Phát triển các hệ dung dịch khoan gốc nước ức chế trương nở sét cao thi công các giếng khoan sâu

Bài viết Phát triển các hệ dung dịch khoan gốc nước ức chế trương nở sét cao thi công các giếng khoan sâu trình bày cơ chế ức chế sét của hệ dung dịch khoan gốc nước; Thử nghiệm tính năng ổn định và ức chế sét của Protrol.

NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI CƠNG NGHIỆP DẦU KHÍ PHÁT TRIỂN CÁC HỆ DUNG DỊCH KHOAN GỐC NƯỚC ỨC CHẾ TRƯƠNG NỞ SÉT CAO THI CÔNG CÁC GIẾNG KHOAN SÂU Phạm Xn Tồn Viện Dầu khí Việt nam Nguyễn Xn Thảo, Nguyễn Duy Tuấn Viện Công nghệ Khoan Phạm Đăng Sơn Cơng ty DMC WS Email: phamxuantoan@vpi.pvn.vn TĨM TẮT Hệ dung dịch khoan yếu tố quan trọng công tác khoan thăm dị khống sản, đặc biệt giếng khoan sâu thăm dị khai thác dầu khí Các hệ dung dịch khoan gốc nước ức chế sét sử dụng Việt Nam chủ yếu KCL/Polymer, FCL/AKK, KCL/PHPA/Glycol; Glydril; Ultradril… Trong thi công, số hệ dung dịch khoan bộc lộ hạn chế, cần phải nghiên cứu dung dịch khoan gốc nước nước Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu theo hướng Từ khóa: dung dịch khoan, giếng khoan sâu, gốc nước ĐẶT VẤN ĐỀ Trong công tác khoan thăm dị khống sản, việc áp dụng hệ dung dịch khoan phù hợp yếu tố quan trọng đảm bảo rút ngắn thời gian thi công, khoan giếng an tồn đồng thời đảm bảo tính ngun vẹn cho tầng chứa sản phẩm Đặc biệt giếng khoan sâu thăm dị khai thác dầu khí, dung dịch khoan đóng vai trị quan trọng việc thành công giếng khoan kinh tế kỹ thuật Vì vậy, năm qua, có nhiều nghiên cứu hệ dung dịch khoan nhằm giảm cố, phức tạp thi công khoan, tăng hiệu hoạt động giàn khoan, giảm giá thành giếng khoan, đảm bảo an tồn cho cơng tác thử vỉa, gọi dòng sản phẩm…khi khoan qua địa tầng chứa sét trương nở Các hệ dung dịch khoan gốc nước ức chế sét sử dụng Việt Nam chủ yếu KCL/Polymer, FCL/AKK, KCL/ PHPA/Glycol; Glydril; Ultradril… Trong thi công, số hệ dung dịch khoan bộc lộ hạn chế ổn định tính lưu biến, khả chịu nhiệt thấp, độ thải nước cao, khó tách chất rắn PHPA bám vào sàng rung hay tác động ảnh hưởng tới môi trường thành phần chrom hỗn hợp FCL…Trong đó, hệ dung dịch Ultradril hệ dung dịch khoan tiên tiến nghiên cứu phát triển MiSwaco hóa phẩm thay Idcap D, Ultrahib, Ultrafree… kết hợp ức chế hấp phụ ion KCL tăng khả ức chế sét cao giảm bám dính mùn khoan đảm bảo thi cơng an tồn qua tầng sét dày, hoạt tính tránh cố thi công giữ cho thành giếng ổn định không nhiễm bẩn vỉa sản phẩm Đây ứng dụng thành công hệ dung dịch khoan tiên tiến cho hoạt động khoan Việt nam Tuy nhiên, hệ dung dịch Ultradril có giá thành cao hệ dung dịch quyền cung cấp dịch vụ MisWaco Từ yêu cầu thực tế, cán kỹ thuật Việt Nam định hướng nghiên cứu sở tổng hợp ưu chất ức chế kép dạng polyamine với KCL hỗn hợp copolymer tạo đặc tính vượt trội ức chế hoạt tính sét tiếp xúc với dung dịch khoan Các kết nghiên cứu thử nghiệm sở phát triển hệ dung dịch khoan gốc nước ức chế sét cao cho thi cơng giếng khoan sâu qua trầm tích chứa sét hoạt tính NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1.Cơ chế ức chế sét hệ dung dịch khoan gốc nước 2.1.1.Cơ chế ức chế Polyamine Hỗn hợp polyamine muối amine hữu tan hồn tồn nước ức chế CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 65 NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ sét sở gia cố liên kết phiến sét Do lực gốc amine (tâm điện dương) với tâm hoạt động mang điện âm phiến sét, gốc polyamine muối amine nhanh chóng hấp phụ lên bề mặt phiến sét, trung hịa tâm tích điện Bên cạnh đó, phân tử chứa nhiều gốc amine, chúng đóng vai trị cation đa hóa trị, liên kết chặt gia cố bề mặt phiến sét lại với nhau, phân tử nước xâm nhập hydrat hóa tâm điện tích bề mặt phiến sét, chúng làm gia tăng khoảng cách phiến sét, từ hạn chế khả phân tán sét Polyamine molecules H.1 Cơ chế ức chế sét Polyamine 2.1.2 Cơ chế ức chế muối KCl Khi hòa tan vào nước, muối KCl phân ly hồn tồn loại muối điện ly mạnh Ion K+ có kích thước nhỏ (2.66Angxtrom), xâm nhập vào lớp phiến sét Vì hấp phụ thay ion Na+ K+ vĩnh viễn (ion K+ không bị thay ion khác), khoảng khơng gian nội phiến sét bị thu hẹp lại, làm phần tử nước khó xâm nhập sâu vào khe phiến sét này, hạn chế trương nở phiến sét Bên cạnh đó, tâm hoạt động tích điện âm bề mặt phiến sét trung hòa ion K+, chúng khơng cịn khả tương tác với phân tử nước nữa, độ dày vỏ bọc hydrat phiến sét giảm đi, dẫn đến việc phiến sét khó trương nở Ngồi ra, ion Cl- có lực mạnh phân tử nước làm giảm tỷ lệ nước tự dung dịch, làm giảm mức độ xâm nhập vào kẽ sét phần tử nước tự do, hạn chế trình trương nở sét 66 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 H.2 Cơ chế hấp phụ thay ion cation K+ 2.1.3.Cơ chế polyacrylamide ức chế co-polymer Co-polymer polyacrylamide hỗn hợp co-polymer polyacrylamide mạch ngắn ức chế sét theo chế bao bọc Khác với polyacrylamide có mạch dài mang điện tích âm, co-polymer polyacrylamide cationic polymer (polymer dương) với tâm điện tích dương chiếm ưu Do vậy, chúng dễ dàng hấp phụ lên bề mặt phiến sét, đồng thời hấp phụ lên cạnh phiến sét, nơi có tâm điện tích dương âm, che phủ hồn tồn cụm phiến sét ngăn khơng cho nước xâm nhập vào cụm phiến sét qua kẽ phiến sét Liên kết khả che phủ polymer dương tốt nhiều polymer âm, ngăn cản tốt xâm nhập nước tự vào phiến sét Bên cạnh đó, khối lượng phân tử thấp độ dài mạch ngắn, không tạo gia tăng đột ngột độ nhớt, khơng làm khó khăn cho việc tách chất rắn khỏi mùn khoan cố khác gây độ nhớt cao dung dịch + ‐ + + ‐ + + ‐ + ‐ ‐ ‐ + + + ‐ ‐ ‐ H.3 Cơ chế bao bọc sét polyacrylamide 2.2.Thử nghiệm tính ổn định ức chế sét Protrol 2.2.1.Thành phần hệ dung dịch pha chế Thành phần pha chế hệ dung dịch ức chế NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI CƠNG NGHIỆP DẦU KHÍ Bảng Thành phần pha chế hệ dung dịch khoan PROTROL Hóa phẩm Nước biển Soda Ash KCl DV-HIB DV-CAP LV DV-PAC LV DV-HIVIS D DV-CARB F DV-KLAFREE DV-FLO HT DV-CIDE Barite Raw clay HPWBM* Hàm lượng (kg/m3) theo y/cầu 0,5 100 30 10 3,5 20 10 1,5 100 10 Hóa phẩm Nước biển Soda Ash KCl Ultrahib Ultracap MI PAC UL Duovis plus CaCO3 F Ultrafree Dualflo HT Safe-cide Barite Raw clay KCl/Glycol Hàm lượng (kg/m3) theo y/cầu 0,5 100 35 10 3,5 20 10 1,5 100 10 Hàm lượng (kg/m3) theo y/cầu 0,8 100 45 10 20 1,5 100 10 Hóa phẩm Nước biển Soda Ash KCl Glydril MC ID Cap D MI PAC UL Duovis CaCO3 F NaOH Dualflo HT Biosafe Barite Raw clay HPWBM* hệ dung dịch khoan gốc nước ức chế sét cao nhà thầu nước sét sử dụng Việt Nam, hóa phẩm có tính tương tự sử dụng sát với nồng độ thực tế để đánh giá khả ức chế sét, tính chịu nhiệt, khả thu hồi mùn khoan… khác trình bày Bảng Các thông số dung dịch khoan đánh giá điều kiện nhiệt độ phòng nhiệt độ sau nung điều kiện 120 ºC nung 16 Các thơng số trình bày Bảng Các thông số đo cho thấy rằng, hệ dung dịch khoan polymer phi sét có tính chất lưu biến ổn định, bền nhiệt đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thi công giếng khoan sâu 2.2.2 Chuẩn bị mẫu sét Mẫu sét để thử nghiệm sét API hoạt hóa có độ trương nở cao nén 6000psi (408 at) tương đương với điều kiện nén đất đá độ sâu 3.500 m với cột áp suất thủy tĩnh dung dịch 1,2g/ cm3 Đây độ sâu thường gặp địa tầng có chứa sét hoạt tính thường xuyên xảy cố ổn định thành thành giếng khoan trương nở, sập nở, biến dạng thành giếng khoan q trình thi cơng khoan thềm lục địa Việt nam Đối với mẫu mùn khoan (cutting) sau nén ép mẫu sét đập nhỏ thành hạt với kích thước giới hạn lọt qua sàng mesh nằm Bảng Thông số dung dịch khoan thử nghiệm Thông số PROTROL HPWBM KCl/Glycol Trước nung Sau nung Trước nung Sau nung Trước nung Sau nung PV, cPs 24 26 27 24 25 22 YP, lb/100ft2 31 32 30 34 32 30 10’’ Gel,lb/100ft2 9 8 10’ Gel, lb/100ft2 11 12 12 13 10 14 6RPM, cPs 12 11 10 10 API FL,ml 3,4 3,5 3,2 3,6 3.4 HTHP FL,ml 12,8 11,4 12,6 11,0 13,0 11,6 pH 9,9 9,7 9,7 9,5 9,2 8,4 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 67 NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ sàng 20 mesh (gần tương đồng với kích thước mùn khoan) Sau đó, cân 10g cho vào 200ml hệ dung dịch thử nghiệm với thành phần, hàm lượng tính chất dung dịch trình bày Bảng 1, chuyển qua lò nung quay với nhiệt độ 120oC vịng 16 phẩm có chức ức chế kép để pha chế hệ dung dịch khoan PROTROL có hiệu rõ rệt Sau nung, hệ số trương nở Protrol 15,8% (hình H.3) so với hai hệ dung dịch sử dụng phổ biến HPWBM KCL/Glycol tương ứng 16,8% (hình 1) 22% (hình H.2) 2.2.3 Kết thử nghiệm độ trương nở sét 2.2.4.Kết thử nghiệm khả thu hồi mùn khoan Một phương pháp để đánh giá khả ức chế hệ dung dịch khoan thử nghiệm khả thu hồi mùn khoan Mùn khoan lấy từ mẫu lõi khoan thu hồi từ thực tế gia công mẫu sét nén ép tạo thành mẫu cutting có kích thước, hình dạng khác Mẫu mùn khoan chuẩn bị cho thử nghiệm đề cập phần chuẩn bị mẫu cutting H.1 Biểu đồ trương nở thời gian sét dung dịch HPWBM H.2 Biểu đồ trương nở thời gian sét dung dịch KCL/Glycol H.3 Biểu đồ trương nở thời gian sét dung dịch PROTROL Kết thử nghiệm rằng, điều kiện thử nghiệm, số từ Swell Meter cho kết khả quan sử dụng hóa 68 CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 a) b) với hệ dung dịch KCL/Glycol c) d) H.4 Mẫu mùn khoan thử nghiệm a) Làm từ sét; b) với hệ dung dich KCL/Glycol; c) với dung dịch khoan HPWBM; d) với hệ dung dịch khoan Protrol Sau thử nghiệm khả thu hồi mùn khoan hệ dung dịch khoan cho thấy hệ dung dịch khoan protrol có hệ số thu hồi mùn khoan cao 90,23% (hình H.4.c) tương đương với hệ dung dịch khoan tiên tiến HPWBM mà nhà thầu nước áp dụng cho giếng khoan Việt nam với khả thu hồi mùn khoan 89,07% (hình 4.b) Việc sử dụng hóa phẩm có tác dụng ức chế kép phản ánh rõ nét qua thử nghiệm bảo tồn hạt mùn khơng bị hịa tan hay trương nở tiếp xúc với dung dịch Cơ chế ức chế sét sở gia cố liên kết phiến sét, bao bọc ngăn cản tốt xâm nhập nước tự vào phiến sét phát huy hiệu so với dung dịch KCL/ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI CƠNG NGHIỆP DẦU KHÍ H.5 Thử nghiệm nhiễm bẩn xi măng dung dịch protrol Glycol với tỷ lệ thu hồi mùn khoan đạt 73,17% (hình H.4.a) 2.2.5.Kết thử nghiệm nhiễm bẩn xi măng Trong q trình thi cơng khoan, dung dịch khoan nhiễm bẩn làm thay đổi tính chất lưu biến dung dịch làm giảm đáng kể khả tuần hoàn vận chuyển mùn khoan Đặc biệt bị nhiễm bẩn xi măng (do khoan phá cầu xi măng) Để thử nghiệm khả trì thơng số dung dịch bị nhiễm bẩn ppb xi măng G cho vào dung dịch Protrol để thử nghiệm Kết hình H.5 cho thấy thông số lưu biến độ nhớt dẻo, Yield point, Gel 10/10 trì tốt đảm bảo yêu cầu cho thi công Ngay độ thải nước nhiệt độ phòng (API FL) sau nung (HTHP FL) trì ổn định, điều cho thấy Protrol thực đáp ứng yêu cầu thi công giếng khoan sâu với khả ức chế sét cao KẾT LUẬN Việc nghiên cứu hệ dung dịch khoan gốc nước ức chế sét cao dựa sở lựa chọn hệ hóa phẩm có chức ức chế kép định hướng cho việc phát triển hệ dung dịch khoan gốc nước tiên tiến Các thử nghiệm hệ dung dịch Protrol bước đột phá nghiên cứu cho thấy Protrol hoàn tồn đáp ứng u cầu thi cơng khoan, với chức ức chế sét tốt nhằm hạn chế cố thi công giếng khoan sâu Việt Namr TÀI LIỆU THAM KHẢO H C H Darley, George R Gray (1988), Composition and Properties of Drilling and Completion Fluids, Fifth Edition by Gulf Publishing Company Phạm Đăng Sơn, Nguyễn Mạnh Hùng, Thái Hồng Chương, Phạm Xuân Toàn (2012), Nghiên cứu phát triển hệ dung dịch khoan ức chế trương nở sét cao Klatrol Tạp chí Dầu khí số 4, Hà Nội Dowell Drilling (1999), Fluids Manual Drilling Fluids (2006), Handbook MI Swaco Drilling Fluids Manual Amoco Production Company Drilling Fluids Product Data Manual Dowell Drilling Fluids, 2005 Fluids Fact Engineering handbook Baker Hughes INTEQ CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 69 CƠNG NGHIỆP DẦU KHÍ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI King et al.: Method of aerating drilling fluid US Patent, 1993 KMC Oiltools Drilling Fluids Operation Manual, Ver 2.0 Scomi Oiltools, 2008 10 Smith et al.: Method of treating shale and clay in hydrocarbon formation drilling US Patent, 1997 11 Specification for drilling fluid materials, 13A, 1993 12 US Patent No 5607902: Method of Treating Shale and Clay in Hydrocarbon Formation Drilling 13 Иструкция по технологии приготовления и обработки буровых растворов с применением морской воды при бурении скважин нa месторождениях СП “Вьетсовпетро” (Hướng dẫn công nghệ điều chế xử lý dung dịch sử dụng nước biển cho khoan giếng khoan mỏ XNLD)- BCΠ, 2005 DEVELOPMENT OF WATER-BASED DRILLING FLUID WITH HIGHTLY SWELLING-INHIBITING CLAY FOR THE DRILLING DEEP WELLS Pham Xuan Toan, Nguyen Xuan Thao, Nguyen Duy Tuan, Pham Dang Son ABSTRACT Drilling mortar is an important factor in mineral exploration drilling, especially for deep wells for exploration and exploitation of oil and gas The clay-inhibiting water-based drilling mortar that have been used in Vietnam are mainly KCL/Polymer, FCL/AKK, KCL/PHPA/Glycol; Glydril; Ultradril… In construction, some of the above drilling fluid systems have revealed limitations, it is necessary to study water-based drilling fluids in the country This paper introduces the research results in this direction Keywords: drilling fluid, deep well, water-based Ngày nhận bài: 25/8/2020; Ngày gửi phản biện: 05/9/2020; Ngày nhận phản biện: 15/11/2020; Ngày chấp nhận đăng bài: 18/11/2021 Từ khóa: dung dịch khoan, dung dịch khoan gốc nước, khoan sâu Trách nhiệm pháp lý tác giả báo: Các tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm số liệu, nội dung công bố báo theo Luật Báo chí Việt Nam 70 CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2021 ... cứu hệ dung dịch khoan gốc nước ức chế sét cao dựa sở lựa chọn hệ hóa phẩm có chức ức chế kép định hướng cho việc phát triển hệ dung dịch khoan gốc nước tiên tiến Các thử nghiệm hệ dung dịch. .. Mẫu mùn khoan thử nghiệm a) Làm từ sét; b) với hệ dung dich KCL/Glycol; c) với dung dịch khoan HPWBM; d) với hệ dung dịch khoan Protrol Sau thử nghiệm khả thu hồi mùn khoan hệ dung dịch khoan cho... khoan cho thấy hệ dung dịch khoan protrol có hệ số thu hồi mùn khoan cao 90,23% (hình H.4.c) tương đương với hệ dung dịch khoan tiên tiến HPWBM mà nhà thầu nước áp dụng cho giếng khoan Việt nam