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

1. NỘI DUNG GEOPET I. LỊCH SỬ TRÁM XI MĂNG GIẾNG DẦU II. CÁC CHỨC NĂNG CỦA XI MĂNG III. PHÂN LOẠI XI MĂNG IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG V. XI MĂNG ĐẶC BIỆT 7-2 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
2. 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
3. I. LỊCH SỬ TRÁM XI MĂNG GIẾNG DẦU GEOPET Hình 7.1. Trám xi măng giếng khoan thập niên 1920 7-6 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
4. 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 giữ ổn 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
5. III. PHÂN LOẠI XI MĂNG GEOPET a. Thành phần hoá học Xi măng thường có 4 thành phần chính sau đây: 1. Tricalcium silicate (C3S - 3CaO.SiO2): thành phần chính trong xi măng Portland, chiếm 40 - 45% trong xi măng chậm đông và 60 - 65% trong xi măng đông nhanh. C3S quyết định đến các giai đoạn phát triển độ bền của xi măng. 2. Dicalcium silicate (C2S - 2CaO.SiO2): đóng vai trò quan trọng trong việc tạo độ bền cuối cùng của xi măng và không ảnh hưởng lớn đến thời gian đông cứng ban đầu của xi măng vì chậm kết hợp với nước. 7-10 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
6. 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
7. III. PHÂN LOẠI XI MĂNG GEOPET Bảng 7.3. Phân loại và điều kiện sử dụng xi măng theo API Độ sâu, Loại Điều kiện sử dụng 1000 ft A 0 - 6 loại thường, giếng không đòi hỏi tiêu chuẩn đặc biệt B 0 - 6 đòi hỏi xi măng có độ bền từ trung bình đến cao với sulfate độ bền nén ban đầu cao, độ bền với sulfate từ kém, trung bình C 0 - 6 đến cao nhiệt độ và áp suất tương đối cao, độ bền với sulfate từ trung D 6 - 12 bình đến cao E 6 - 14 nhiệt độ và áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao F 10 - 16 nhiệt độ và áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao G cơ bản, có thể sử dụng với phụ gia đông nhanh hoặc đông chậm 0 - 8 trong các giếng có chiều sâu và nhiệt độ khác nhau, có độ bền H với sulfate từ trung bình đến cao (H bền sulfat trung bình) 7-14 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
8. 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
9. IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET Nếu vữa xi măng chỉ bao gồm xi măng và nước thì không thể đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu phức tạp của thực tế. Người ta phải bổ sung các chất phụ gia để điều chỉnh tính chất của xi măng. Hiện nay, có hơn 100 chất phụ gia cho xi măng và chia thành các loại sau: 1. Chất nhanh đông 2. Chất chậm đông 3. Chất làm nhẹ 4. Chất làm nặng 5. Chất phân tán 6. Chất giảm độ thoát nước 7. Chất chống mất vữa 8. Các phụ gia đặc biệt 7-18 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
10. 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
11. IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET 4.3. Chất làm nhẹ Các chất làm giảm tỉ trọng của vữa xi măng và tỉ trọng của đá xi măng sau khi đông cứng, dùng cho thành hệ áp suất thấp. Vữa xi măng, tùy theo tỉ trọng, được chia thành các nhóm sau: Bảng 7.4. Phân loại xi măng theo tỉ trọng Loại vữa Tỉ trọng Nhẹ 2,2 7-22 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
12. 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,  = 4,95), ilmenite (FeTiO3,  = 4,45) và barit (BaSO4,  = 4,33). 7-24 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
13. IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET 4.6. Chất giảm độ thoát nước Khi xi măng được bơm vào vị trí, chênh lệch áp suất có thể gây ra hiện tượng thấm lọc và nước thoát vào vỉa. Sự thay đổi lượng nước trộn trong vữa ảnh hưởng rất lớn đến quá trình thủy hóa xi măng và các tính chất của vữa như thời gian đông cứng, tính lưu biến, độ bền nén. Ngoài ra, khi bơm trám xi măng nếu xảy ra hiện tượng mất nước thì các hạt xi măng dễ lắng đọng ở những khe hở nhỏ giữa thành hệ và ống chống. Kết quả là vữa trở nên đậm đặc và không thể bơm được. Hiện tượng này gọi là “sự đông cứng đột ngột” của vữa xi măng. Nếu áp suất bơm lớn hơn áp suất vỡ vỉa đối với những thành hệ yếu thì rất dễ xảy ra hiện tượng mất tuần hoàn vì toàn bộ nước đi vào thành hệ này. 7-26 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
14. 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 đá hạt 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
15. IV. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XI MĂNG GEOPET Chất phóng xạ đánh dấu được trộn vào vữa xi măng giúp định vị dễ dàng đỉnh cột xi măng sau khi trám. Trước đây, các chất này hay được sử dụng nhưng hiện nay các khảo sát nhiệt độ và đo vành đá xi măng đã thay thế phần nào chức năng này. Chất phóng xạ đánh dấu đôi khi vẫn được dùng để trám xi măng khắc phục. 131 192 Chất phóng xạ được sử dụng phổ biến là I53 (8,1 ngày), Ir77 (74 ngày). Một số hóa chất trong dung dịch khoan còn lại trong giếng có thể làm chậm đáng kể quá trình đông cứng của xi măng. Để giảm thiểu những ảnh hưởng này khi vữa xi măng trộn lẫn với dung dịch khoan, một số hóa chất như paraformaldehyde hoặc hỗn hợp paraformaldehyde và natri chromate (Na2Cr2O7) được bổ sung. 7-30 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
16. 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
17. V. XI MĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET Xi măng thixotropic có rất nhiều ứng dụng quan trọng, trong đó thường được dùng trong các giếng mất xi măng nghiêm trọng khi bơm trám. Những giếng này có những khu vực thành hệ yếu, dễ khởi tạo khe nứt ngay cả khi áp suất thủy tĩnh nhỏ. Khi hình thành cấu trúc gel, xi măng thixotropic làm giảm cột áp thủy tĩnh, khe nứt không hình thành và vữa xi măng không mất vào vỉa. Xi măng thixotropic cũng được dùng khi xảy ra mất dung dịch trong khoan. Vữa xi măng khi đi vào vùng mất dung dịch sẽ đông cứng lại và cô lập hoàn toàn vùng này. 7-34 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
18. 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
19. V. XI MĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET 5.2. Xi măng trương nở Xi măng trương nở sau khi đông cứng giúp bịt kín các khe nứt nhỏ và tăng cường hiệu quả trám xi măng. Lực giãn nở của xi măng làm xi măng ép sát vào thành ống chống và bề mặt vỉa. Ngay cả khi dung dịch khoan còn lại trong lỗ khoan hoặc trên thành giếng, kết cấu chặt sít của xi măng vẫn có thể đạt được. Các loại phụ gia của xi măng trương nở bao gồm: − Hệ ettringite (C3A.3CaSO4.H32): tinh thể ettringite có thể tích lớn tạo thành sau khi xi măng đông cứng, từ đó làm xi măng nở ra. − Muối ăn: một trong những phụ gia đầu tiên dùng điều chế xi măng trương nở, tinh thể muối hình thành trong xi măng sau khi đông cứng. − Bột nhôm: tạo bọt khí nhỏ trong xi măng, dùng cho các giếng độ sâu nhỏ. − Ôxit magiê nung: dùng cho giếng nhiệt độ cao. 7-38 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
20. 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 kể ứng 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
21. V. XI MĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET 5.6. Xi măng chịu ăn mòn Xi măng Portland khi đông cứng khá bền vững. Tuy nhiên, vẫn có những giới hạn mà đá xi măng không thể vượt qua. Xi măng chịu ăn mòn bao gồm xi măng bền với hóa chất dùng cho các giếng chứa hóa chất thải, xi măng dùng để trám các giếng có kế hoạch thu hồi tăng cường bằng bơm ép CO2. Đối với giếng chứa hóa chất thải, xi măng được chọn tùy thuộc loại hóa chất sẽ bơm vào giếng. Các phụ gia tăng độ bền và giảm độ thấm của xi măng là pozzolan, nhựa, chất phân tán. Chống ăn mòn do CO2 bằng cách giảm tối đa độ thấm của đá xi măng. 7-42 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết
22. GEOPET KẾT THÚC CHƯƠNG 7 7-44 Dung dịch khoan & xi măng – Đỗ Hữu Minh Triết