SO 11 2013 NGAY indd THĂM DÒ KHAI THÁC DẦU KHÍ 28 DẦU KHÍ SỐ 11/2013 1 Yêu cầu đối với xi măng sử dụng trong vùng nước sâu Trong công tác thi công tại khu vực nước sâu, chất lượng trám xi măng là yếu[.]
THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VỮA XI MĂNG TRÁM GIẾNG KHOAN KHAI THÁC DẦU KHÍ VÙNG NƯỚC SÂU TS Phạm Quang Hiệu Bộ Cơng Thương Tóm tắt Hiện nay, hoạt động thi cơng khoan vùng nước sâu (như Bắc Tây Na Uy, Tây Shetland, vịnh Mexico, Đông Venezuela dải biển Tây Nam Mỹ) với chiều sâu nước biển lên đến hàng nghìn mét, chi phí giếng khoan tăng cao, tiềm ẩn nhiều rủi ro, thách thức cơng tác thi cơng khoan Vì vậy, vấn đề cấp bách đặt cho việc thiết kế thi công giếng khoan vùng nước sâu phải giảm thiểu thời gian khoan, tối ưu hóa q trình thi cơng giếng giếng đảm bảo kỹ thuật Bài viết nghiên cứu vấn đề lựa chọn vữa xi măng - giải pháp công nghệ - kỹ thuật quan trọng để nâng cao hiệu công tác gia cố giếng vùng nước sâu Yêu cầu xi măng sử dụng vùng nước sâu Trong công tác thi công khu vực nước sâu, chất lượng trám xi măng yếu tố quan trọng để khoan thành công đến chiều sâu thiết kế Đặc biệt công đoạn đầu tiên, điều kiện nhiệt độ gần với điều kiện nhiệt độ đóng băng với phức tạp tập cát chảy, hệ số mở rộng thành giếng lớn hay tuần hoàn dung dịch Khi trám xi măng qua địa tầng có dịng chảy nông, xi măng sử dụng phải đạt yêu cầu: có khả làm kín thủy lực bên ngồi ống chống, không cho phép chất lỏng di chuyển, đặc biệt tập muối chảy; tạo vững cho cột ống chống, chống uốn cong ăn mòn; khơng gây vỡ vỉa q trình trám; độ bền đá xi măng phải cao Để đáp ứng yêu cầu trên, vữa xi măng cần có đặc tính sau: có khả kiểm sốt áp suất thủy tĩnh, thời gian chuyển tiếp ngắn, phản ứng tỏa nhiệt tốt, đông kết nhiệt độ thấp, cường độ nén đủ lớn, hiệu bơm đẩy tốt, dễ dàng điều chỉnh thiết kế, độ kín thời gian lâu dài, khả điều chỉnh độ thải nước nước tự tốt ngắn cách: (a) Thêm hóa phẩm làm tăng tốc độ đơng kết, (b) Tăng diện tích bề mặt xi măng, (c) Sử dụng loại xi măng chuyên dụng; (d) Hoặc sử dụng kết hợp cách Xi măng HAC (thuộc loại Portland, có hàm lượng aluminate cao có thành phần hóa phẩm khác với xi măng Portland) thường sử dụng điều kiện nhiệt độ thấp HAC loại xi măng sử dụng cho trám xi măng công đoạn có nhiệt độ điều kiện đóng băng, sau loại xi măng Portland hỗn hợp đưa vào sử dụng HAC có giá thành cao có độ đông kết nhiệt độ, bị cố độ bền Hỗn hợp xi măng HAC Portland sử dụng cho điều kiện nhiệt độ thấp để cải thiện nhược điểm [1, 2, 3] Khi rút ngắn thời gian đông kết, khó đạt thời gian bơm trám để không ảnh hưởng tới cường độ nén thời gian đông kết vữa bơm trám xong Do vậy, thiết kế xi măng cho công Đối với công đoạn trám sâu hơn, công tác trám xi măng chủ yếu tập trung giải vấn đề tuần hồn, khí xâm nhập thả thành công thiết bị trám xi măng [1, 2, 3] Trong điều kiện nhiệt độ thấp, thời gian đông kết xi măng rút 28 DẦU KHÍ - SỐ 11/2013 Hình Cấu trúc xi măng thường Hình Cấu trúc xi măng CemCRETE PETROVIETNAM đoạn ban đầu giếng khoan nước sâu, cần đánh giá thông số: 1.1 Nhiệt độ Đạt chất lượng xi măng tốt điều kiện nhiệt độ thấp tiêu chí thiết kế vữa xi măng giếng khoan nước sâu Đáy biển vịnh Mexico có nhiệt độ thấp khoảng 35oF nhiệt độ tuần hoàn đáy giếng lên 70 - 75oF ống chống ban đầu Tuy nhiên, nhiệt độ xuống thấp đơng kết sớm xi măng trở thành rủi ro Thời gian đông kết thiết kế dựa vào thời gian để trám xi măng chế độ nhiệt độ Điều kiện nhiệt độ trám xi măng cho công đoạn đầu giống với tầng đất đóng băng vĩnh cửu Bắc Cực cận Bắc Cực Ở hai môi trường này, vữa xi măng trộn bơm nhiệt độ cao nhiệt độ tĩnh địa tầng mà xi măng trám qua 1.2 Độ ổn định vữa xi măng hàm lượng nước tự Nhìn chung cơng đoạn đầu, vữa xi măng phù hợp lắng đọng cặn nhỏ khơng có lượng nước tự Tuy nhiên, lượng nước tự tồn nhiều dạng xi măng nhẹ Việc kiểm soát lượng nước tự quan trọng theo điều kiện dòng chảy, nước tách từ vữa xi măng tạo dòng chảy vào chảy qua xi măng Hàm lượng nước tự tối đa cho phép loại vữa xi măng 0,5% theo thể tích (1,25ml cột vữa xi măng 250ml) 1.3 Cường độ nén Sự phát triển cường độ nén xi măng tác động đến khả chống lại dòng chảy xâm nhập từ vỉa Đặc tính phát triển cường độ gel xi măng khơng phải dạng bọt nhìn chung quan trọng so với xi măng dạng bọt Như vậy, xi măng dạng bọt, việc tăng khả nén mang lại hiệu phát triển cường độ gel (đặc biệt trình kiểm sốt dịng chảy xâm nhập) u cầu cường độ nén xi măng phải có giá trị đủ lớn, thường đạt 500psi sau 24 1.4 Độ thải nước Độ thải nước phải thiết kế theo điều kiện đáy giếng Các tiêu chí sau nên áp dụng cho việc thiết kế độ thải nước: 0,20 0,14 - Trong trường hợp có dịng chảy nơng cần kiểm sốt độ thải nước; Độ thấm 0,10 (MD) - Trong trường hợp có dịng chảy tuần hồn, việc kiểm soát độ thải nước cần trọng để giảm ảnh hưởng đến chất lượng xi măng chất lỏng xâm nhập áp dụng biện pháp kiểm soát giảm bớt dòng chảy; 0,05 Xi măng nhẹ loại mở rộng Xi măng loại G (15,8ppg) CemCRETE - Trong trường hợp khơng có dịng chảy, mức độ kiểm sốt độ thải nước giảm nhẹ nhằm giảm giá thành, phức tạp đơn pha chế trình trộn Hình Độ thấm số loại xi măng 6000 CemCRETE 18,0ppg 5000 4000 Cường độ phát triển (psi) 3000 Xi măng loại G 15,0ppg 2000 1000 CemCRETE 12,0ppg 12 Thời gian (giờ) Hình Cường độ nén số loại xi măng 24 Khi lượng nước tự tách khỏi xi măng vào vỉa tỷ trọng vữa xi măng tăng, làm cho lỗ bị bịt kín tạo dải lắng đọng Theo tiêu chuẩn API với độ thải nước < 50cm3/30 phút giải vấn đề Việc kiểm soát độ thải nước vữa xi măng dạng không bọt cần trọng xi măng dạng bọt Các hóa phẩm thường sử dụng để điều chỉnh độ thải nước cho xi măng loại A Halad 344 (Halliburton), D-500 Gasblok LT (SLB), D-300 (SLB) DẦU KHÍ - SỐ 11/2013 29 THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ 1.5 Thời gian chuyển tiếp thời gian tạo gel thấy thời gian chuyển tiếp lý tưởng điều kiện nước sâu thường 30 phút tỷ trọng vữa xi măng tối ưu thông thường từ 10,5 - 13,0ppg Đây đặc tính LFS [1, 2, 3] Thời gian chuyển tiếp thời gian tạo gel thời gian tới hạn dạng lỏng dạng có độ đặc cao trạng thái đông kết xi măng Ở trạng thái này, cột xi măng không ảnh hưởng đến việc truyền áp suất thủy tĩnh, xuất dòng chảy vào chảy qua cột xi măng Khi đó, thời gian chuyển tiếp cần phải rút ngắn, xi măng dạng không bọt Vì vậy, cần phải tăng tỷ trọng xi măng, sử dụng hóa phẩm chống chất lỏng xâm nhập, thêm hóa phẩm để làm thay đổi cường độ gel Việc nghiên cứu ứng dụng xi măng công nghệ bơm trám sử dụng cho vùng nước sâu có thành công định việc đưa vào ứng dụng giảm giá thành, cụ thể như: Ứng dụng vữa xi măng nhẹ dạng bọt; Cơng nghệ kiểm sốt dung dịch làm giảm độ thải nước, thời gian chuyển tiếp, tạo dung dịch xi măng có tỷ trọng thích hợp với áp suất vỉa áp suất vỡ vỉa; Linh hoạt thiết kế khoan trường giảm thời gian phịng thí nghiệm giảm thiểu chi phí sử dụng giàn khoan 1.6 Thời gian tạo gel Thời gian tạo gel thời gian trôi qua cuối dịng chảy (xi măng đặt ngồi khoảng không vành xuyến) điểm vữa xi măng phát triển đến cường độ gel 100lbs/100ft2 Thời gian tạo gel ngắn với thời gian chuyển tiếp ngắn thường áp dụng điều kiện có dịng chảy tuần hoàn Thời gian tạo gel ngắn cho phép xi măng nhanh chóng cản trở dịng chảy vào vỉa (vùng dung dịch) giảm thiểu dòng chảy từ vỉa vào chảy qua cột xi măng [1, 3, 4, 5] 2.1 Xi măng dạng bọt Kỹ thuật xi măng dạng bọt ứng dụng 20 năm qua để giải tượng tuần hoàn mức độ cao Loại xi măng ban đầu sử dụng cho giếng đất liền, sau mở rộng giếng ngồi khơi, đặc biệt ứng dụng nhiều cho hoạt động khoan vùng nước sâu vịnh Mexico Một số điều kiện giãn nở gây tượng biến dạng lịng giếng tạo ứng suất giới hạn lên vỏ xi măng, khiến xi măng thông thường bị gãy chiều dọc xuyên tâm, dẫn tới giảm liên kết xi măng với cột địa tầng ống chống Điều ảnh hưởng nghiêm trọng đến trình khai thác, giếng bị hư hại chi phí cho sửa chữa xi măng tăng cao; gây nguy hiểm cho người, giàn, thiết bị, môi trường Thực tế cho thấy, nguy hiểm thường xảy khí hình thành tích tụ khoảng không vành xuyến ống chống Lựa chọn vữa xi măng phù hợp với điều kiện thi công vùng nước sâu Khi ngành công nghiệp dầu khí mở rộng cơng tác thăm dị khai thác đến vùng nước sâu Tuy nhiên, điều kiện thi công phức tạp, nhiệt độ môi trường thấp khiến thời gian chuyển tiếp xi măng kéo dài, ảnh hưởng không tốt đến chất lượng xi măng trám vùng nước sâu, chất lưu có thời gian xâm nhập vào khoảng không vành xuyến làm hư hại vỏ xi măng Do đó, Các nguyên nhân khiến xi măng bị hư hỏng: chất cần tiếp tục nghiên cứu để kiểm soát rủi ro, ngăn ngừa lỏng nhiệt độ cao ép vào giếng chất lỏng sản vỡ vỉa công đoạn khoan nông, vùng đất đá gắn kết bở rời; đồng thời cải tiến kỹ thuật, thiết bị trám phẩm từ giếng có nhiệt độ cao làm tăng nhiệt độ tối xi măng phát triển thiết bị đặc biệt Một số sản thiểu so với nhiệt độ đông kết ban đầu; áp suất cao phẩm đáp ứng giải pháp trám xi măng điều nhiệt độ tạo trình tác động đến ống chống kiện nước sâu tiếp tục nghiên cứu loại xi măng dạng bọt, chất bịt kín Độ rỗng 77% Xi măng nhẹ loại mở rộng linh hoạt, chất đàn hồi xi măng loại tổng hợp 12,5ppg dạng đàn hồi Hiện tại, số nhà điều hành sử dụng xi măng dạng bọt - nitơ (nitrogen - foamed) để giảm áp suất nơi có vỉa yếu thêm xi măng có phản ứng cao (như hỗn hợp siêu mịn) nhằm tăng tốc độ hydrate hóa, đặc biệt nhiệt độ từ 40 - 60oF Đồng thời, số thí nghiệm cho 30 DẦU KHÍ - SỐ 11/2013 15,8ppg loại G Độ rỗng 59% 15,8ppg CemCRETE Độ rỗng 40% 10 - 14ppg 10 12 Nước trộn (gal/sack) 14 Hình Tỷ lệ nước trộn số loại xi măng 16 18 PETROVIETNAM (như thử áp suất, bắn đục lỗ ống chống…) làm cho ống chống giãn nở, làm nứt xi măng Giãn nở nhiệt chất lỏng tích tụ vỏ xi măng lực bên tạo tác động lên vỏ xi măng (do áp lực đè nặng thay đổi địa tầng) nguyên nhân dẫn đến xi măng bị hỏng… Thực tế dẫn đến phát triển loại vữa xi măng pha với chất tạo bọt khí nitơ khí trơ khác Loại vữa xi măng kiểm tra qua thí nghiệm phịng trường tính đàn hồi, cường độ nén Kết thí nghiệm cho thấy thành phần bọt ngăn chặn lan truyền áp suất lớn 1.000psi nhiệt độ 300oF Điều kiện xảy 60% theo thể tích dung dịch khoan nước chất lượng bọt xi măng khoảng: 25 - 38% Xi măng dạng bọt gồm thành phần: vữa xi măng, tác nhân gây bọt hàm lượng khí Hỗn hợp pha trộn thành phần hợp lý tạo tính ổn định, xi măng nhẹ với màu kem xám Do cấp độ áp suất, tốc độ thể tích khí liên quan thuận tiện thiết bị bơm nitơ loại khí thường sử dụng Cường độ nén (psi) 3000 2500 2000 1500 1000 500 10 11 Tỷ trọng vữa (ppg) 12 13 Độ thấm (mD) So với xi măng thơng thường, xi măng dạng bọt giảm tỷ trọng xuống 4ppg với tính ổn định cao Việc điều chỉnh hàm lượng nước, nitơ làm cho vữa xi măng có hàm lượng chất rắn thay đổi theo Do đó, cung cấp tỷ lệ cường độ tỷ trọng để phù hợp với áp suất vỡ vỉa, tuần hồn việc trám xi măng dự phịng Áp suất bọt khí, độ co ngót q trình hydrate ổn định tăng tính dẻo thơng qua phân tán lực tác dụng Do đó, xi măng dạng bọt ngăn phá vỡ trình đục lỗ dị tật gây gia tải theo chu kỳ Các túi khí ổn định cách ly thân giếng cách lấp đầy xi măng với độ dẫn nhiệt tương đối thấp, giảm thiểu tổn thất nhiệt không mong muốn ứng dụng phun ngăn ngừa ngưng đọng paraffin Foamed cement Có khả ngăn cản giãn nở áp suất LiteCRETE cement trình hydrate, nâng cao tính dẻo gắn kết xi măng với ống chống, xi măng với địa tầng, góp phần vào cách ly với tuổi thọ dài xi măng dạng bọt 3500 Để thực trộn vữa xi măng bọt theo quy trình, thơng thường máy khuấy trộn Khi vữa xi măng bơm xuống giếng, tác nhân tạo bọt ổn định đưa vào thông qua cửa hút máy bơm Máy bơm tia áp suất dùng để trộn hỗn hợp thông qua máy tạo bọt tạo ổn định bọt Đồng thời, người ta tiếp tục theo dõi điều khiển tốc độ bơm thông số vữa xi măng, tạo bọt nitơ để đảm bảo tỷ lệ Vữa xi măng bọt dễ dàng tạo với nhiệt độ lên tới 600oF cho ứng dụng địa nhiệt Vữa xi măng ln thay đổi để phù hợp với điều kiện giếng thông qua việc hiệu chỉnh đơn giản hàm lượng nitơ với chi phí 1/3 chi phí xử lý polymer Xi măng dạng bọt dùng để trợ giúp công việc trám xi măng thông thường sửa chữa xi măng giếng khoan đất liền biển, giếng thẳng đứng giếng ngang Loại xi măng dùng bơm ép xi măng đặt nút xi măng nơi có điều kiện áp suất vỡ vỉa thấp 2.2 Chất bịt kín linh hoạt (flexible sealant) -1 -2 -3 -4 10 11 Tỷ trọng vữa (ppg) 12 13 Hình So sánh cường độ nén độ thấm loại xi măng Hiện tượng tuần hoàn dung dịch bị ép toàn vào vỉa trình khoan hồn thiện làm giảm hiệu sử dụng dung dịch; gián đoạn hoạt động khoan tăng chi phí thi cơng Một số loại vật liệu phát triển ngành công nghiệp dầu khí để giải vấn đề này, có DFS (chất bịt kín linh hoạt lịng giếng) DẦU KHÍ - SỐ 11/2013 31 THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ DFS thiết kế với mục đích nhanh chóng ngăn chặn tượng tuần hồn địa tầng nứt nẻ tự nhiên, kênh rãnh vùng yếu vùng áp lực cao tạo dòng chảy ngang dòng phun trào ngầm DFS sử dụng với nhiều loại dung dịch chất lưu vỉa khác nhau; ngăn cách nhiều vùng yếu công đoạn xử lý; tăng khả bơm qua khoan cụ; giảm thời gian chờ; kiểm sốt dịng phun trào ngầm; tăng tính tồn vẹn vỉa cho phép sử dụng dung dịch nặng hơn; trì linh động, độ kín vùng dung dịch Với ba hệ thống dung dịch khác nhau, DFS cung cấp tính linh hoạt cho phép sử dụng ứng dụng theo yêu cầu Việc lựa chọn hệ dung dịch hợp lý xác định vấn đề tuần hoàn, loại dung dịch, đặc tính khác liên quan đến mơi trường Do phản ứng đặc tính vật liệu DFS, phải sử dụng chất đệm tương thích bơm đầu cuối vữa xi măng - Liên quan tới độ mặn độ pH, hệ chất dẻo làm kín gốc dầu phản ứng nhanh trộn với dung dịch khoan gốc nước, dung dịch hoàn thiện dung dịch khoan vào vỉa (DFS-W) DFS-W tạo công thức từ Kerosene, dầu diesel, ester, dầu mỏ dầu tổng hợp, cần thêm cường độ trộn thêm xi măng vào hệ - Hệ chất dẻo làm kín gốc nước, phản ứng sâu trộn với dung dịch khoan gốc dầu hệ nhũ tương dầu nghịch, hệ dung dịch dầu tổng hợp dung dịch gốc ester (DFS-OBM) Dung dịch gốc dầu ổn định nhiệt độ đáy giếng tuần hoàn tới 300oF nhiễm bẩn xi măng không xảy Việc thêm chất ổn định chất hoạt tính bề mặt làm tăng 3500 phạm vi hoạt động lên tới 415oF Khi nhà điều hành South Texas phát tiềm khai thác mỏ Country, đội khoan khoan 32 DẦU KHÍ - SỐ 11/2013 2.3 Xi măng dẻo (elastometic cement) Trong trình bơm ép CO2 vào mỏ để nâng cao hiệu khai thác, số vùng bể Permian (Bắc Mỹ) xuất hiện tượng ngập khí CO2 nhiều năm Một nhà điều hành lớn khu vực cho biết trình bơm ép, phần khí CO2 vào vùng bị dung dịch Vỏ bọc xi măng Portland bị phân hủy phản ứng CO2 với nước vỉa, tạo acid carbon CaCO3 hòa tan vào hỗn hợp nước acid lặp lại trình bơm ép chất lỏng phân hủy CaCO3, tạo vùng cách ly bị dung dịch Xi măng đàn hồi sử dụng trường hợp phía Nam Utah Do hệ đàn hồi ngăn cản xâm nhập CO2, hệ thành công việc cách ly vùng dung dịch năm, nơi mà việc bơm ép xi măng thơng thường bị thất bại sau tuần xử lý DeepCRETE 12,5lbm/gal 3000 Cường độ nén (psi) - Việc trộn chất dẻo phản ứng làm kín với chất lỏng hoạt hóa gốc nước tạo hoạt động phản ứng lòng giếng với hệ dung dịch gốc nước Hệ khuyến cáo sử dụng cho vỉa mềm, bở rời, yêu cầu tính dẻo cao, vật liệu cao su làm kín vùng có khí khơ chảy qua Đồng thời, tốt cho khu vực cần bảo vệ môi trường với việc sử dụng dung dịch không gốc nước vùng dung dịch với khí khơ tự nhiên chảy qua xa địa tầng Queen City (thường gặp tượng dung dịch) Sau tốn nhiều thời gian chi phí cho phương pháp xử lý dung dịch thông thường mà không thành công, nhà điều hành sử dụng vật liệu dẻo làm kín (DFS) Vật liệu cho phép nhà điều hành khoan tới vị trí chống ống 2.000ft vùng yếu Queen City mà không bị dung dịch Khơng có hệ khác làm kín địa tầng Queen City với xử lý đơn Hoạt động DFS tiết kiệm chi phí liên quan tới hoạt động hủy giếng, chi phí chuẩn bị chi phí khoan đến chiều sâu cho chống ống trung gian chi phí khoan giếng khoan khác để đánh giá tiềm phát triển [1, 3, 5, 6] Loại G 15,8lbm/gal 2500 2000 1500 1000 500 0 10 Thời gian (giờ) 11 12 Hình So sánh cường độ phát triển xi măng DeepCRETE xi măng G 13 PETROVIETNAM 2.4 Hệ chất dẻo tổng hợp (resin system) Đối với địa tầng có độ thấm cao, ứng suất giảm liên kết thấp Hiện tượng đặc biệt phổ biến hoàn thiện giếng đa thân ngồi khơi, nơi mà cơng việc khoan làm cân lực vỉa làm tăng ứng suất bóp méo cuối ống chống có xi măng trám qua Khi vữa xi măng thơng thường bơm xuống, áp suất thủy tĩnh vượt áp suất vỡ vỉa, xảy tượng xi măng vào vỉa Trong trường hợp đó, xi măng nhẹ thường sử dụng để khắc phục tượng Tuy nhiên, số vùng có áp suất vỡ vỉa thấp nên việc áp dụng xi măng nhẹ gặp khó khăn Khi đó, hệ chất dẻo tổng hợp sử dụng để làm tăng áp suất vỡ vỉa địa tầng Sự biến đổi cho phép nhà điều hành trám xi măng thơng thường mà không xảy vỡ thành hệ tuần hoàn 2.5 Vữa xi măng CemCRETE Trong điều kiện áp suất nhiệt độ cao, vữa xi măng CemCRETE trám áp suất tuần hồn thấp tốc độ cao Vữa xi măng cho giếng dầu yêu cầu nước để trộn bơm Lượng nước cần cho vữa trạng thái lỏng lớn nhiều so với lượng nước tối ưu để xi măng đơng kết Cơng nghệ vữa xi măng CemCRETE tối ưu hóa thành phần vữa xi măng tạo chất lượng xi măng tốt Công nghệ làm tăng hàm lượng chất rắn vữa cách sử dụng cơng nghệ xếp kích cỡ hạt Các hạt nhỏ lấp đầy khoảng trống hạt lớn, kết vữa xi măng sử dụng nước CemCRETE thiết kế xi măng cho ống chống khai thác, tạo cột xi măng dài nhẹ hơn, ống chống chống sâu mà khơng xảy tượng tuần hoàn CemCRETE dùng nước trộn bơm Ngay vữa xi măng bơm trám vào vị trí cần thiết, chất lượng xi măng tốt hơn, tuổi thọ kéo dài so với xi măng thơng thường CemCRETE có hàm lượng chất rắn lớn nên có cường độ cao, tăng khả đâm xuyên vữa xi măng giảm áp suất bơm đẩy can thiệp vào bơm ép xi măng, giảm độ thấm xi măng có khả chống ăn mịn cao xi măng thơng thường 2.6 Vữa xi măng tỷ trọng thấp LiteCRETE Khi trám qua đoạn vỉa yếu, vữa xi măng khó trám đủ chiều cao xi măng bên ống chống mà khơng sử dụng vữa xi măng có tỷ trọng thấp áp dụng phương pháp trám phân tầng Vữa xi măng có tỷ trọng thấp LiteCRETE có chức giống xi măng thông thường nên loại trừ khó khăn cho phép chống ống sâu hơn, không cần sử dụng nhiều cấp ống chống Ứng dụng hệ vữa xi măng này: - Trám qua địa tầng yếu với chất lượng xi măng cao; - Tỷ trọng vữa xi măng thấp xuống cịn 7,5ppg; - Có khả thay phương pháp trám phân tầng, thay xi măng dạng bọt; - Dùng để trám qua tầng vỉa sản phẩm, nút xi măng khoan xiên (kickoff ) Hệ vữa xi măng thuộc họ CemCRETE, cho phép thiết kế lại cấp ống chống so với xi măng thơng thường; trộn với tỷ trọng từ 7,5 - 13ppg trám qua địa tầng yếu Ngay sau bơm trám xong, vữa xi măng LiteCRETE có cường độ nén độ thấm tốt nhiều so với loại xi măng nhẹ thơng thường khác chí so sánh với vữa xi măng có tỷ trọng lên tới 15,8ppg 500 Xi măng thường DensCRETE Áp suất ma sát (lbf/1000ft) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Tốc độ bơm (bbl/min) Hình So sánh xi măng thường DensCRETE Với chức giống vữa xi măng có tỷ trọng cao, loại vữa có đủ cường độ để tiến hành công đoạn nứt vỉa thủy lực đặt cầu xi măng để khoan xiên Trong nhiều trường DẦU KHÍ - SỐ 11/2013 33 THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ hợp, hệ CemCRETE bổ sung số đặc tính để đáp ứng yêu cầu đặc biệt Ví dụ cột ống chống chống qua vùng đất đá bị đóng băng vĩnh cửu vữa xi măng phải có chức chống lại giá lạnh SLB phát triển hệ xi măng LiteCRETE áp dụng cho vùng Bắc Cực 2.7 Vữa xi măng DeepCRETE Vữa xi măng DeepCRETE cho phép trám xi măng vùng có địa tầng yếu giếng khoan nước sâu Khi khoan giếng khoan nước sâu, giá thành giếng khoan cao Đoạn địa tầng đất đá yếu bị phá vỡ tác dụng cột thủy tĩnh vữa xi măng, khiến nhiều thời gian để xử lý, làm tăng giá thành khoan Nếu xi măng có thời gian đơng kết dài làm dịng chảy khí nước xâm nhập, gây rủi ro cho độ ổn định giếng khí lên bề mặt Nhiệt độ đáy giếng thấm làm tốc độ phát triển cường độ chậm, tăng thời gian chờ đợi đông kết tăng chi phí hoạt động Xi măng DeepCRETE sử dụng kết hợp kỹ thuật cho thiết kế xi măng mô hình khác nhiệt độ thấp có dịng chảy nơng; có tác dụng cách ly địa tầng với vữa xi măng nhẹ (10 - 14ppg), cường độ phát triển nhanh loại xi măng thông thường mà không yêu cầu thiết bị đặc biệt Các hóa phẩm DeepCEM có tác dụng làm tăng tốc độ phát triển cường độ sử dụng với CemCRETE làm ngắn thời gian chuyển tiếp, phát triển cường độ sớm, kiểm soát độ thải nước tốt… Điều cần thiết cho công đoạn trám xi măng ống chống bề mặt ống bao nơi thường có dịng chảy nông Tỷ trọng thấp cho phép 12 trám qua địa tầng yếu 2.8 Xi măng DensCRETE Khi làm việc giếng có nhiệt độ áp suất cao thường xuất cố khơng 34 DẦU KHÍ - SỐ 11/2013 Chức vữa xi măng DensCRETE trám xi măng cho địa tầng có áp suất cao, dập giếng phương pháp bơm nút xi măng, đặt Wipstock nút xi măng để khoan xiên Khoan áp suất cao yêu cầu tăng tỷ trọng dung dịch đột ngột, với DensCRETE tăng tỷ trọng nhanh đến 11ppg trường Loại vữa làm giảm rủi ro, thời gian bơm trám ngắn giảm giá thành hoạt động 2.9 Vữa xi măng CemSTONE Hệ xi măng CemSTONE cung cấp tính ổn định, thời gian cách ly dài điều kiện giếng có thay đổi Hệ kiểm sốt đặc tính đơng đặc xi măng tính dẻo, tính giãn nở sức chịu đựng Vì vậy, xi măng chống lực phá hủy xi măng giếng Một số loại xi măng thuộc hệ CemSTONE: - Hệ FlexSTONE cung cấp đặc tính học hiệu chỉnh để phù hợp với ứng lực giếng tạo cách ly vĩnh viễn khơng cho dịng chảy bên ống chống; - Hệ ThermaSTONE ổn định mặt hóa học Xi măng thường FlexSTONE 10 Đặc tính cách ly Hệ DeepCRETE có nhiệt độ hydrate thấp thích hợp cho vùng có khả có khí hydrate; có độ thấm thấp so với xi măng thơng thường giúp ống chống khơng bị ăn mịn Hệ trộn với tỷ trọng 12,5ppg, có cường độ phát triển đủ lớn để tiếp tục công tác khoan 24 nhiệt độ 4oC Khi kết hợp với công nghệ chống khí xâm nhập vào xi măng Gasblock, hệ trám qua vùng có dịng chảy nước khí lường trước Hệ xi măng lý tưởng cần thiết kế đơn giản, có độ nhớt thấp có tỷ trọng linh hoạt dễ dàng tăng trường DensCRETE sử dụng công nghệ đặt hạt với tạo vữa xi măng có tỷ trọng cao (lên tới 24ppg) với độ nhớt thấp Do xi măng có cường độ nén cao độ thấm thấp nên vữa xi măng loại tốt so với vữa xi măng thơng thường có tỷ trọng cao để cách ly vùng địa tầng có áp suất cao suốt thời gian tồn giếng Tỷ lệ T/E Cường độ liên kết (MPa sau tuần) Độ thám (mD) Hình So sánh xi măng FlexSTONE với xi măng thường PETROVIETNAM điều kiện nhiệt độ cao kết hợp công nghệ đặt hạt hồn chỉnh với hỗn hợp hóa chất để tạo xi măng có cường độ cực cao, độ bên thời gian dài, chống ăn mịn điều kiện giếng; - Hệ DuraSTONE có tính cứng rắn có sức kháng cao xi măng thơng thường Hệ bền có khả cách ly tốt điều kiện khoan khắc nghiệt điều kiện hoàn thiện giếng Mặc dù vữa xi măng thông thường trám với chiều sâu thiết kế có khả cách ly giai đoạn ban đầu Tuy nhiên, điều kiện giếng thay đổi tạo ứng lực khiến vỏ xi măng khơng tồn vẹn Khi nhiệt độ, áp suất ứng lực kiến tạo tăng cao nứt vỏ xi măng Khi ống chống di chuyển theo xuyên tâm tác dụng nhiệt độ thay đổi, áp suất thay đổi giãn nở khối xi măng tính liên kết xi măng ống chống, xi măng địa tầng Nó tạo siêu khoảng khơng vành xuyến (microannulus) Sự thay đổi áp suất trình khoan làm thay đổi áp suất Nhiệt độ áp suất thay đổi tạo ứng suất kéo, khiến vỏ xi măng dễ nứt gãy khả cách ly CemSTONE khắc phục tình trạng đặc tính học tính đàn hồi, tính giãn nở, cường độ nén kéo, độ bền khả chịu lực Loại vữa có khả chịu ứng lực đáy giếng suốt đời tồn giếng, đảm bảo tính tồn vẹn thời gian dài, làm giảm giá thành để can thiệp vào xi măng, đảm bảo tính cách ly giảm khả tạo áp suất ngồi khoảng khơng vành xuyến q trình khai thác khí Hệ làm tăng tính ổn định vỏ xi măng dọc qua vùng có khả tác động cao hoạt động khoan 2.10 Hệ FlexSTONE Sự thay đổi áp suất trình khai thác, bơm ép, áp suất cao tạo ứng lực tác động lên xi măng, làm giảm tính tồn vẹn xi măng FlexSTONE có đặc tính học đáp ứng thay đổi ứng lực thân giếng như: độ thấm thấp xi măng thông thường, cường độ nén cao, dễ uốn có sức kháng hóa học tốt Xi măng có khả chịu ứng lực trì cách ly Hệ giãn nở để khắc phục tượng microannulus Với hệ này, giếng khoan bảo vệ xi măng thời gian dài, không bị ảnh hưởng lực làm đứt gãy, ăn mòn ống chống từ dung dịch vỉa, áp suất bên ngồi khí tạo xâm nhập chất lưu 2.11 Hệ DuraSTONE Công tác hồn thiện giếng u cầu cơng nghệ kỹ thuật đại Quá trình khoan phức tạp sử dụng choòng lệch tâm, khoan mở cửa sổ để khoan giếng đa thân, khoan sidetrack Việc hoàn thiện cần bắn vỉa dài bắn nhiều vỉa mỏng khác nhau, điều cần xi măng có cách ly tốt, vật liệu dẻo dai để chống rung chịu lực Hệ DuraSTONE bền dẻo dai so với xi măng thông thường Hệ thiết kế dùng cho trình khai thác, chịu ứng lực, độ rung lực bên ngồi tác động Trong q trình thử áp suất, thấy hệ có khả chịu lực gấp - lần so với xi măng thông thường, điều cho phép khoan xiên nhanh khoảng cách ngắn, chí vỉa cứng Hệ thường dùng cho giếng đa thân, giếng can thiệp trở lại, đặt nút sidetrack đặc biệt vỉa cứng, cho vùng chân đế ống chống mà chịu tác động mạnh trình khoan [1] Kết luận Xi măng có vai trị quan trọng cơng tác gia cố giếng khoan Lựa chọn vữa xi măng phù hợp góp phần làm nên thành cơng giếng khoan, tăng tuổi thọ giếng, đặc biệt giếng khai thác Hiện nay, giới có nhiều hệ vữa xi măng để sử dụng cho điều kiện địa chất phức tạp, điều kiện môi trường khắc nghiệt vùng nước sâu: vữa xi măng dạng bọt, vữa xi măng dẻo, xi măng nhẹ, hệ xi măng CemCRETE & CemSTONE (của nhà cung cấp Schlumberger) Ngoài ra, có nhiều hóa phẩm để nâng cao chất lượng xi măng giảm thời gian trám xi măng như: chất tăng đông, chất chậm đông, chất tăng tỷ trọng, chất chống khí xâm nhập (gasblok), chất chống dung dịch… Để lựa chọn hệ xi măng phù hợp, chất lượng tốt cho giếng khoan nước sâu cần: lập kế hoạch chi tiết, lên phương án cụ thể theo điều kiện giếng; nghiên cứu kỹ điều kiện địa chất, môi trường giếng khoan nước sâu (nhiệt độ đáy biển thấp, dịng chảy ngầm khí nơng) để đưa phương án hợp lý; nâng cao kỹ thuật, giảm thiểu thời gian liên quan tới xi măng giếng khoan để giảm giá thành giếng khoan; nghiên cứu phương án dự phòng trường hợp gặp cố xi măng bơm ép… Đồng thời, nghiên cứu kỹ để hiểu rõ đặc tính vữa xi măng, lựa chọn hệ vữa xi măng hợp lý, phù hợp với điều kiện địa chất cụ thể, cho công đoạn giếng khoan khác nhau; lựa chọn thiết bị, phương pháp trám xi măng hợp lý; DẦU KHÍ - SỐ 11/2013 35 THĂM DỊ - KHAI THÁC DẦU KHÍ lựa chọn hóa phẩm phù hợp để nâng cao chất lượng xi măng; tiến hành kiểm tra chất lượng xi măng để có phương án xử lý kịp thời, tránh tình trạng để xử lý sau gây tốn thời gian chi phí Tài liệu tham khảo Phạm Trung Nghĩa Nghiên cứu lựa chọn giải pháp nhằm nâng cao hiệu khoan giếng dầu khí vùng nước sâu Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội 2012 Trần Đình Kiên, Phạm Quang Hiệu, Nguyễn Hữu Chinh, Nguyễn Hải Sơn Một số vấn đề sử dụng xi măng bơm trám gia cố kết thúc giếng khoan dầu khí Tạp chí Dầu khí 2011; 4: p 32 - 40 Pham Quang Hieu, Pham Trung Nghia, Nguyen Xuan Thao, Nguyen Viet Bot Study selection cementing fluids for oil and gas wells deep water Proceedings of International conference “Petroleum Technology and Human Resources” HUMG 20 Sept, 2012: p 25 - 30 Jan Tore Helgesen, Kristian Harestad, Eirik Sorgard Deepwater cementing in the Norweigian sea Petroleum Engineering International Journal 1999; 72 (4) Johon Tronvoll Deepwater drilling challenges SINTEF Petroleum Research Trondheim, Norway 2006 Khalil Rahman Maintaining wellbore stability during deepwater drilling School of Oil & Gas Engineering University, Australia 2002 Selecting cement slurries for oil and gas production wells in deepwater areas Pham Quang Hieu Ministry of Industry and Trade Summary Drilling operations in deepwater areas such as the north and west of Norway, the west of Shetland, the Gulf of Mexico, the east of Venezuela and the west coast of South America face great potential risks and challenges with the sea water depth going up to thousands of metres Furthermore, the cost of drilling wells in deepwater areas has increased significantly It is, therefore, a pressing issue in deepwater well design to reduce the drilling time, optimise the well construction process and ensure well engineering This article studies the choices of cement slurries, one of the important technological and technical solutions to improve the effectiveness of cementing wells in the deepwater areas 36 DẦU KHÍ - SỐ 11/2013