по размеру с отверстием трещины, действуют как первичный мост. Мелкие зерна затем заполняют промежутки между ними, снижая проницаемость барьера. Если смесь содержит непрерывный диапазон размеров — от грубых фракций до тонкого порошка — получаемый слой становится плотнее и более устойчивым к потоку, что сокращает и время, необходимое для закупорки, и объем потерянной жидкости.

От сыпучих зерен к твердому барьеру

Сначала частицы, унесённые потоком, быстро проходят через трещину и лишь кратко сталкиваются, формируя хрупкую и неплотную структуру. По мере накопления материала движение замедляется и зерна начинают зацепляться друг за друга, но сеть по-прежнему может разрушиться при перепадах давления в скважине. Финальная, стабильная стадия достигается, когда частицы образуют плотно упакованный каркас, а силы между зернами и стенками трещины достаточно сильны, чтобы противостоять сдвигам и сжатию. В исследовании отмечается, что простого трения и механического сцепления часто недостаточно, особенно при изменении давления в недрах; добавление материалов, которые создают химические связи между зернами и породой, может значительно укрепить пробку и сократить время до достижения стабильного состояния.

Проектирование более умной промывочной жидкости

Ориентируясь на измерения ширин трещин в целевых породах, авторы рассчитали, какое количество каждой фракции требуется для закупорки трещин шириной от 200 до 600 микрометров. Затем они подобрали практичные материалы, покрывающие этот диапазон, включая порошок ореховой скорлупы, опилки и минерал под названием волластонит. Для усиления сцепления добавили температурочувствительный полимер, который легко течёт при поверхностных условиях, но густеет и образует сетку при достижении более тёплой зоны в недрах. Такое сочетание позволяет крупным частицам сформировать скелет пробки, мелким — заполнить поры, а полимеру — склеить всё в прочный, мало протекающий слой.

Что показали испытания

Лабораторные эксперименты сравнивали эту оптимизированную жидкость с системой, уже применяемой в поле. В моделируемых трещинах нескольких ширин оптимизированная смесь закрывала трещины от 200 до 600 микрометров быстрее и выдерживала более высокое давление. Во многих случаях она обеспечивала «моментальную» закупорку, завершая уплотнение менее чем за две секунды, при этом сокращая объёмы утекшей жидкости более чем на 60 процентов. Давление, которое могли выдерживать пробки, увеличилось примерно на 75 процентов по сравнению с исходной жидкостью, при этом реологические свойства жидкости на поверхности остались пригодными для обычных буровых операций.

Почему это важно для будущих скважин

Для неспециалистов ключевой вывод в том, что контроль утечек в трещиноватой породе — это не просто добавление большего количества материала в скважину. Речь о том, чтобы подобрать размеры частиц под трещины и дать этим частицам возможность зафиксироваться и сцементироваться в прочный барьер. Исследование предлагает ясный рецепт и общие правила, которые могут помочь буровым бригадам в разных регионах проектировать жидкости, которые герметизируют быстрее, протекают меньше и лучше защищают как оборудование, так и залежи.

Цитирование: Zhang, J., Tian, S., Wang, X. et al. Research on the plugging mechanism in fractured formations and the drilling fluid system for while-drilling leak prevention. Sci Rep 16, 14845 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43487-8

Ключевые слова: потеря циркуляции, промывочная жидкость, трещиноватые породы, закупорочные частицы, герметизация ствола скважины