Bài giảng Dung dịch khoan và xi măng - Chương 7: Chọn vữa xi măng trong công nghiệp dầu khí - Đỗ Hữu Minh Triết

Nội dung text: Bài giảng Dung dịch khoan và xi măng - Chương 7: Chọn vữa xi măng trong công nghiệp dầu khí - Đỗ Hữu Minh Triết

1. I. LỊCH SỬ TRÁM XI MĂNG GIẾNG DẦU GEOPET Sét là vật liệu xi măng đầu tiên được sử dụng trong xây dựng công trình. Quá trình hydrat hóa và bay hơi của nước gắn kết các vật liệu khác lại với nhau. Xi măng Portland (xuất phát từ tên hòn đảo Portland của nước Anh vì khi xi măng đông cứng nó rất giống với các loại đá trên đảo này) do Joseph Aspdin phát minh năm 1824 là vật liệu nhân tạo được sản xuất bằng cách nung đá vôi với đất sét. Năm 1903, lần đầu tiên xi măng được sử dụng trong một giếng dầu để cách ly tầng nước. 7-3 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết I. LỊCH SỬ TRÁM XI MĂNG GIẾNG DẦU GEOPET Năm 1910, A. Perkins giới thiệu đầu trám xi măng hai nút ở California. Nút trám được đúc bằng gang và đẩy xuống đáy giếng nhờ áp suất hơi nước. Đến năm 1917 xi măng Portland vẫn là thành phần cơ bản để trám giếng dầu. Năm 1920, P. Halliburton giới thiệu kỹ thuật trám xi măng giếng dầu. Để khắc phục những vấn đề gặp phải khi sử dụng xi măng Portland trong giếng sâu (thời gian đông cứng ngắn và lực nén phát triển chậm ), người ta đã thay đổi cấu trúc và những đặc tính kỹ thuật của xi măng này. Từ năm 1940, đặc biệt từ năm 1983 đến nay đã có nhiều loại xi măng và phụ gia được sản xuất và sử dụng. 7-4 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
2. II. CÁC CHỨC NĂNG CỦA XI MĂNG GEOPET Các chức năng chính của xi măng bao gồm: – Hỗ trợ cột ống chống: liên kết cột ống chống với thành hệ, chịu tải trọng một phần của cột ống chống. – Bịt kín các tầng gây mất dung dịch: tạo điều kiện để tăng tỉ trọng dung dịch khi khoan sâu hơn, đảm bảo khả năng kiểm soát giếng. – Bảo vệống chống khỏi bị ăn mòn: chủ yếu là ăn mòn hóa học do nước biển và khí H2S. 7-7 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết II. CÁC CHỨC NĂNG CỦA XI MĂNG GEOPET – Cô lập, cách ly các tầng chứa: bảo vệ tầng nước sạch, cho phép lựa chọn tầng khai thác hoặc tầng bơm ép. – Bảo vệ chân đế ống chống khỏi tải trọng đột ngột: chủ yếu giữổn định chân đế ống chống khi tiến hành khoan sâu hơn. – Kiểm soát giếng: cân bằng áp suất vỉa khi có hiện tượng kích, là giải pháp cuối cùng khi xảy ra sự cố kích. Do xi măng giữ những chức năng quan trọng nêu trên, lựa chọn xi măng và chất lượng công tác trám xi măng ảnh hưởng rất lớn đến sự hoạt động và tuổi thọ của giếng khoan, khai thác dầu khí. 7-8 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
3. III. PHÂN LOẠI XI MĂNG GEOPET 3. Tricalcium aluminate (C3A - 3CaO.Al2O3): ảnh hưởng lớn đến thời gian đông cứng, có vai trò quan trọng trong sự phát triển độ bền của xi măng. 4. Tetracalcium aluminoferrite (C4AF - 4CaO.Al2O3.Fe2O3): ảnh hưởng đến độ bền của xi măng. Bảng 7.1. Thành phần hóa học của các loại xi măng theo tiêu chuẩn API Loại xi Thành phần xi măng (%) Độ mịn (cm2/g) măng C3S C2S C3A C4AF A 53 24 ≥ 8 8 1.500 – 1.900 B 47 32 ≤ 5 12 1500 – 1900 C 58 12 8 8 2.000 – 2.800 D, E & F 26 54 2 12 1.200 – 2.800 G & H 50 30 5 12 1.400 – 1.700 7-11 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết III. PHÂN LOẠI XI MĂNG GEOPET Ngoài ra, trong xi măng còn có các thành phần khác như thạch cao, kali sulfate, magiê, vôi Các thành phần này tác động đến quá trình thủy hóa của xi măng, thay đổi tỷ trọng vữa và có tính kháng các hoá chất có hại. Ngoài ra, khi cần những tính chất đặc biệt của xi măng, có thể thực hiện theo hướng dẫn trong bảng dưới đây. Bảng 7.2. Các tính chất đặc biệt của xi măng Tính chất Cách thực hiện Phát triển độ bền nhanh Tăng hàm lượng C3S, nghiền mịn hơn Chậm đông Khống chế C3S, C3A, nghiền thô hơn Nhiệt thủy hoá thấp Giới hạn C3S, C3A. Tính kháng sulfate Giới hạn C2S 7-12 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
4. III. PHÂN LOẠI XI MĂNG GEOPET c. Phân loại xi măng theo tiêu chuẩn TCVN 5439 - 1991 Theo TCVN 5439 – 1991, xi măng được phân loại dựa theo các đặc tính sau: 1. Loại clinke và thành phần của xi măng, 2. Mác, 3. Tốc độ đóng rắn, 4. Thời gian đông kết, 5. Các tính chất đặc biệt. 7-15 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết III. PHÂN LOẠI XI MĂNG GEOPET Theo đặc tính (1), xi măng bao gồm: - Xi măng trên cơ sở clinke xi măng Portland + Xi măng Portland không có phụ gia khoáng, + Xi măng Portland hỗn hợp với tỷ lệ phụ gia khoáng hoạt tính không lớn hơn 20%, + Xi măng Portland xỉ với tỷ lệ phụ gia xỉ hạt lớn hơn 20%, + Xi măng Portland puzzolan với tỷ lệ phụ gia puzzolan lớn hơn 20%. - Xi măng trên cơ sở clanhke xi măng alumin + Xi măng alumin có hàm lượng Al2O3 trong khoảng 30% - 60%, + Xi măng giàu alumin có hàm lượng Al2O3 từ 60% trở lên. 7-16 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
5. IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET 4.1. Chất nhanh đông Các chất làm giảm thời gian đông cứng của vữa xi măng, tăng tốc độ phát triển độ bền nén. Các chất này thường được dùng để bù trừ sự chậm đông do một số phụ gia khác, ví dụ chất phân tán và chất chống mất vữa. Các muối clorua là chất nhanh đông phổ biến. CaCl2 là chất hiệu quả và rẻ - tiền nhất, tuy nhiên CaCl2 có chứa Cl làm ăn mòn kim loại. Nồng độ CaCl2 sử dụng thường khoảng 2-4% khối lượng xi măng. NaCl, tùy thuộc nồng độ và nhiệt độ, cũng là chất nhanh đông, nhưng không phải là chất hiệu quả cao. Do đó, NaCl chỉ nên dùng khi không có CaCl2. Ngoài ra, còn một số chất nhanh đông khác như: sôđa, thủy tinh lỏng, xút, 7-19 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET 4.2. Chất chậm đông Các chất làm tăng thời gian đông cứng của vữa xi măng, thường dùng khi giếng có độ sâu lớn, nhiệt độ cao. Nguyên lý gây chậm đông của các phụ gia vẫn chưa được thống nhất. Hiện nay, có 4 lý thuyết về sự chậm đông: − Lý thuyết hấp phụ: chậm đông gây ra do sự hút bám của phụ gia trên bề mặt sản phẩm thủy hóa, từ đó ngăn cản tiếp xúc với nước. − Lý thuyết kết tủa: chất chậm đông tác dụng với ion canxi và ion hydroxit trong pha lỏng, tạo lớp chất kết tủa không thấm xung quanh các hạt xi măng. − Lý thuyết hạt nhân: chất chậm đông bám quanh nhân của sản phẩm thủy hóa, can thiệp và làm chậm các phản ứng tiếp theo. − Lý thuyết phức hợp: ion canxi bị cô lập bởi phụ gia, ngăn cản sự hình thành phân tử. 7-20 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
6. IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET Các chất làm nhẹ thường dùng là: – Sét và bột sét: khi thêm sét sẽ tạo thành gel xi măng; không sử dụng được khi nhiệt độ hơn 80oC và độ khoáng hóa cao. – Diatomit: chứa tinh thể SiO2, tăng độ bền của đá xi măng trong môi trường axit và sulfat. – Các chất nguồn gốc núi lửa: chứa nhiều Al2O3. – Các đá cacbonat: đá vôi và đáphấn nghiền nhỏ, có thể dùng cho giếng khoan có nhiệt độ nhỏ hơn 120oC. – Các chất nguồn gốc hữu cơ: than đá, grafit, hydrocarbon cứng như asfan, bitum, Ở nhiệt độ cao sẽ tăng độ thấm và giảm độ bền của đá xi măng. – Một số chất khác: tro khi nung than đá, than bùn, bụi nhà máy xi măng khi sấy và nung clinke 7-23 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET 4.4. Chất làm nặng Một trong những phương pháp đơn giản tăng tỉ trọng của vữa xi măng là giảm lượng nước pha trộn. Khi đó, cần bổ sung phụ gia phân tán để đảm bảo khả năng bơm, đồng thời phải duy trì độ thoát nước, tính lưu biến và chống lắng đọng chất rắn. Tỉ trọng tối đa có thể đạt được là 2,16. Khi cần vữa có tỉ trọng cao hơn, phải bổ sung chất làm nặng. Chất làm nặng phải đảm bảo: cỡ hạt tương đương với xi măng, ít phản ứng với nước, tương thích với các phụ gia khác. Các chất làm nặng phổ biến theo thứ tự hiệu quả là: hematite (Fe2O3, γ = 4,95), ilmenite (FeTiO3, γ = 4,45) và barit (BaSO4, γ = 4,33). 7-24 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
7. IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET Nếu quá trình thoát nước của xi măng không được kiểm soát, những hậu quả nặng nề sẽ xảy ra, có thể dẫn tới trám xi măng thất bại. Độ thoát nước của xi măng theo tiêu chuẩn API phải nhỏ hơn 50 ml/30 phút. Các chất phụ gia giảm độ thoát nước bao gồm 2 nhóm: − Nhóm vật liệu lơ lửng: bentonit, bột carbonate, asphaltene, − Nhóm vật liệu polyme hòa tan trong nước: đồng thời tăng độ nhớt của pha lỏng và giảm tính thấm của vỏ bùn, sử dụng phổ biến là các dẫn xuất cellulose. Tuy nhiên, cần chú ý điều kiện nồng độ và nhiệt độ. Dưới 65oC, cellulose là chất chậm đông hiệu quả; trên 93oC, cellulose ít tác dụng giảm độ thoát nước. 7-27 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET 4.7. Chất chống mất tuần hoàn Mất tuần hoàn thường xảy ra ở các thành hệ yếu, nứt nẻ. Kinh nghiệm và thông tin về vỉa trong quá trình khoan sẽ giúp ích rất nhiều cho công tác bơm trám xi măng sau này. Chống mất tuần hoàn có thể thực hiện bằng các vật liệu tạo cầu nối hoặc bằng vữa xi măng thixotropic, là một loại xi măng đặc biệt. Vật liệu tạo cầu nối bịt kín các khe nứt nhỏ của vỉa và trơ với quá trình thủy hóa xi măng. Điển hình là gilsonite và than đáhạt thô; ngoài ra còn có hạt thực vật cứng, sét bentonit thô, trấu, lõi bắp, Xi măng thixotropic xâm nhập khe nứt, hóa cứng và bịt kín khe nứt. 7-28 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
8. IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET Phụ gia hoạt tính puzzolan: puzzolan thiên nhiên bao gồm đất diatomit, đá phiến sét, tuyp và tro núi lửa, đábọt, đá bazan Puzzolan chứa nhiều oxit silic vô định hình có hoạt tính, tức là có tác dụng ở nhiệt độ thường với Ca(OH)2 sinh ra khi xi măng thủy hoá để tạo thành CaO.SiO2.nH2O bền vững ngay cả khi ẩm ướt và ở trong nước. Puzzolan làm giảm độ phân tầng, tiết nước, giảm nhiệt thuỷ hoá, tăng độ đặc chắc, tính chống thấm, tính bền của đá xi măng ở trong nước và trong môi trường có tính chất ăn mòn. Phụ gia xỉ lò cao: là loại xỉ thu được khi luyện gang và được làm nguội nhanh để tạo thành dạng hạt pha thủy tinh. Tác dụng của xỉ lò cao giống puzzolan. Phụ gia tro bay: là phế thải mịn thu được do việc đốt than ở nhà máy nhiệt điện và được chuyển từ buồng đốt qua nồi hơi bởi ống khói. Phụ gia tro bay cũng có tác dụng như puzzolan. 7-31 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết V. XI MĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất và bơm trám xi măng, một số loại xi măng đặc biệt đã được sản xuất để khắc phục các vấn đề phức tạp, bao gồm: mất nước, mất tuần hoàn, vi khe nứt, trám xi măng qua tầng muối, trám xi măng trong môi trường ăn mòn, giếng nhiệt độ cao, khí rò rỉ, Các loại xi măng đặc biệt bao gồm: 1. Xi măng thixotropic 2. Xi măng trương nở 3. Xi măng chịu lạnh 4. Xi măng muối 5. Xi măng nhựa biến đổi 6. Xi măng chịu ăn mòn 7. Xi măng dùng như dung dịch khoan 7-32 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
9. V. XI MĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET Áp suất tuần hoàn m ơ t b ấ Lưu lượng 1. Loãng khi pha trộn2. Cứng khi ngừng bơm Áp su Không Áp suất bơm chảy Thời gian Hình 7.3. Áp suất bơm và lưu lượng của chất lỏng thixotropic 3. Trở lại lỏng 4. Loãng khi bơm lại khi tác dụng lực Hình 7.2. Ứng xử của chất lỏng thixotropic 7-35 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết V. XI MĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET Xi măng thixotropic bao gồm các hệ sau: 1. Hệ gốc sét: xi măng Portland có chứa sét trương nở. Hệ này có thể khống chế rò rỉ khí trong một số trường hợp. 2. Hệ gốc CaSO4: CaSO4 .0,5H2O là hóa chất được sử dụng rộng rãi nhất để tạo vữa xi măng thixotropic với hầu hết các loại xi măng Portland. Hóa chất này cần bổ sung nước khi pha chế và vữa xi măng tạo thành không tương thích với hầu hết các phụ gia chống mất nước. Bên cạnh tính chất thixotropy, hệ xi măng gốc CaSO4 còn có tính kháng sulfate. 7-36 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
10. V. XI MĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET 5.3. Xi măng chịu lạnh Dùng cho các vùng đóng băng vĩnh cửu như Alaska hoặc bắc Canada. Lớp băng vĩnh cửu có thể dày tới 600m. Khi khoan và hoàn thiện giếng, cần tránh gây tan chảy lớp băng vĩnh cửu. Vì vậy, xi măng dùng để trám phải có nhiệt lượng thủy hóa thấp và phát triển được độ bền nén ở nhiệt độ thấp. Xi măng Portland thông thường sẽ bị đóng băng trước khi kịp đông cứng, do đó độ bền nén kém. Hai loại xi măng trám thành công trong điều kiện này là: –Xi măng canxi aluminate, –Hỗn hợp xi măng Portland/thạch cao. 7-39 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết V. XI MĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET 5.4. Xi măng muối Xi măng chứa một lượng đáng kể muối ăn NaCl hoặc KCl gọi là xi măng muối. Muối được dùng nhiều trong xi măng trám giếng khoan do: – Ở một vài nơi, muối có trong nước pha chế xi măng, ví dụ ngoài khơi. –Muối là hóa chất phổ biến, rẻ tiền nhưng có thể thay đổi đáng kểứng xử của xi măng. Tùy theo nồng độ, muối có thể là chất nhanh đông hoặc chất chậm đông, làm phân tán xi măng, làm xi măng trương nở hoặc tạo xi măng chịu lạnh. – Khi trám xi măng qua vỉa muối hoặc vỉa sét trương nở, cần bổ sung một lượng lớn muối để hạn chế các sự cố có thể xảy ra. 7-40 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
11. V. XI MĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET 5.7. Xi măng dùng như dung dịch khoan Một số sự cố khi khoan và hoàn thiện giếng như mất tuần hoàn, mất nước và liên thông nước giữa các tầng có thể khắc phục nếu dung dịch khoan có tính chất của xi măng. Xi măng loại này có tính cách ly thành hệ rất tốt. Ví dụ hệ xi măng Portland chứa bentonit do Harrison và Goodwin giới thiệu năm 1971 có thể dùng như dung dịch khoan khi khoan. Tới giai đoạn hoàn tất, người ta bổ sung một loại muối kim loại đa hóa trị (ví dụ CaCl2) vào dung dịch và quá trình đông cứng được kích hoạt. Một số hệ xi măng khác được kích hoạt đông cứng bằng phóng xạ, bằng nhiệt, 7-43 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết GEOPET KẾT THÚC CHƯƠNG 7 7-44 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết