Основной проблемой в части ликвидации заколонных перетоков является ее низкая эффективность. Заколонные перетоки возникают из-за нарушения целостности цементного камня или нарушений сцепления «порода-цемент», «цемент-обсадная колонна». Распространенным способом ликвидации этих нарушений является закачка под давлением различных герметизирующих составов. Однако применяющиеся для этого композиции часто оказываются недостаточно эффективными и не обеспечивают длительную монолитность цементного
камня [1–3].
В ранних работах по получению самовосстанавливающихся материалов была обоснована концепция и предложена технология по получению цементных материалов, способных к самовосстановлению. Несмотря на активное развитие этого направления, широкое распространение получили материалы только одного производителя [2]. Поиск альтернативных материалов является актуальной задачей.
Перспективным направлением совершенствования тампонажных материалов является модификация тампонажных смесей высокомолекулярными полимерными соединениями, обеспечивающими тампонажному раствору требуемые свойства. Одной из таких разработок самовосстанавливающего материала яявляется технология получения тампонажных смесей, насыщенных высокомолекулярными полимерными соединениями, обеспечивающими тампонажному раствору необходимые свойства [4–6].
Авторами определены основные требования к тампонажным смесям:
• добавки должны хорошо растворяться в пресной и пластовой воде и иметь высокие пластические значения в скважинных условиях, при температуре до 90 °С;
• добавки должны быть инертны по отношению к химически активным веществам, которые могут содержаться в пластовой воде и буровом растворе;
• наличие добавок в цементной смеси не должно менять ее реологические свойства и физико-механические характеристики цементного камня.
Рассмотрев ряд добавок, авторы определили, что под требуемые показатели наиболее полно подходит химическое соединение двух сополимеров: акриламида и диаллилдиметиламмония хлорида (реагент САиДДХ). На основе этого реагента (САиДДХ) получаются суспензии в жидком и твердом (в виде гранул) состоянии, каждая из которых может быть применена в цементном растворе с соблюдением вышеуказанных требований [1–2].

Комплексный реагент САиДДХ может быть представлен в виде гранул либо порошка. Реагент САиДДх в виде порошка растворяется в воде и используется в жидком состоянии для приготовления цементного раствора. Реагент САиДДХ в жидком виде хорошо растворяется как в пресной, так и в пластовой воде, устойчив к солям, которые могут содержаться в пластовой воде и буровом растворе, а также к высоким температурам (до 250 °С).
Реагент САиДДХ в гранулах различного размера при взаимодействии с водой поглощает воду и превращается в суспензию, при этом увеличивается в размерах от 100 до 1 000 раз в сравнении с его собственной массой.
При включении реагента САиДДХ в виде гранул в цементный камень добавка будет нейтрализовать возможные прорывы пластовой воды в заколонное пространство, возникшие в цементном камне в процессе эксплуатации скважины, а также вследствие своих свойств изменять свою структуру.
Реагент САиДДХ в жидком виде будет повышать коэффициент седиментационной устойчивости в цементном растворе и снижать фильтрацию раствора. Преимуществом использования реагента САиДДХ является то, что реагент в жидком виде иммобилизует часть жидкости затворения, что приводит к образованию тиксотропной структуры [1].
При проведении исследований в качестве основы цементного раствора применялся портландцемент в соответствии с требованиями ГОСТ 1581-2019, ГОСТ 34532-2019. Использовался тампонажный цемент двух типов: ПЦТ-1-50 и ПЦТ-1G-СС-1.
В лабораторных исследованиях использовались цементные растворы двух типов на основе цементов: ПЦТ-1-50 для облегченного раствора, используемого в верхних интервалах, и ПЦТ-1G-СС-1 для тяжелого раствора, используемого в интервалах продуктивного пласта.
В рамках исследования по поглощению и удержанию в своей структуре объема воды был проведен подбор реагента ССАиДХ в зависимости от размеров гранул в сухом/твердом виде в нейтральной среде (рН = 7). На рисунке 1 показана динамика изменения размеров частиц (0,5 мм, 1,0 мм, 1,5 мм) реагента САиДДХ во времени [1–4].

На рисунке 1 показана зависимость набухания реагента САиДДХ от размера гранул во времени, где видно, что после 60 мин. пребывания в воде реагент превращается в суспензию и увеличивается в размерах. Наибольшие значения показывают частицы диаметром 1,5 мм.
Были разработаны составы цементных смесей, в которых использовались различные по размеру гранулы добавки САиДДХ. Исследования показали, что чем крупнее размер реагента, тем больше его набухаемость. Далее данная цементная смесь на основе ПЦТ-1G-СС-1 и плотностью 1 900 кг/м3 исследовалась на прочность цементного камня.
Результаты исследований показаны на рисунке 2.

Полученные результаты показывают влияние размера частиц реагента (САиДДХ)
в виде гранул на прочность цементного камня. Увеличение размера частиц реагента значительно снижает его прочность (рис. 2). Наибольшая прочность камня получена при размере гранул до 0,5 мм, что позволяет рекомендовать эту фракцию для дальнейшего использования. Увеличение размера гранул реагента (САиДДХ) до 1–1,5 мм негативно сказывается на прочности цементного камня, поэтому в дальнейших исследованиях использовался данный реагент с размером гранул до 0,5 мм в сухой форме.
Совместное введение реагента (САиДДХ) в гранулярном и жидком состоянии показало повышение прочностных характеристик цементного камня по отношению с аналогичными показателями при введении реагента по отдельности, что дало синергетический эффект, проявляющийся в повышении прочности цементной композиции по сравнению с цементным камнем с добавками реагента по отдельности. Результат совместного введения реагента САиДДХ показан на рисунке 3.

Для цементных растворов значение водоотдачи является важным показателем, поскольку наличие воды в растворе влияет на время загустевания цементного раствора при затворении в процессе крепления скважины, и на период ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ), что, в свою очередь, влияет на крепость цемента. На основании этих результатов наибольший эффект дает комплексная форма реагента САиДДХ, состоящая из жидкой (отвечающей за водоотдачу) и гранулярной (водонабухающей) формы.
Для поиска оптимальной концентрации комплексного реагента САиДДХ были приготовлены образцы, содержащие от 0 до 1 % реагента, при постоянном соотношении (1:1) жидкой формы и гранулярной размером 0,5 мм. Для полученных образцов проведены исследования прочности цементного камня на сжатие и изгиб. Полученные результаты приведены на рисунках 3–5.

Из рисунка 5 видно, что концентрация реагента 0,2 % от массы цемента имеет наилучшие показатели предела прочности на сжатие. Дальнейшее увеличение содержания комплексного реагента САиДДХ дает снижение прочностных свойств цементного камня.
Полученные оптимальные цементные смеси с добавкой 0,2 % реагента САиДДХ
в комплексном виде были исследованы на основные технологические параметры. В качестве основных параметров, влияющих на твердение цементной смеси, были рассмотрены температура, время загустевания цементного раствора, время набора прочностных характеристик (ОЗЦ) и концентрация реагента САиДДХ. Температуры, при которых проводились исследования, приближены к пластовым условиям — от 22 до 40 °С, концентрация реагента САиДДХ — 0,2 %, продолжительность исследования — от 1 до 28 сут. Основным показателем оптимизации определен предел прочности на сжатие цементного камня. В таблицах 1 и 2 приведены результаты проведенных замеров.

Из таблицы 1 видно, что для предложенного модифицированного состава растекаемость цементного раствора практически не зависит от водоцементного отношения пробы.
Для проведения качественного цементирования обсадных колонн необходимо, чтобы цементный раствор имел минимальное значение водоотдачи, с сохранением воды в цементном растворе в количестве, необходимом для полной гидратации цемента. Для выполнения этих условий предлагается использовать реагент САиДДХ в жидком состоянии, который иммобилизует часть жидкости затворения, что приводит к образованию тиксотропной структуры.
Результаты исследования фильтрационных свойств рассматриваемых цементных смесей при температуре 22 °С в зависимости от кривизны ствола скважины приведены в таблице 2, а оценка времени загустевания цементного раствора — в таблице 3. Для исследования были взяты цементные составы ПЦТ-1-50 плотностью 1 850 кг/м3 и ПЦТ-1G-СС-1
плотностью 1 900 кг/м3.
Из таблицы 2 видно, что седиментация тампонажного раствора не зависит от угла наклона модели (30°–90°) и будет одинаково работать в наклонно-направленных, горизонтальных и пологих скважинах. Исследования показали, что при концентрации 0,2 % комплексного реагента САиДДХ в виде жидкости и гранул (в соотношении 1:1) в цементной смеси водоотделение у нее отсутствует, показатели фильтратоотдачи для этого тампонажного цемента — до 50 мл за 30 мин.
Для приготовления и закачки данных цементных растворов применяются стандартные механизмы и оборудование. Количество комплексной добавки выбирается в зависимости от условий и характеристик цементного раствора для выполнения работ и подбирается экспериментально.
Наличие газа и флюидонапорного пласта усиливает вытеснение остаточной воды из формирующейся в цементном растворе жидкости затворения. Результаты дальнейших исследований по газопроницаемости представлены в таблице 3.

В таблице 3 приведены результаты испытания на газопроницаемость исследуемых образцов цементного камня c разной плотностью 1 500 кг/м3 и 1 900 кг/м3 с добавлением комплексной добавки (САиДДХ).
Образцы цементного камня после проведения исследований на тестере миграции газа и хранение его в течении 24 ч и 48 ч во влажных условиях при температуре 40 °С показали, что образец с плотностью 1 900 кг/м3 характеризуется более низкими показателями на сжатие и изгиб по сравнению с образцами плотностью 1 500 кг/м3. Выяснилось также, что скорость прохождения газа зависит от плотности упаковки цементных частиц. На основании полученных результатов выданы рекомендации по использованию цементного камня с плотностью 1 500 кг/м3 для перекрытия газовых пластов.
Определение «эффекта самозалечивания» у образцов цементного камня проводилось на экспериментально разработанной в ООО «РН-БашНИПИнефть» установке (рис. 6).

Испытания проводились следующим образом. В модель 2, представляющую собой цилиндрическую камеру, заливается цементный раствор с комплексной добавкой (САиДДХ) концентрацией 0,2 %, в которой создаются вертикальные искусственные каналы одинакового диаметра. Искусственные каналы создавались при помощи металлических нитей определенного диаметра, пропущенных через цементный камень. По мере набора прочности нити были удалены, и в теле цементного камня остались сквозные каналы. Через трубу 1 подается водосодержащая жидкость с определенным расходом и давлением, которая проходит через образец по искусственно созданным каналам. По количеству жидкости, прошедшей через образец и попадающей в емкость 3, определялся показатель перколяции[3]. Таким же образом для сравнения провели испытания тампонажного цемента без добавки. Результаты исследования представлены на рисунке 7.

На основании проведенных исследований можно сделать заключение, что предложенный комплексный реагент САиДДХ в концентрации 0,2 % показал наилучший результат: количество отфильтрованной воды за первый час, как и до конца исследования в целом, было на 55 % меньше, чем у образцов без добавок (рис. 7), т.о., эксперимент показал, что комплексный реагент (САиДДХ) удерживает жидкость в поврежденном цементном камне и обеспечивает «эффект самозалечивания» [1–7].
По результатам исследований был сделан вывод, что использование комплексной добавки реагента (САиДДХ) положительно сказывается на «эффекте самозалечивания» цементного камня. Показатель перколяции определяется по количеству жидкости, прошедшей через образцы камня с искусственными каналами одинакового диаметра [1–7].
Таким образом, экспериментально подтверждено, что цементнополимерные материалы из тампонажного раствора и камня с добавкой реагента САиДДХ при концентрации 0,2 % не оказывают негативного влияния на его основные технологические свойства, удовлетворяют требованиям крепления скважин при температуре 40 °С, а также имеющейся у нее способности удерживать жидкость в поврежденном цементном камне что обеспечивает «эффект самозалечивания».