MƠN HỌC KHOAN VÀ HỒN THIỆN GIẾNG XI MĂNG NỢI DUNG  Sơ lược lịch sử trám xi măng giếng dầu  Phân loại  Vữa xi măng  Tính chất của đá xi măng XI MĂNG Sơ lược lịch sử trám xi măng  Sét là vâât liêâu xi măng đầu tiên  Xi măng Portland Joseph Aspdin phát minh năm 1824 là vâât liêâu nhân tạo được sản xuất bằng cách nung chảy đá vôi với đất sét  Năm 1903 lần đầu tiên xi măng được sử dụng môât giếng dầu để cách ly tầng nước  Năm 1910, A Perkins giới thiêâu đầu trám xi măng hai nút ở California  Đến năm 1917 xi măng Portland vẫn là thành phần bản để trám giếng dầu  Năm 1920, P Halliburton giới thiêâu kỹ thuâât trám xi măng giếng dầu  Từ năm 1940, đăâc biêât từ năm 1983 đến đã có nhiều loại xi măng và phụ gia được sản xuất và sử dụng  Trang thiết bị phòng thí nghiêâm xi măng, công nghêâ bơm trám xi măng ngày càng được hoàn thiêân  Ngày nay, viêâc trám xi măng giếng dầu các công ty dịch vụ kỹ thuâât chuyên ngành đảm trách XI MĂNG Thành phần hoá học  Viện dầu khí Hoa Kỳ API dựa vào tính chất và đặc điểm kỹ thuật phân làm loại A, B, C, D, E, F, G và H Thành phần hoá học  Tricalcium Aluminate (C3A - 3CaO.Al2O3): thời gian đông cứng, phát triển độ bền của xi măng  Tricalcium silicate (C3S - 3CaO.SiO2): thành phần chính xi măng Portland  Dicalcium Silicate (C2S - 2CaO.Si2O2): tạo độ bền cuối của xi măng  Tetracalcium Aluminoferrite (C4AF - 4CaO.Al2O3.Fe2O3): độ bền của xi măng XI MĂNG Thành phần hoá học Thành phần xi măng (%) Loại xi măng C3S C2S C3 A C4AF Độ mịn (cm3/g) A B C D&E G&H 53 47 58 26 50 24 32 12 54 30 ≥8 ≤5 8 12 12 12 1500 - 1900 1500 - 1900 2000 - 2800 1200 - 2800 1400 - 1700  Ngoài còn có những thành phần khác: thạch cao, kali sulfate, magiê, vôi… Những nguyên liệu này khơng ảnh hưởng đến quá trình xi măng đơng cứng tác động đến quá trình thuỷ hoá của xi măng, thay đổi tỷ trọng vữa vá tính kháng các hoá chất có hại XI MĂNG Thành phần hoá học  Khi cần những tính chất đặc biệt có thể thực theo những khuyến cáo sau: Tính chất Phát triển nhanh độ Cách thực bền Tăng hàm lượng C3S, nghiền mịn Chậm đông Khống chế C3S, C3A, nghiền thơ Nhiệt thuỷ hố thấp Giới hạn C3S, C3A Tính kháng sulfate Giới hạn C2S XI MĂNG Phân loại xi măng  Chọn xi măng tuỳ thuộc vào:  Nhiêât đôâ tĩnh và đôâng ở đáy giếng ảnh hưởng đến thời gian đông cứng của vữa xi măng  Tỷ trọng vữa được quy định với các giới hạn về áp suất vỡ vỉa của thành hêâ khoan qua  Đôâ nhớt dẻo của vữa và các tính thấm lọc  Thời gian đông cứng và phát triển đôâ bền chịu nén theo thời gian  Đôâ bền của xi măng các môi trường ăn mòn và nhiêât đôâ ở đáy giếng XI MĂNG Phân loại xi măng  Phân loại và điều kiện sử dụng xi măng theo API 10: Loại Điều kiện sử dụng A - 6000 ft: loại thường, giếng khơng địi hỏi tiêu chuẩn đặc biệt B - 6000 ft: địi hỏi xi măng có độ bền từ trung bình đến cao sulfate C - 6000 ft: độ bền chịu nén ban đầu cao, độ bền với sulfate từ kém, trung bình đến cao D 6000 -12000 ft: nhiệt độ áp suất tương đối cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao E 6000 - 14000 ft: giếng có nhiệt độ áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao F 10000 - 16000 ft: giếng có nhiệt độ áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao G - 8000 ft: xi măng bản, sử dụng với chất phụ gia đông nhanh đông chậm để trám giếng có chiều sâu nhiệt độ khác nhau, có độ bền với sulfate từ trung bình đến cao H - 8000 ft: xi măng bản, sử dụng điều kiện loại G, có độ bền trung bình với sulfate XI MĂNG Vữa xi măng  Yêu cầu chung  Trôân và bơm dễ dàng, có tính lưu biến tối ưu cho viêâc thay thế dung dịch khoan  Bảo đảm tính chất đồng nhất suốt quá trình bơm đẩy  Bảo đảm được đơâ kín đông cứng, không cho khí rò rỉ vào khoảng không vành xuyến  Tạo liên kết tốt giữa ống chống và thành hêâ  Phát triển đôâ bền nhanh bơm trám xong và đôâ bền của đá xi măng ổn định thời gian dài XI MĂNG Vữa xi măng  Các tính chất của vữa xi măng và điều kiện sử dụng Loại A (Portland) B (Portland) C (Đông nhanh) D (Chậm đông) E (Chậm đông) F (Chậm đông) G (Cơ bản)* H (Cơ bản)* Tỷ trọng Lượng nước vữa trộn (lbm/gal (gal/bao) ) 5,2 5,2 6,3 4,3 4,3 4,3 5,0 4,3 15,6 15,6 14,8 16,4 16,4 16,2 15,8 16,4 Độ sâu (ft) Nhiệt độ tĩnh (oF) - 6000 - 6000 - 6000 6000 - 12000 6000 -14000 10000 - 16000 - 8000 - 8000 80 - 170 80 - 170 80 - 170 170 - 260 170 - 290 230 - 230 80 - 200 80 - 200 *: điều chỉnh thời gian đông nhanh đông chậm tùy thuộc vào điều kiện giếng XI MĂNG 10 Vữa xi măng  Tính chất của vữa  Tỷ số nước/xi măng − Lượng nước tối thiểu để trôân với xi măng nguyên chất cho đôâ sêât của vữa nhỏ 30 Bc − Tỷ số nước/xi măng tối đa là lượng nước thêm vào mà vẫn giữ ở trạng thái lơ lửng cho đến quá trình bơm trám xi măng hoàn tất Tính chất của xi măng nguyên chất Loại Tỷ trọng vữa (lb/gal) Nước trộn (gal/bao) Chỉ số yield (cuft/bao) Nước trộn (%) A B C D G H 15,6 15,6 14,8 16,4 15,8 16,4 5,2 2,5 6,3 4,3 5,0 4,3 1,18 1,18 1,32 1,02 1,15 1,05 46 46 56 38 48 38 XI MĂNG 11 Vữa xi măng  Tỷ trọng − Theo tiêu chuẩn API, tỷ trọng vữa xi măng bị giới hạn bởi tỷ số nước/xi măng − Tỷ trọng thấp thường được sử dụng để tránh hiêân tượng phá vỡ vỉa đối với thành hêâ yếu − Tỷ trọng cao được sử dụng thành hêâ có áp suất cao với lượng nước tối thiểu cho phép (17.5 - 18 lb/gal) − Phụ thuôâc vào đôâ mịn của xi măng sử dụng Với đơâ mịn trung bình diêân tích bề măât của xi măng loại A và C thay đổi từ 150 - 220 m2/kg XI MĂNG 12 Vữa xi măng  Chống mất dung dịch − Thành hêâ có tính thấm cao dễ xảy hiêân tượng mất nước, đó làm giảm tỷ số nước/xi măng − Khi đó nếu áp suất bơm lớn áp suất vỡ vỉa đối với những thành hêâ yếu rất dễ xảy hiêân tượng mất t̀n hoàn toàn bơâ nước vào thành hêâ này − Mất nước mang môât phần vâât liêâu xi măng vào tầng sản phẩm, kết quả là làm giảm đôâ thấm lọc của tầng sản phẩm − Lượng nước mất không điều khiển được vữa xi măng nguyên chất trung bình khoảng 800 - 1000 ml/30 phút dưới áp suất 1000 psi Giá trị tối ưu là 100 - 200 ml/30 phút dưới áp suất 1000 psi Chất phụ gia được dùng chủ yếu hiê ên để chống mất dung dịch là polime hữu tổng hợp lỏng và dẫn suất cellulose XI MĂNG 13 Vữa xi măng  Tính lưu biến − Đối với mỡi lưu chất các thơng số về dòng chảy bị chi phối bởi chế đôâ dòng chảy và tính lưu biến của dòng chảy đó Khả vữa xi măng vào các khe nứt, đứt gãy phụ thuôât lớn vào đôâ sêât của nó − Sự thành cơng của quá trình bơm trám xi măng phụ thuôâc nhiều vào viêâc đo và tính toán các thông số lưu biến của vữa xi măng để tối ưu tốc đôâ bơm đẩy và áp suất điều kiêân thiết bị và giếng khoan hiêân có mà vẫn không làm thay đổi tính chất của vữa xi măng theo thiết kế − Được đo bằng nhớt kế tiêu chuẩn FANN 35 hoăâc FANN 50 phòng thí nghiêâm Viêâc sử dụng các chất phụ gia cũng làm thay đổi đôâ nhớt của vữa, ví dụ lignosulfonate có thể làm giảm đôâ nhớt, còn cellulose lại làm tăng đôâ nhớt của vữa XI MĂNG 14 Vữa xi măng  Thời gian đông quánh − Là thời gian tính từ thời điểm bắt đầu bơm vữa ở điều kiêân nhiêât đôâ và áp suất ban đầu đến vữa đạt đến đôâ sêât (khoảng 100 Bc) không còn bơm được nữa − Xi măng thường hoăâc xi măng có phụ gia đều có thể sử dụng ở những điều kiêân nhiêât đôâ và áp suất giếng khác − Để thay đổi thời gian đông quánh có thể thêm vào chất phụ gia nhanh đông hay chââm đông tùy theo từng điều kiêân cụ thể của giếng − Hầu hết vữa trước bơm đều phải được thí nghiêâm ở điều kiêân tương tự điều kiêân giếng khoan − Thời gian đông quánh của vữa thường được thiết kế lớn thời gian cần thiết để bơm trám hay thời gian hoàn tất công viêâc Thời gian này thay đổi khoảng từ môât hay bằng 50% thời gian bơm trám XI MĂNG 15 Tính chất của đá xi măng  Đô ê bền nén  Giá trị đôâ bền nén tối ưu của đá xi măng phải tương đương với đôâ bền của thành hêâ được cách ly  Đá xi măng phải phát triển đôâ bền nén đủ để: − Bảo vêâ ống chống giếng khoan − Chịu được rung đơâng, va chạm quá trình khoan và bắn mở vỉa − Tránh hiêân tượng gây nứt vỡ thành hêâ áp suất thủy tĩnh cao  Đá xi măng đông cứng giếng chịu tác đôâng bởi lực nén ngang áp suất thành hêâ gây và ứng suất kéo trọng lượng của côât ống chống  Độ bền xi măng phải đủ lớn để tạo liên kết giữa ống chống và xi măng để bảo vệ cột ống chống XI MĂNG 16 Tính chất của đá xi măng  Tính cách ly  Đôâ thấm và đôâ bền của liên kết xi măng và ống chống là hai yếu tố ảnh hưởng đến khả cách ly của đá xi măng  Đôâ thấm của xi măng đông cứng thường rất thấp (khoảng 0.01 md) Khi bơm trám xi măng ở những thành hêâ chứa khí có áp suất cao tính cách ly của xi măng đông cứng rất quan trọng (nhất là các khí gây ăn mòn)  Đôâ thấm của xi măng thay đổi tuỳ theo tỷ lêâ nước trôân vữa xi măng Vữa có tỷ trọng thấp thường sử dụng bơm trám qua thành hêâ có đôâ thấm cao  Sự liên kết giữa ống chống và vành đá xi măng không bị ảnh hưởng bởi các phản ứng hoá học bị chi phối bởi các hiêân tượng vâât lý Do co ngót của xi măng suốt quá trình thủy hoá cơâng biến dạng của côât ống chống sẽ tạo các vi khe nứt khoảng không vành xuyến cho phép chất lưu thấm qua Cần sử dụng vành xi măng giãn nở để khắc phục hiêân tượng này XI MĂNG 17 Tính chất của đá xi măng  Sự suy giảm đôô bền ở nhiêôt đôô cao  Ở điều kiêân nhiêât đơâ bình thường, xi măng đơng cứng tiếp tục quá trình thuỷ hoá và phát triển đơâ bền cho đến môât giá trị xác định  Ở nhiêât đôâ lớn 110oF xi măng sẽ đạt được đôâ bền tối đa vài tuần đầu, sau đó đôâ bền này bắt đầu giảm, quá trình này gọi là suy giảm đôâ bền của đá xi măng  Trong môât vài trường hợp, đôâ bền của đá xi măng tiếp tục giảm cho đến bị phá hủy hoàn toàn XI MĂNG 18 Tính chất của đá xi măng  Nguyên nhân gây suy giảm đôâ bền ở nhiêât đôâ cao:  Sự thay đổi cấu trúc của xi măng đã liên kết với nước quá trình thủy hoá và mất nước: môât những thành phần của đá xi măng là calcium-silicate-hydrate ở nhiêât đôâ 250oF bị biến thành alpha-dicalcium- silicate-hydrate Điều này làm tăng đôâ rỗng, vâây tăng mức đôâ nhiễm bẩn và giảm đôâ bền của đá xi măng  Đôâ thấm của đá xi măng tăng lên dẫn đến gia tăng các lỗ rỗng tạo điều kiêân dễ dàng cho quá trình ăn mòn xi măng, làm giảm đơâ bền của xi măng Để hạn chế suy giảm đôâ bền của đá xi măng, xi măng Portland đều sử dụng 30 - 40% silica mịn (silica oxit) Silica này ở nhiêât đơâ cao sẽ ngăn chăân hình thành alpha-dicalcium-silicate, đồng thời làm giảm đôâ thấm của xi măng Thử nghiêâm cho thấy môât loại đá xi măng đôâ thấm sau ngày tăng từ từ 0,1 md ở 90oC lên 4,58 md ở 160oC Viêâc tăng tỉ lêâ nước/xi măng cũng gây suy thoái đôâ bền XI MĂNG 19 Tính chất của đá xi măng  Tính kháng sulfate  Sulfate được xem là chất ăn mòn xi măng nhất Thông thường nước thành hêâ chứa dầu thường chứa magnesium và sodium sulfate Xi măng tiếp xúc với nước sulfate sẽ dần dần bị mềm và phân rã Thời gian tiếp xúc càng lâu và lượng nước sulfate được bổ sung sẽ gây tổn hại và làm xi măng mất dần tính liên kết  Magnesium (Mg) hay sodium sulfate (Na2SO4) phản ứng với vôi xi măng tạo magnesium (Mg(OH)2) hay sodium hydroxit (NaOH) và calcium sulfate (CaSO4) Calcium sulfate phản ứng với C3A tạo thành calcium sulfoaluminate có thể tích lớn lỗ rỗng của C3A làm cho lớp xi măng giãn nở gây áp lực tách lớp xi măng bảo vêâ ống chống  Để tăng tính kháng sulfate cho xi măng, người ta thường giảm lượng C3A có xi măng hay giảm lượng vôi tự xi măng đông cứng bằng cách thêm vào vâât liêâu pozzolan, chất này phản ứng với vôi tạo thêm môât phần vâât liêâu xi măng Ngoài cũng có thể thêm vào xi măng lượng calcium sulfate tương ứng với C3A để tạo thành calcium sulfoaluminate trước vữa xi măng đông cứng Tuy nhiên không có phương pháp nào loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của sulfate mà chỉ hạn chế ở môât mức đôâ nhất định XI MĂNG 20 ... lịch sử trám xi măng giếng dầu  Phân loại  Vữa xi măng  Tính chất của đá xi măng XI MĂNG Sơ lược lịch sử trám xi măng  Sét là vâât liêâu xi măng đầu tiên  Xi măng Portland... giếng XI MĂNG 10 Vữa xi măng  Tính chất của vữa  Tỷ số nước /xi măng − Lượng nước tối thiểu để trôân với xi măng nguyên chất cho đôâ sêât của vữa nhỏ 30 Bc − Tỷ số nước /xi măng. .. lớp xi măng giãn nở gây áp lực tách lớp xi măng bảo vêâ ống chống  Để tăng tính kháng sulfate cho xi măng, người ta thường giảm lượng C3A có xi măng hay giảm lượng vôi tự xi măng