Nghiên cứu lựa chọn vữa trám cho các giếng khoan dầu khí trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể nam côn sơn

ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO TẠI BỂ NAM CÔN SƠN VÀ ẢNHHƯỞNGĐỐIVỚICÔNGTÁCTRÁMXIMĂNGGIẾNGKHOAN

ĐặcđiểmđịatầngvàtrầmtíchbểNamCônSơn

Bể Nam Nam Côn Sơn (hình 1.1) có diện tích gần 100.000km 2 Ranh giới phía bắc của bể là đới nâng Côn Sơn, phía Tây và Nam là đới nâng Khorat - Natuna, về phía Đông là bể Tư Chính - Vũng Mây và phía Đông - Bắc là bể Phú Khánh Độ sâu nước biển trong phạmvi của bể nàythayđổi rất lớn, từ vài chục mét ở phía Tây đến hơn 1.000m ở phía Đông [4,7].

Trên cơ sở các thông số về chiều dày, thành phần và sự phân bố trầm tích, địa tầng, trầm tích của bể Nam Côn Sơn có thể chia như sau (hình 1.2).

ThànhtạotrướcKainozoi Ở bể Nam Côn Sơn gặp đá móng không đồng nhất bao gồm: granit, granodiorit, diorit và đá biến chất, tuổi của các thành tạo này có thể là Jura muộn-Creta.NằmkhôngchỉnhhợptrênmónglàlớpphùtrầmtíchPaleogen

- Hệ tầng Cau(E 3 c- Paleogen, Oligocen) bao gồm chủ yếu các lớp cát kết có màu xám xen các lớp sét bột kết Cát kết thạch anh hạt thô đến mịn. Chiều dày trung bình khoảng 360m Mặt cắt hệ tầng Cau có nơi có thể đến hàng nghìn mét, gồm phần dưới: cát kết hạt mịn đến thô, sạn kết, cuội kết, có chứa các mảnh vụn than; phần giữa chủ yếu là cácthành phần hạt mịn các tập sét kết; phần trên, gồm cát kết hạt nhỏ, xen kẽ bột kết, sét kết. Đặc điểmtrầmtíchchứngtỏhệtầng Cauđượchìnhthànhtronggiaiđoạn đầu tạo bể Hệ tầng Cau phủ không chỉnh hợp trên móng trước Đệ Tam và được định tuổi là Oligocen.

- Hệ tầng Dừa(N 1 1 d- Neogen, Miocen dưới) phân bố rộng rãi trong bể

Nam Côn Sơn bao gồm chủ yếu cát kết, bột kết màu xám sáng, xen kẽ với sét kết Các trầm tích hầu như mới bị biến đổi thứ sinh ở mức độ thấp Vì vậy,đ ặ c t í n h t h ấ m v à c h ứ a n g u y ê n s i n h c ủ a đ á c h ứ a r ấ t b ị ả n h h ư ở n g M ộ t s ố t ậ p c á t k ế t c ủ a h ệ t ầ n g đ ư ợ c c o i l à t ầ n g c h ứ a t r u n g b ì n h đ ế n t ố t v ớ i đ ộ r ỗ n g t h a y đ ổ i t ừ

- Hệ tầng Thông – Mãng Cầu (N 1 2 tmc ),Miocen giữa - phân bố rộng khắp bể Nam Côn Sơn Mặt cắt của hệ tầng có thể chia làm hai phần chính: phần dưới là cát kết, thạch anh hạt mịn đến trung; phần trên là sự xen kẽ giữa các lớp đá có màu xám sáng hoặc màu sữa với các lớp sét, bột kết, cát kết.C á c trầmtíchlụcnguyên,lụcnguyênchứavôipháttriểnmạnhdầnvềphíarìa Bắc và phía Tây - Tây

Namcủa bể Trầmtích của hệ Thông - Mãng Cầu mới bị biến đổi thứ sinh nên các tập cát kết có khả năng chứa tốt Đá carbonat phát triển khá rộng rãi, đặcbiệt tại các lô 04,05,06…Trầmtích của hệ tầng Thông - Mãng Cầu được thành tạo trong môi trường đồng bằng châu thổ chủ yếu ở phía Tây Chiềud à y t r ầ m t í c h t h a y đ ổ i t ừ v à i m é t đ ế n v à i t r ă m m é t v à n ằ m c h ỉ n h h ợ p t r ê n h ệ t ầ n g D ừ a

-Hệ tầng Nam Côn Sơn (N 1 3 ncs ) -Miocen trên,p h â n b ố r ộ n g r ã i v ớ i t ư ớ n g đ á t h a y đ ổ i m ạ n h c á c k h u v ự c k h á c n h a u Ở r ì a p h í a

-Hệ tầng Biển Đông (N 2 - Qbd) - Pliocen - Đệ Tứ, không chỉ phân bố trong bể Nam Côn Sơn mà trong toàn khu vực Biển Đông liên quan đến biển tiến Pliocen Trầm tích Pliocen gồm cát kết lẫn sét kết nhiều vôi chứa nhiều gluconit Trầm tích Đệ Tứ gồm cát gắn kết yếu, xen kẽ với sét và bùn chứa nhiềuditíchsinhvậtbiển.HệtầngBiểnĐôngthayđổirấtlớntừvàitrămmét đến vài nghìn mét, nằm bất chỉnh hợp trên hệ tầng Nam Côn Sơn.

Cáctíchtụhydrocacbon ỞbểNamCônSơn,dầukhíđượcpháthiệnđầutiêntạigiếngkhoanDừa-1Xvàonăm1975.TậpđoànDầukhíViệtNamđãđưađược3mỏvào khai thác: mỏ dầu khí Đại Hùng, các mỏ khí Lan Tây và Lan Đỏ Đang phát triển đểđưa vào khai thác mỏ khí Rồng Đôi - Rồng Đôi Tây, Hải Thạch, Mộc Tinh…Dầu và khí được phát hiện trong tất cả các đối tượng: Móng nứt nẻ trướcĐệTam,cátkếttuổiOligocen,cátkếttuổiMiocen.ỞbểNamCônSơn, chiều sâu của vỉa dầu khí trong trầm tích Đệ Tam đạt đến chiều sâu 4.600 m, là chiều sâu lớn nhất phát hiện dầu khí trên thềm lục địa Việt Nam hiện nay.

ĐặcđiểmnhiệtđộvàápsuấtcaoởbểNamCônSơn

1.2.1 Kháiniệmvềnhiệtđộvàápsuấtcao. Áp suất vỉa (áp suất lỗ rỗng) - một trong những thông số địa chất quan trọng nhất, tạo ra trong lỗ rỗng vỉa đá có nước, dầu hoặc khí. Áp suất vỉa được chia ra hai loại: Áp suất vỉa trung bình và áp suất vỉa dị thường.Áp suất vỉa trung bình (thủy áp)là áp suất của chất lưu trong các tầng chứa nước, khí và dầu, gần bằng áp suất thủy tĩnh quy ước và có trị số bằng áp suất của cột nước nhạt theo chiều sâu thế nằmcủa tầng chứa.Áp suất vỉa dị thường (địa áp suất)là dạng áp suất xuất hiện trong những vùng không có sự liên thông trực tiếp các tầng gần nhau. Áp suất chất lưu trong vỉa vượt quá áp suất bình thường (gần bằng áp suấtthủytĩnh)đến1,3-1,6lầnvàcókhiđạtđếntrịsốcủaápsuất mỏgọilàáp suất vỉa dị thường cao[48] Áp suất vỉa dị thường cao có giá trị tuyệt đốic à n g l ớ n k h i c à n g x u ố n g s â u Á p s u ấ t v ỉ a c ũ n g c ó t h ể t h ấ p h ơ n á p s u ấ t t h ủ y tĩnh.

Nhiệt độ vỉa– đặc tính địa chất, do trường nhiệt đặc trưng bởi sự tiến hóa và cấu trúc khối đá Gradien địa nhiệt thay đổi theo từng vùng, tùy thuộc vào dòng nhiệt và độ dẫn nhiệt của đất đá.

Trong giếng khoan khai thác dầu khí, nhiệt độ vỉa phân ra: Nhiệt đột ĩ n h v à n h i ệ t đ ộ đ ộ n g N h i ệ t đ ộ t ĩ n h l à n h i ệ t đ ộ c ủ a đ ấ t đ á n g u y ê n t r ạ n g ; n h i ệ t đ ộ đ á y g ầ n b ằ n g n h i ệ t đ ộ t ĩ n h n ế u n h ư d u n g d ị c h k h o a n k h ô n g t u ầ n h o à n t r o n g t h ờ i g i a n 2 - 4 n g à y đ ê m N h i ệ t đ ộ đ ộ n g l à n h i ệ t đ ộ đ o đ ư ợ c t r o n g q u á t r ì n h d u n g d ị c h t u ầ n h o à n t ạ i m ộ t c h i ề u s â u n h ấ t đ ị n h t r o n g g i ế n g N h i ệ t đ ộ đ ộ n g t r ê n đ á y t h ư ờ n g t h ấ p h ơ n n h i ệ t đ ộ t ĩ n h

Trongngànhcôngnghiệpdầukhí, nhiệtđộvà ápsu ấ t caođược phâ n thành 3 cấp [14,31], như trên hình 1.3 và trên bảng 1.1.

Sự phân cấp như trên là căn cứ vào đặc tính kỹ thuật của các vòng đệm đàn hồi tiêu chuẩn, các vật tư kỹ thuật và điều kiện vận hành thiết bị.

Khi nhiệt độ trên 204 0 C và áp suất trên 138MPa, các thiết bị điện tử đang sử dụng yêu cầu phải có các bộ phận bảo vệ nhiệt hoặc lắp thiết bị điện tử trong hộp chân không.

Trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, điều đặc biệt quan trọng là lựa chọn các vật liệu và phụ gia hoá chất phù hợp cho dung dịch và vữa xi măng trám giếng khoan.

Tại bể Nam Côn Sơn, hiện tượng nhiệt độ và áp suất cao được pháth i ệ n t r o n g k h u v ự c t r ầ m t í c h c ó b ề d à y t h a y đ ổ i t ừ T â y s a n g Đ ô n g , c h ủ y ế u ở p h í a p h ụ đ ớ i

T r u n g T â m t r o n g đ ớ i t r ũ n g p h í a Đ ô n g v ớ i b ề d à y t r ầ m t í c h K a i n o z o i t ừ 5 0 0 0 đ ế n 1 4 0 0 0 m Đến nay đã có trên trên 150 giếng thăm dò, thẩm lượng và phát triển khai thác qua các hệ tầng có tuổi từ Miocene - Oligocen đến Pliocen - Đệ Tứ. Trong một số giếng khoan, gradien áp suất đạt đến 1,6 MPa/100 m(các giếng 04-3A-1X, 04-3-MC-2X,…; có những giếng khoan gradien áp suất đạt 1,9- 2,04 MPa/100 m (các giếng 04-1-ST-IX, 04-SDN-IX, 05-2-HT-1X) [8, 10].

Sự phân bố áp suất dị thường cao trong trầm tích Mioccen ở bể Nam Côn Sơn được trình bày trên hình 1.4 và 1.5.

Khuv ự c T â y N a m t r ầ m t í c h K a i n o z o i c ó c h i ề u d à y t ừ 3 5 0 0 m tới 4.000 m ở trũng hẹp sâu kề đứt gãy Sông Hậu Qua đó cho thấyn h i ệ t đ ộ c a o c h ỉ b ắ t g ặ p ở k h u v ự c Đ ô n g B ắ c b ể v ì t r ầ m t í c h ở đ â y l ớ n v à b ị c h ô n v ù i s â u h ơ n n ê n s ẽ c h ị u n h i ệ t độ caohơn còn ởphía TâyNambắt gặp ítvì trầmtích ở đây không lớn Điều này có thể giải thích cho hiện tượng dị thường áp suất cao bắt gặp trong lô 04 và 05 bể Nam Côn Sơn nơi các tập sét dầy Pliocene dầy đến hàng nghìn mét (>2.000 m) (hình 1.4, hình1.5) và giá trị gradien nhiệt độ đo được rất cao (hình 1.8) Quá trình sinh thành hydrocarbua cũng gây nên sự mất cân bằng và cũng có thể là nguyên nhân gây nên dị thường áp suất tại khu vực này, cụ thể nếu đá mẹ nằm ở bên dưới các tập trầm tích kết rắn không cân bằng đủ khả năng sinh hydrocarbua sẽ tạo ra áp suất cao và theo đặc điểm vật lý chúng sẽ di chuyển lên các tầng trên do chênh áp.

Từchiềusâu2500mtrởxuốngxuấthiệnđoạnápsuấttăngcaorấtnhanh, ngay bên dưới các đới đất đá tuổi Pliocen Sự tồn tại khoảng chênh lệch giữa gradient áp suất vỉa và gradient áp suất nứt vỉa rất bé trong đất đá Miocen.

Nguyên nhân gây ra dị thường áp suất và nhiệt độ cao như sự thiểu nén ép trong trầm tích sét trẻ và chôn vùi nhanh, giãn nở tương đối của chất lưud o n h i ệ t s o v ớ i k h u n g đ á , s ự m ấ t n ư ớ c c ủ a k h o á n g v ậ t s m e c t i t ở đ ộ s â u n h ấ t đ ị n h , s ự s i n h t h à n h d ầ u k h í t ừ đ á m ẹ g i à u K e r o g e n , c h u y ể n đ ộ n g n é n é p n g a n g , h ệ q u ả c ủ a v i ệ c t h a y đ ổ i n ồ n g đ ộ m u ố i [ 2 , 7 , 1 0 ]

Căn cứ vào cột địa tầng thực tế của các giếng khoan thuộc lô 04, 05,s a u k h i c ó h i ệ u c h ỉ n h c h i ề u s â u m ự c n ư ớ c b i ể n , c á c g i á t r ị n h i ệ t đ ộ đ ư ợ c v ẽ p h â n b ố t h e o c h i ề u s â u t r ê n c ù n g m ộ t đ ồ t h ị ( h ì n h 1 8 ) T ừ k ế t q u ả t í n h t o á n c h o t h ấ y r ằ n g , t ạ i c á c t ầ n g t r ầ m t í c h t r ẻ n h ư P l i o c e n e v à M i o c e n e t r ê n , g i á t r ị g r a d i e n n h i ệ t đ ộ c h ỉ ở m ứ c t h ấ p v à t r u n g b ì n h , t ư ơ n g ứ n g l à 2 , 1 9 0 C/100m và 3,73 0 C/100m Tuy nhiên, bắt đầu từ tầng Miocene giữa trở xuống, nhiệt độv ỉ a b ắ t đ ầ u t ă n g m ạ n h v ớ i g r a d i e n l à

4 , 2 7 0 C/100 m và giá trị này còn cao hơn tại tầng Miocene dưới và Oligocene, lên tới 4,48 0 C/100m Tại tầng móng, gradien lại giảm xuống mức trung bình là 3,38 0 C/100m.

Tại bể Nam Côn Sơn, đã phát hiện nhiệt độ cao tại 30 giếng, trong đó tập trung trong địa tầng có tuổi Miocen giữa và Miocen sớm Tại một sốg i ế n g k h o a n , n h i ệ t đ ộ l ê n t ớ i t r ê n 1 5 0 0 C ngay tại tầng Miocene giữa nhưg i ế n g 0 4 - 2 - S B - 1 X ( 1 6 3 0 C tại chiều sâu 3.983m); giếng 04-2-HT-1X (165 0 C tại chiều sâu 3.748m) Trong các giếng 04-2-SB-IX, 04-2-NB-1X tại chiềus â u 3 8 0 0 m đ ế n 4 0 0 0 m đ ã g ặ p n h i ệ t đ ộ t r ê n đ á y g i ế n g t ừ 1 3 5 0 C đến 170 0 C Cá biệt, tại chiều sâu4548m giếng 04-2-HT-1X, nhiệt độ vỉa lên tới 210 0 C) (hình 1.8).

Hình1.8.Biểu đồphânbốnhiệtđộlô04,05 Đặc biệt, tại đây đã gặp những giếng đồng thời vừa áp suất cao vừa nhiệt độ cao Tại giếng 05-2-HT-2X, ở chiều sâu 3.740 m nhiệt độ trên đáy giếng là 172 0 C và áp suất vỉa 74MPa; tại giếng 05-1c-DN-2X-ST2, ở chiều sâu 4.245 m gặp nhiệt độ 185 0 C, áp suất trên đáy là 98,7 MPa, hoặc tại giếng 04-2-HT-1X ở chiều sâu 4.548 m nhiệt độ trên đáy là 210 0 C và áp suất vỉa91MPa.

Trên cơ sở tổng hợp và nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ và áp suất bể Nam Côn Sơn và căn cứ vào quy tắc phân loại chung, các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn có thể phân hai cấp (hình 9):

- Cấp 1: nhiệt độ và áp suất cao (nhiệt độ từ 150 0 C đến 175 0 C và áp suất từ 69MPa đến 103MPa) và

- Cấp 2: nhiệt độ và áp suất rất cao (nhiệt độ từ 175 0 C đến 200 0 C và áps u ấ t t ừ 1 0 3 M P a đ ế n 1 3 8 M P a )

Ảnhhưởngcủanhiệtđộvàápsuấtcaođếncáctínhchấtcủavữavàđáximăng

Các thông số côngnghệchính củavữaximăng trámgiếng khoan là:độ chảy tỏa, khối lượng riêng, chỉ số thải nước, ứng suất trượt động, độ nhớt cấu trúc, độ ổn định lắngđọng, thờigianquánh, thờigianngưngkết và một số chỉ tiêu khác Các tính chất củađ á x i m ă n g g ồ m c ó đ ộ b ề n n é n , đ ộ t h ấ m , s ự b i ế n đ ổ i t h ể t í c h , đ ộ b ề n c h ố n g ă n m ò n v à m ô đ u n đ à n h ồ i v à h ệ s ố P o i s s o n [ 3 , 5 , 48].

Khốilượngriêngcủavữaximănglàmộttrongnhữngđặctínhquan trọngnhấtcủavữavàlàchỉtiêuduynhấtđểđánhgiáchấtlượngquyếtđịnh trong quá trình pha trộn và bơm ép vào giếng khoan Khối lượng riêng vữa phụ thuộcvào khối lượng riêng của cácvật liệu khô, phụ gia và chất lỏng pha trộn cũng như tỉ lệ N/XM Đối với xi măng tiêu chuẩn, với tỉ lệ N/XM = 0,5 thì khối lượng riêng của vữa đạt đến 1,81 - 1,85 g/cm 3

Khi khoan các giếng gặp các vỉa có áp suất dị thường cao yêu cầu áp suất thủy tĩnh của vữa xi măng phải đủ lớn để cân bằngv ớ i á p s u ấ t c ủ a v ỉ a , n h ư n g đ ồ n g t h ờ i k h ô n g g â y r a n ứ t v ỡ v ỉ a v à m ấ t d u n g d ị c h [ 4 8 , 5 2 ] Để kiểm soát sự xuất hiện dầu khí trong giếng, quan hệ giữa áp suất thủy tĩnh, áp suất vỉa, khối lượng riêng của vữa và áp suất nứt vỉa thủy lựcn h ư t r o n g p h ư ơ n g t r ì n h : p v ≤ρgh≤p nv (1.1)

Trong đóp v- áp suấtvỉa (Pa);ρ- khốilượng riêng củavữa (kg/m 3 );h- vị trí chiều chiều sâu vỉa (m);g- gia tốc trong lực (9,8m/s 2 );p nv- áp suất nứt thủy lực vỉa (Pa).

Trong điều kiện các giếng có áp suất dị thường cao, để nâng cao khối lượng riêng vữa thường bổ sung chất làm nặng Yêu cầu đối với các chất làm nặng là để đạt khối lượng riêng của vữa cực đại cần có hàm lượng pha rắn tối ưu và duy trì được các tính chất cấu trúc, độ thấm của vữa và đá xi măng.

Khi áp suất thủy tĩnh của cột vữa trám lớn hơn áp suất nứt vỉa sẽ tạo ra các khe nứt cho vữa xâm nhập vào các tầng chứa sản phẩm Trong thực tế, kích thước khe nứt gâyra sự xâm nhập vữa trong khoảng 0,1-1 mm [38] Hậu quả củasự xâmnhập của vữalà: lấp bít tầng chứa sản phẩm, gây sự phun trào do sự giảm áp suất thủy tĩnh lên tầng không thấm, tạo hang hốc trên thành giếng[12].

Thời gian quánhlà thời gian tính từ lúc bắt đầu trộn xi măng với nước tới thời điểmvữa đạtđược độ quánh quyđịnh -khảnăng của vữa xi măng tạo cấu trúc Độ quánh còn gọi là độ nhớt hiệu dụng [38,50].

Thời gian quánh là chỉ tiêu công nghệ quan trong khi thiết kế đơn pha chế Yêu cầu là vữa không được quánh và đóng rắn trước thời hạn thực hiện quá trình công nghệ bơm ép Ngược lại sẽ xảy ra sự cố xi măng đóng rắn khi vẫn còn trong cột ống.

Khi nhiệt độ và áp suất trong giếng cao sẽ làm tăng vận tốc thủy hóa xi măng và đẩy nhanh sự ngưng kết vữa xi măng, vì vậy cần phải sử dụng phụ gia làm chậm ngưng kết.

Xác định thời gian quánh tương ứng với các yêu cầu tiêu chuẩn API/ ISO được sử dụng consistometer chịu áp suất [6,53].

Các tính chất lưu biến của vữa xi măng -S o v ớ i c á c h ệ d u n g d ị c h k h á c ( d u n g d ị c h s é t , đ ấ t , v v … ) v ữ a x i m ă n g l à h ệ r ấ t p h ứ c t ạ p b ở i v ì c á c q u á t r ì n h t ạ o c ấ u t r ú c c h ủ y ế u l à c á c q u á t r ì n h h ó a h ọ c , l i ê n t ụ c t h a y đ ổ i t h à n h p h ầ n v à n ồ n g đ ộ c á c c h ấ t

Nghiên cứu sựbiếnđổitínhchấtlưubiến củavữa xi măng chophépxác định gần đúng tổn thất thủy lực khi vữa xi măng chuyển động trong không gian vành xuyến cột ống chống, xác định chế độ để cho dòng chảy của vữa trong không gian vành xuyến là chế độ chảy rối Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển các quá trình hóa-lý trong vữa xi măng, có ảnhh ư ở n g l ớ n đ ế n t í n h c h ấ t c ủ a s ả n p h ẩ m m ớ i , c u ố i c ù n g l à đ ộ n h ớ t c ủ a v ữ a N h i ệ t đ ộ t ă n g l ê n c ó h i ệ u ứ n g k é p : 1 ) đ ẩ y m ạ n h t h ủ y h ó a , t h ủ y p h â n v à t ạ o r a c ấ u t r ú c g e l v à t i n h t h ể v à 2 ) g i ả m đ ộ n h ớ t c ủ a p h a n ư ớ c c ũ n g n h ư l ự c t ư ơ n g t á c g i ữ a c á c p h â n t ử d ẫ n đ ế n p h á v ỡ s ự t i ế p x ú c đ ô n g t ụ g i ữ a c á c h ạ t [ 1 3 , 5 2 ]

Phân tích phần lớn các đợt trám giếng không thành công yêu cầu phải xácđịnhđộnhớtvà ứngsuất trượtđộng Đểx á c địnhđộnhớt v à ứ ng suất trượtđộngtrongđiềukiệnnhiệtđộvàápsuấtcaođượcsửdụngmáyđođộ nhớt….

Nhiều công trình nghiên cứu [27,47,52] cho thấy: Nhiệt độ và áp suất trên đáygiếng tăng cao sẽ đẩynhanh chuyển động nhiệt của các ion, làmtăng bề dày lớp điện thế kép làm giảm độ nhớt, ảnh hưởng đến tính chất lưu biến của vữa và tăng độ thải nước của vữa xi măng Nhiệt độ và áp suất cao đẩy nhanh quá trình thủy hóa, làm thay đổi độ hòa tan các pha rắn trong pha lỏng, từ đó ảnh hưởng đến mức độ và cơ chế bão hòa Khi nhiệt độ tăng cao sẽ làm biến đổi thành phần pha các sản phẩm thủy hóa của xi măng.

Nhiệt độ và áp suất trên đáy tăng cao sẽ rút ngắn thời gian ngưng kết của vữa xi măng (hình 1.10) Áp suất cũng có tác dụng đến quá trình ngưng kết, nhưng hiệu quả tác động thấp Tăng nhiệt độ và áp suất đồng thời sẽ rút ngắn nhiều thời gian ngưng kết của vữa xi măng so với từng yếu tố riêng lẻ.

Vữa xi măng sử dụng để trám giếng thường có hàm lượng nước cao. Khi chuyển dịch đi lên trong khoảng không vành xuyến, pha lỏng thoát rax â m n h ậ p v à o v ù n g đ á t h ấ m t r ê n t h â n g i ế n g N ư ớ c t r o n g v ữ a t h o á t r a ảnh hưởngđếnđộlinhđộngcủavữaximăng,làmchođộquánh,độngưngkết khôngổnđịnh,dođóximăngkhôngdânglênđếnchiềucaoquyđịnh. Để tiến hành thí nghiệm trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao tương ứng với tiêu chuẩn API, sử dụng máy đo độ nhớt áp suất cao nhiệt độ cao.Máyđochophéplàmviệctrongchếđộtựđộngtiếnhànhthínghiệmvữa xi măng, hoàn thành phân tích liên tục, tính hệ số liên kết và các thông số lưu biến theo các mô hình như xác định độ nhớt và ứng suất trượt động [53]. Ứng suất trượt tĩnh -Sau khi xi măng được bơm vào và lấp đầy khoảng

KGVX, trong vữa bắt đầu tạo cấu trúc và quá trình ngưng kết xi măng pháttriển.

Vì vậy,việcxácđịnhứngsuấttrượttĩnhtrongcảgiaiđoạntừtrạngthái lỏng qua trạng thái rắn có ý nghĩaquan trọng để tính ứng suất trượt trên thành giếng. Ứng suất trượt tĩnh có thể dựa vào biểu thức rút gọn dưới đây để tínhs ự g i ả m á p s u ấ t t h ủ y t ĩ n h k h i v ữ a x i m ă n g t ạ o c ấ u t r ú c

Trong đó:SGS- ứng suất trượt tĩnh;P- độ thay đổi áp suất thủy tĩnh theo chiều sâu thân giếng;D- đường kính giếng khoan;d- đường kính ngoài ống chống;L- chiều dài cột xi măng, Độ thải nước(chỉ số thấm lọc) – dưới tác động của sự chênh áp trong vữa xi măng xảy ra quá trình phân ly nước Vận tốc thấmlọc phụ thuộc nhiều vào tỉ lệ N/XM: nó tỉ lệ nghịch với bình phương tỉ bề mặt của xi măng (độ mịn), số lượng chất phụ gia và độ nhớt của pha lỏng của vữa xi măng Do độ thấm lọc cao vữa xi măng sẽ càng nhớt hơn, khó bơm hơn, thời gian ngưngk ế t c ủ a n ó đ ư ợ c n h a n h h ơ n ; v ì v ậ y s ự t h à n h t ạ o m à n g x i m ă n g d à y c ó t h ể g â y r a k ẹ t c ộ t ố n g c h ố n g t r o n g k h i d ạ o c ộ t ố n g S ự m ấ t n ư ớ c k h ô n g n h ữ n g l à m t h a y đ ổ i t í n h c h ấ t c ủ a v ữ a , m à c ò n g â y h i ệ n t ư ợ n g n h i ễ m b ẩ n v ỉ a c ó h ạ i đ ế n t í n h c h ấ t t h ấ m c h ứ a v à c ô n g t á c g ọ i d ò n g Độ thải nước của vữa xi măng - một trong những tính chất quan trọng của vữa xi măng - độ ổn định lắng đọng, đặc trưng cho tính lắng nước Kết quả của tính không ổn định là sự tách lớp, tạo thành vùng nước và vữa, tính khôngliên tụccủađáxi măng trong khoảng không ngoài ống trong giếng [17,51]. Ở nhiệt độ không đổi vàtăng độ chênh áp suất dưới 5MPađộ thải nước của vữa xi măng tăng lên Nhiệt độ ảnh hưởng đến vận tốc độ thải nước, thay đổi độ nhớt của nước và tốc độ thủy hóa Vì vậy, tốc độ của độ thải nước cần phải tăng lên theo mức độ gia tăng của nhiệt độ, so với độ thải nước giảm do tăng tốc độ thủy hóa xi măng Tăng nhiệt độ từ 20 đến 250 0 C tốc độ của độ thải nước của nhiều xi măng thường tăng lên [53]. Độ co ngót(shrinkage) của xi măng là một tính chất tự nhiên xảy ra trong quá trình ngưng kết lý-hóa và đóng rắn xi măng thể hiện sự giảm thể tích ngoài của xi măng đóng rắn [15, 21, 41]. Đối với xi măng trám giếng khoan khi vữa còn ở trạng lỏng, nócó hình dạng và kích thước của khoảng không vành xuyến giếng Vì vậy, để gia cố vững chắc các cột ống chống và bịt kín vành xuyến giếng khoan, yêu cầu trướctiên là sau khi đóng rắn kích thướcxi măng không co ngót,nếu xi măng co ngót sẽ tạo ra các khe hở giữa các cột ống và xi măng thành kênh cho khí xâm nhập vào không gian vành xuyến.

Trong công nghiệp dầu khí hiện nay thường sử dụng chỉ tiêu “co ngót hóa học” [16, 21, 26, 30, 33, 40] để mô tả quá trình hydrat hóa xi măng làm giảm thể tích tuyệt đối của matrix xi măng Độ co ngót hóa học chủ yếu bao gồm các loại lỗ rỗng, đồng thời nước bị giữ trong lỗ rỗng và các mao mạch.Một khoảng không được tạo ra do co ngót, xuất hiện khi thể tích của pha hydratthườngnhỏhơnthểtíchcủacácvậtliệubanđầuthamgiagiữachúng vào phản ứng Tổng co ngót này được chia giữa co ngót thể tích ngoài - dưới 1% và độ nén khung trong là từ 4 đến 6% thể tích của vữa xi măng.

ChấtlượngtrámximăngcácgiếngkhoantạibểNamCônSơn

Trong quá trình trám giếng khoan ởđ i ề u k i ệ n n h i ệ t đ ộ v à á p s u ấ t c a o t ạ i b ể N a m C ô n S ơ n , đ ã x ả y r a m ộ t s ố s ự c ố l i ê n q u a n đ ế n c h ấ t l ư ợ n g v ữ a t r á m

4 7 8 3 m t i ế n h à n h b ơ m é p v ữ a x i m ă n g v ớ i k h ố i l ư ợ n g r i ê n g v ữ a l à 2 , 3 4 g / c m 3 Và sự cố đã xảy ra, vữa xi măng không ép đẩy được vào vành xuyến ngoài cột ống chống Hậu quả là hơn 3.000 m vữa xi măng cònnằmlạitrongcộtốngchống 75/8”.Đãtiếnhànhcácbiệnphápkhắcphục như khoan phá xi măng trong cột ống chống, bơmnhét xi măng ngoài cột ống tại một số đoạn để cách ly vùng chân đế ống chống 9 5/8” Mặc dù đã sử dụng tất cả các biện pháp cứu chữa, tốn kém chi phí và kéo dài thời gian thi công, nhưng vẫn không khắc phục được sự cố và bắt buộc phải kết thúc khoan ở độ sâu 4.829m, so với chiều sâu thiết kế (5.029m).

- Một sự cố tương tự đã xảy ra tại giếng 05-3-MT-1RX Trong quá trình ép xi măng,do thờigianquánh củavữakhôngphùhợp,nên ximăng đôngkết sớm, dẫn đến mất tuần hoàn, xi măng không ép được ra ngoài không gian vành xuyến và đông ngưng kết trong cột ống chống 13 3/8” tại chiều sâu từ 2.097m đến 2.882m.

- Nghiên cứutài liệu CBL, VDLcủa 10giếng khoan tạibể NamCôn Sơn về chất lượng trám xi măng cột ống khai thác cho thấy: tỉ lệ chất lượng tốt thường từ 42-50% (các giếng 05-3-MT-3P, 05-3-MT-6P), cá biệt giếng 05-3- MT-1P đạt 77%,n h ư n g c ũ n g c ó g i ế n g c h ỉ đ ạ t 1 7 % ( g i ế n g 0 5 - 2 - 1 X ) ; l i ê n k ế t m ộ t p h ầ n c h i ế m trên 50%, đặc biệt có giếng chiếm83% (giếng05-2-HT-1X).

Trên hình 1.11 Chất lượng gắn kết xi măng (%) phụ thuộc vào nhiệt độ tại bể Nam Côn Sơn.

Trongbảng1.2.Tỉlệgắnkếtximăngtheokếtquảminhgiảitàiliệuđo địa vật lý CBL/VDL cho từng giếng khoan [7].

Giếngkhoan Đườngk ínhống, mm Độsâugiếng Chiều dày, m(100

Khoảngchiềudàychấtlượng vành đá xi măng, m (%)

Chất lượng trám xi măng giếng khoan kém hiệu quả có thể là nguyên nhân làm cho sự đánh giá không đúng triển vọng thăm dò khu vực, gây hiện tượng liên thông các tầng sản phẩm, sự xâm nhập dầu khí, v.v Sự xâm nhập dầu khí là một trong những dạng phức tạp nguy hiểm nhất và thường gặp và dễ chuyển thành sự cố nghiêm trọng.

Vành đá xi măng ở ngoài không gian vành xuyến còn bị tác động cơ học trong lòng ống gây ra sự phá hủy mối liên kết giữa xi măng - ống chống hoặc do tác động của bơm ép thử độ kín của ống chống, bắn đạn đục lỗ khig ọ i d ò n g , k í c h t h í c h v ỉ a , x ử l í h ó a h ọ c , k h o a n p h á c ố c , k é o t h ả c ầ n

Một trong những nguyên nhân cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng trám giếng khoan là do lựa chọn vật liệu, các phụ gia để pha chế vữa xi măng không phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao trong giếng khoan.

Cáccôngtrìnhnghiêncứuvềximăngtrámgiếngkhoannhiệtđộvàápsuấtcao

Năm 2012 trên toàn thế giới đã khoan khoảng 107000 giếng khoan dầu và khí, trong đó có khoảng 1600 giếng có nhiệt độ và áp suất cao, chiếm khoảng 1,6% trong tổng số giếng trên Đã gặp những giếng khoan nhiệt độ trên đáy lên đến 260 0 C tại mỏ dầu Arthit, trên vịnh Thái Lan [22].

Hiện nay trong ngành công nghiệp dầu khí chưa có loại xi măng được tiêu chuẩn hóa để trám các giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao Theo dự báo [14] đến năm 2016 sẽ khoan khoảng 238 giếng khoan sâu trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao và đến năm 2020 số giếng có nhiệt độ và áp suất cao có thể trên 1200 giếng Do đó, các nhà khoa học đang đẩy mạnh công tác nghiên cứu hoàn thiện công tác trám xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.

Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học Liên bang Nga nhưA.I.Bulatov, E.K Machinsky, B.I.Esman, I.A Karamanov, A.N.StafinkopuloáV.C Danhiuchevskyi, đó cú nhiều cụng trỡnh về xi măng trong các điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao [48,49,52].

Các nhà khoa học và chuyên gia như Erik B.Nelson George Birch, Michael Richebourg, Jacques Jutten (Schlumberger Dowell) [24,25]; Benjamin Iverson và Joe Maxson (Halliburton) [17] đã có các công trình nghiêncứuvềsựsuythoáiđộbềncủaximăng,biệnphápduytrìvànângcao độ bền, các tính chất của vữa và công nghệ trám, đặc biệt là các phương pháp và thiết bị vữa xi măng trong điều kiện áp suất và nhiệt cao.

Trước đây, để kiểm tra độ tin cậy của đơn pha chế và quy trình trám xi măng giếng khoan thường chỉ chú ý đến mỗi một thông số - độ bền nén đơn trục Nhưng trong trường hợp trong các giếng có nhiệt độ và áp suất cao xuất hiện trong thời gian dài, thì sự cần thiết phải nghiên cứu rất kỹ càng các tính chất cơ học của đá xi măng và mô hình hóa các tính chất của cột ống chốngv à đ ấ t đ á t r ê n t h à n h g i ế n g V i ệ c s ử d u n g p h ầ n m ề m C e m T R E S S [ 3 1 , 3 5 , 3 6 ] c h o p h é p p h â n t í c h t í n h c h ấ t c ủ a v à n h đ á xi măng bên ngoài cột ống chống và dự báo các điều kiện giếng khoan Chương trình máy tính phân tích các ứng suất tiếp tuyến vàpháp tuyến xuất hiện trongvành đáxi măng khi thửnghiệm thủylực cột ống chống, sự thayđổi cácthông số lưu biến vàbiến đội củavữa Phần mềm CemSTRESS ngoài việc xác định độ bền nén còn có thể xác định các thông số khác như modun Young, hệ số Poisson và độ bền kéo [12].

Tại Liên bang Nga và các nước SNG, phần lớn xi măng trám chuyên dụng do Viện nghiên cứu và thiết kế về gia cố Krasnoda, Đại học dầu khíGupkin-Moskva…đã nghiên cứu và sản xuất các chủng loại xi măng xỉ - cát thạch anh để khoan trong điều kiện nhiệt độ cao Loại xi măng chuyên dụng được sản xuất trộn nền chất kết dính, chất làm nặng, các phụ gia hoạt tính Xi măngchuyêndụngkhácvớicáchỗnhợplàthànhphầnhạtđồngnhất,cáctính chất hóa- lýđượcnâng cao,độbền nhiệt cao [44,45].Theo tiêu chuẩnxi măng bềnnhiệtcủaNgaТУ39-00147001-170-97đãsảnxuấtloạiximăngchuyên dụng nhưtrong bảng 1.3 [48] để trámxi măng các giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao.

Khối lượng riêng, g/cm 3 Điềukiện thínghiệm

Thờigian ngưngkết( giờ) Độbềnsau2 ngày(MPa)

Gypan Cromit Nhiệt độ, 0 C Áps uất, MPa

Kết thúc Uốn Nén ШПЦС-120 -

Công ty Schlumberger sản xuất hệ xi măng FlexSTONE HT kết hợp với côngnghệCemCRETEđểkhoangiếngnhiệtđộđến250 o C.Loạivữaxi măng này, sau khi đóng rắn xi măng có thể giãn nở nhiều hơn so với xi măng thông thường, nâng cao kết dính giữa cột ống chống vàvỉatrong các điều kiện nhiệt độ và áp suất biến đổi lớn [6,7].

Xi măng DensCRETE có khối lượng riêng 2,88 g/cm 3 được sử dụng trong giếng có nhiệt độ đến 232 0 C Đá xi măng có độ bền cao và độ thấm thấp Tính chất lưu biến của xi măng DensCRETE rất phù hợp với cột ốnglửng.

Công ty Halliburton đã thử nghiệm loại xi măng HDEC khối lượng riêng cao, có tính đàn hồi để khoan trong điều kiện nhiệt độ tĩnh trên đáy

227 0 C với khối lượng riêng vữa đến 2,26 g/cm 3 [17] Ngoài ra, còn có các hệ xi măng nặng chịu nhiệt khác như ximăng ThermaSTONE, DenseCEM Gần đây, đã thử nghiệm hệ xi măng ElasticCem TM có khối lượng riêng vữa 0,84 g/cm 3 đến 2,64 g/cm 3 và trong điều kiện nhiệt độ đến 315 o C [32,38]. Đến nay, Xí nghiệp LDDK Vietsovpetro đã khoan 368 giếng trong các đối tượng chính tầng Miocen hạ, Oligocen và móng phong hóa Căn cứ vào đặc điểm địa tầng các giếng khoan qua, đã từng bước hoàn thiện công tácb ơ m t r á m g i a c ố g i ế n g k h o a n T r o n g c ô n g t á c t r á m x i m ă n g , V i e t s o v p e t r o đ ã x â y d ự n g t i ê u c h u ẩ n r i ê n g v ề v ữ a x i m ă n g m á c O W C ,

1 2 0 0 C và áp suất trên đáy 40 MPa trên thềm lục địa Việt Nam [1,3,4,11].

Tại bể Nam Côn Sơn, các nhà thầu trám xi măng là Nowsco, Dowell/ Schlumberger, BJ, Halliburton thường sử dụng xi măng mác G, một số giếng có nhiệtđộ130-155 o Ccó thêmchất phụgiabền nhiệt Silica, khốilượng riêng vữa từ 1,75 - 2,22 g/cm 3 Để trám xi măng các cột ống chống có nhiệt độ khá cao,đãsửdụngloạiximăngGthôngthường,mộtsốítsửdụngximăngG+

35% silica với các hóa phẩm bền nhiệt như R-57, SR-30, D110, HR-25, LS-1 (chậm ngưng kết); LD-24, FL-52-D73, D600, HaLad 413 (giảm độ thảin ư ớ c ) ; S S A - 2 , D 1 3 5 , L S - 1 , L S - 2 [ 8 ]

Thực tế cho thấy xi măng G theo tiêu chuẩn API không bao hàm hếtc á c t í n h c h ấ t c ủ a x i m ă n g t r o n g k h o ả n g n h i ệ t đ ộ v à á p s u ấ t c a o C á c t i ê u c h u ẩ n c h ỉ t h ể h i ệ n p h ư ơ n g p h á p p h â n l o ạ i x i m ă n g đ ể s ử d ụ n g t r o n g g i ế n g k h o a n t h e o m ộ t s ố t í n h c h ấ t đ ư ợ c y ê u c ầ u

Mỗi nhà thầu sử dụng hệ các chất phụ gia khác nhau, tuy nhiên hầu hết chỉ sử dụng các phụ gia ứng dụng cho nhiệt độ thông thường mà không sử dụng các phụ gia có tác dụng trong điều kiện nhiệt độ cao trên 120 0 C.

Nói tómlại, hiệnnaychưa có các loại ximăng trámgiếng khoan được tiêu chuẩnhóa trongđiềukiệnnhiệt độvàáp suất cao Trongthực tế, cácđiều kiện giếng khoan của mỗi vùng khác nhau, cho nên việc thiết kế vữa xi măng cần phảit í n h đ ế n đ ặ c t h ù c ủ a m ỗ i g i ế n g k h o a n : c h i ề u s â u g i ế n g k h o a n , n h i ệ t đ ộ t ĩ n h v à n h i ệ t đ ộ đ ộ n g , l o ạ i dung dịch khoan và áp suất thủytĩnhtạo ra, khả năngxuấthiện mất tuần hoàn hoặcxuấthiện khí, cũngnhưnhiều yếu tốkhác.

Các điều kiện địa chất - kỹthuật của bể NamCôn Sơn rất phức tạp, đặc biệt làn h i ệ t đ ộ v à á p s u ấ t c a o C ô n g t á c t r á m x i m ă n g t ạ i h ầ u h ế t c á c g i ế n g k h o a n chothấyviệcchọnvàsửdụngcácphụgia,tínhtoáncôngthứcđơnpha chế, xác định các thông số vữa chưa phù hợp với điều kiện địa chất, đặc biệt nhiệt độ cao áp suất cao.

Vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu thiết kế hệ xi măng bền nhiệt, chống suy giảm độ bền vành đá xi măng; Lựa chọn phụ gia làm nặng và xác định khối lượng riêng vữa tối ưu Chọn các phụ gia chuyên dụng và lập đơn pha chếvữaximăng,x á c địnhcácthôngsốcôngnghệcủavữavàcáctínhchất cơ-lýcủađáximăngphùhợpvớicácđiềukiệngiếngcóápsuấtvỉadịthường caovànhiệtđộcaot ạ i b ể NamCônSơn.

- Bể Nam Côn Sơn có điều kiện địa chất rất phức tạp, đặc biệt là áp suất cao nhiệt độ cao Nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn có thể phân thành hai cấp: 1 (nhiệt độ và áp suất cao) và cấp 2 (nhiệt độ và áp suất rấtcao).

LÝ THUYẾT VỀ ĐÔNG CỨNG VÀ TẠO ĐỘ BỀN CỦA ĐÁ XI MĂNG TRONGĐIỀUKIỆNNHIỆTĐỘVÀÁPSUẤTCAO

Cáctrạngtháivữaximăngtronggiếngkhoan

Mục đích của trám xi măng giếng khoan nhằm cách ly lâu dài các đối tượng sản phẩm và ngăn cản sự liên thông chất lưu qua khoảng không ngoài cột ống chống; gia cố thân giếng không bị sụt lở; ngăn ngừa sự ăn mòn của nước vỉa lên cột ống chống và nâng cao khả năng chịu tải của cột ống chống, trong đó việc cách ly các tầng chứa có ý nghĩa quan trọng nhất.

Quá trình trám xi măng giếng khoan gồm: Sau khi thả cột ống chống, vữa xi măng được bơm qua cột ống chống và dâng lên trám kín không gian vành xuyến giữa các cộtống và thành hệđất đá, sau đó đông cứngthành vành đã bền vững (hình 2.1).

Trạng thái 1: Vữa xi măng ở trạng thái lỏng.Vữa xi măng được bơm qua cột ống chống và di chuyển vào không gian vành xuyến giữa cột ống chống và thành giếng Trong điều kiện giếng khoan, cột vữa xi măng ở thể lỏng sẽ tạo nên tác động áp suất thủy tĩnh và thủy động lên thành và đáy giếng Khối lượng riêng của vữa cần được kiểm soát chặt chẽ, để không quá lớn sẽ gây nứt vỉa, vữa xi măng có thể xâm nhập vào thành giếng, ngược lại nếu khối lượng riêng thấp sẽ gây sự cố mất an toàn, phun trào.

Trạng thái vữa xi măng 2: Vữa xi măng đặc quánh Khi kết thúc giai đoạn bơm ép, vữa xi măng ngoài ống là huyền phù chứa các hạt rắn có khả năng truyền áp suất thủytĩnh Nếu áp suất lỗ rỗng trong vỉa không lớn hơn áp suất thủy tĩnh này thì khí không thể xâm nhập Nhưng, ngay sau đó áp suất trong không gian vành xuyến giảm do sự kết hợp của tạo cấu trúc, độ thải nước và độ co ngót thể tích của xi măng.

Theo tiến độ ngưng kết của vữa xi măng tăng thì ứng suất trượt tĩnh tăng lên đều đặn, và vận tốc ngưng kết gia tăng phụ thuộc vào tính chất của vữa.K h i b ắ t đ ầ u t ạ o c ấ u t r ú c , v ữ a x i m ă n g đ ư ợ c x e m n h ư l à m ô i t r ư ờ n g g i ả x ố p , v ì v ậ y , n ế u n h ư m ộ t p h ầ n c ấ u t r ú c đ ư ợ c h ì n h t h à n h v à c ộ t x i m ă n g t ự n ó k h ô n g d u y t r ì t í n h l i n h đ ộ n g , t h ì v ữ a c ó t h ể c o i l à c ó t í n h t h ấ m

Trạng thái xi măng 3: Vật liệu hai pha.K h i c ộ t x i m ă n g đ ạ t đ ế n t r ạ n g t h á i t ự ổ n đ ị n h , n ó l à m v i ệ c n h ư l à k h u n g l i ê n k ế t c á c h ạ t r ắ n c h ứ a t r o n g p h a l ỏ n g S ự n g ư n g k ế t x i m ă n g t i ế p t ụ c v à s ự t h ủ y h ó a đ ư ợ c đ ẩ y n h a n h Á p s u ấ t ( n a y l à á p s u ấ t l ỗ r ỗ n g ) t i ế p t ụ c g i ả m t h e o m ứ c đ ộ t i ê u h a o n ư ớ c d o t h ủ y h ó a x i m ă n g Đ i ề u đ ó l à m c h o t h ể t í c h g i ả m đ ế n m ứ c n h ỏ n h ấ t h o ặ c s ự c o r ú t k h u n g b ê n t r o n g c ủ a x i m ă n g đ ạ t đ ế n 6 % Đ ồ n g t h ờ i , x ả y ra sự co ngót mạnh, gây ra ứng suất tiếp tuyến trong không gian vành xuyến, chúng có thể tạo ra tác động bổ sung vào các khe nứt và phá vỡ sự liên kết giữa xi măng và cột ống chống và thành giếng.

Sự co rút bên trong của vữa tạo ra độ rỗng thứ sinh trong xi măng, kết hợp với các lỗ rỗng có sẵn trong xi măng Đồng thời do sự thủy hóa liên tục làm giảm thể tích nước, và khả năng chảy qua các lỗ rỗng giảm do tác động của lực hóa học và mao dẫn Sự co rút và giảm thể tích nước làm giảm mạnh áp suất thủy tĩnh của xi măng lên thành giếng.

Trạng thái xi măng 4: Vật liệu cứng - đàn hồi Sau khi kết thúc quá trình thủy hóa, xi măng trở nên đàn hồi và dòn - đẳng hướng, đồng nhất và không thấm. Độ bền của đá xi măng ổn định lâu dài là điều rất quan trọng trong cả thờikỳgiếngkhaithác.Trongsuốtthờigianđó,vànhđáximăngtrong không gian vành xuyến có thể chịu tác động của nhiệt độ trong phạm vi rộng và các tải trọng khi tiến hành bơm ép, sửa chữa giếng và các công việc khác trong các điều kiện vận hành giếng.

Trong nhiều trường hợp, vữa xi măng đã lấp đầy không gian vành xuyến và chất lượng cách ly các vỉa sản phẩm thời gian đầu tương đối tốt, nhưngtheothờigiancácđiềukiệntronggiếngthayđổiđãtạoracácứngsuất, chúng đe doa sự ổn định của vành xi măng Dưới tác động của ứng suất kiến tạo và sự gia tăng rất mạnh áp suất hoặc nhiệt độ trong giếng cũng làm cho vành đá có thể nứt hoặc vỡ thành cục Sự chuyển dịch cột ống chống vềh ư ớ n g x u y ê n t â m s ẽ l à m c h o đ á x i m ă n g c o n g ó t , h o ặ c n h i ệ t đ ộ v à á p s u ấ t t r o n g g i ế n g g i ả m c ó t h ể l à m m ấ t l i ê n k ế t g i ữ a v à n h đ á x i m ă n g v ớ i c ộ t ố n g c h ố n g h o ặ c t h à n h g i ế n g v à t ạ o r a k h e r ấ t n h ỏ S ự g i ả m k h ố i l ư ợ n g r i ê n g c ủ a d u n g d ị c h t r o n g q u á t r ì n h k h o a n v à h o à n t h i ệ n g i ế n g c ũ n g g â y r a s ự p h á h ủ y l i ê n k ế t V i ệ c h o à n t h i ệ n g i ế n g b ằ n g c á c p h ư ơ n g p h á p b ắ n v ỉ a h o ặ c n ứ t t h ủ y l ự c v ỉ a c ũ n g ả n h h ư ở n g x ấ u đ ế n t u ổ i t h ọ c ủ a v à n h đ á x i m ă n g

Trong nhiều trường hợp vành đá xi măng bị phá hủy là do các khe hở rất bé, không dễ phát hiện, rất khó khắc phục và đó cũng là nguyên nhân xâm nhập khí vào vành xuyến giếng khoan.

Đặctínhcủaximăngtrámgiếngkhoan

Tetracalcialuminoferit 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 5%-15%

C3S có vận tốc thủy hóa cao nhất, tạo ra độ bền và tăng nhanh độ bền trong thời hạn đóng rắn sớm, cũng như duy trì vữa xi măng ngưng kết chống ăn mòn sulfat Thành phần C2S đóng rắn chậm sẽ kéo dài đóng rắn của đá xi măng C3A quyết định sự ngưng kết ban đầu và tăng nhanh độ bền trong thời hạn đóng rắn sớm do hoạt tính thủy hóa cao hơn Vai trò của C4AF trong quá trình ngưng kết giống như C3A, nhưng ảnh hưởng của C4AF phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và chất lượng phụ gia.

Sự thuỷ hoá phần silicat của clinke diễn ra cùng với sự tạo ra các sản phẩm khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ, hàm lượng nước trong thể tích phản ứng, sự tham gia của các phụ gia và một số điều kiện khác. Đá xi măng là loại đá nhân tạo, không ổn định nhiệt động học, liênq u a n c h ủ y ế u đ ế n h a i q u á t r ì n h d i ễ n r a k h i đ ó n g r ắ n x i m ă n g l à s ự g i ả i p h ó n g n ă n g l ư ợ n g v à t í n h h ỗ n đ ộ n c ủ a đ ộ n g h ọ c t ạ o c ấ u t r ú c K h i v ữ a x i m ă n g đ ư ợ c l ấ p đ ầ y x u n g q u a n h c ộ t ố n g c h ố n g , v ữ a s ẽ c h ị u t á c đ ộ n g c ủ a s ự c h ê n h á p s u ấ t c a o h ư ớ n g v ề p h í a đ ấ t đ á x u n g q u a n h t h à n h g i ế n g , v à n ư ớ c t r o n g v ữ a t h ấ m l ọ c v à o v ỉ a t r o n g q u á t r ì n h t h ủ y h ó a T r o n g q u á t r ì n h đ ó n g r ắ n , n ư ớ c t h ấ m lọc đivào vàovỉa,cáchỗnhợp hydrattạocấutrúcvàhìnhthànhvànhđáximăng giữa cột ống chống và đất đá xung quanh thành giếng khoan.

Trong điều kiện nhiệt độ giếng khoan dưới 110 0 C, xi măng tiếp tục thủy hóa và đạt độ bền trong thời gian dài (từ vài ngày cho đến vài năm) cho đến khi đạt độ bền tới hạn Nhưng khi nhiệt độ trên 110 0 C, xi măng đạt độ bềnc ự c đ ạ i t r o n g k h o ả n g v à i t u ầ n đ ầ u t i ê n , s a u đ ó đ ộ b ề n b ắ t đ ầ u g i ả m d ầ n Đ â y l à h i ệ n t ư ợ n g s u y g i ả m đ ộ b ề n ( T h e s t r e n g t h r e t r o g r e s s i o n )

[ 2 8 , 3 4 , 4 5 ] T r o n g m ộ t s ố t r ư ờ n g h ợ p s ự s u y g i ả m đ ộ b ề n đ ế n đ i ể m p h á h ủ y v à c ư ờ n g đ ộ s u y g i ả m c à n g t ă n g k h i n h i ệ t đ ộ t ă n g l ê n Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới độ bền và độ thấm của đá xi măng liên quan mật thiết tới thành phần và đặc tính khoáng vật có trong đá xi măng Mỗi sản phẩm hidrat hóa chỉ hình thành và tồn tại bền vững cùng các yếu tố nhiệt động học nhất định (ở đây chủ yếu là nhiệt độ) Khi đưa ra khỏi điều kiện tối ưu, tổ hợp khoáng sẽ biến đổi và dẫn tới biến đổi cấu trúc đá.

Quátrình hóa-lýđóngrắn củavữaxi măng[9,19,46,48]

Khi nhiệt độ dưới 110 0 C, sản phẩm thủy hóa của xi măng là calcium silicat hydrat ký hiệu C-S-H(II) hoặc (C2SH2) và vôi (Ca(OH)2.

C-S-H(II) thuộc loại silicat hydrat đồng dạng tobermorit, cấu trúc tinh thể của chúng giống như khoáng vật tobermorit tự nhiên có thành phần5CaO.6SiO2ã5H2O.

Các hạt C-S-H có dạng hình phiến mỏng hoặc dạng lá, bề dày hai ba lớp Những phiến này trong phương ngang có thể xoắn lại thành sợi Silicat hydrat có tỉ bề mặt lớn đạt đến (13-14).10 3 m 2 /kg Ở nhiệt độ dưới 90-110 o C, C-S-H (II) có hàm lượng canxi oxit cao hơn Ở nhiệt độ 80 o C tỉ số CaO/SiO2đạt đến trị số giới hạn, bằng 2.

Khi nhiệt độ trong khoảng 110 0 C và 120 0 C, quá trình tái kết tinh calcium silicat hydrat đóng vai trò quyết đinh C-S-H(II) sẽ bắt đầu tái kếtt i n h t h à n h h ệ -diacalciums i l i c a t (-

Ca2(HSiO4)OH.Chúngcócấutrúctinhthể,tỉkhốicao,tínhthấmcaovàđộ bềnnénthấp.

Nguyên nhân làm cho độ bền giảm và tính thấm cao là do những đặc điểm trong quá trình hình thành và biến đổi của pha α-C2SH như sau:

+-C2SH được hình thành từ các khoáng trung gian (C-S-H(I), C-S- H(II) và gel C-S-H) theo cơ chế tái kết tinh, hình thành pha khoáng mới;

+- C2SH có khả năng nổi trội về kết tinh thứ cấp (kích thước lớn lên nhưng số lượng tinh thể giảm) làm suy giảm mạnh liên kết giữa các tinh thểv à t ă n g n h a n h đ ộ t h ấ m ;

+ Quá trình kết tinh-C2SH gắn liền với sự co rút cục bộ trong cấu trúc vật liệu (tạo thêm độ rỗng);

+-C2SH là loại khoáng xuất hiện nhanh nhưng lại tồn tại lâu trong một khoảng nhiệt độ tương đối rộng (100180 0 C), nên vừa có ảnh hưởng trong thời gian ngưng kết, vừa có ảnh hưởng lâu dài. Ở nhiệt độ >160 o C có thể tạo thành hydrosilicat C3SH2có công thức đầy đủ là Ca3(Si2O7(OH)6 Ở nhiệt độ khoảng 202 0 C nó chuyển thành C2HS(C) -

hydrat C2S, là hỗn hợp các silicat hydrat calcium-chrondodit Ca(SiO4)2(OH)2và kilchoanit Ca3(SiO7)

Khi tăng nhiệt độ lên, sản phẩm mới xảy ra ở nhiệt độ 150 0 C từ tobermorit thành xonotlit (Ca6Si6O17(OH)2và/ hoặc gyrolit (Ca8(Si4O10)3(OH)46H2O), là những pha có độ thấm và sức kháng nén tương tự như tobermorit Tăng nhiệt độ lên đến 250 0 C, gyrolit biến đổi thành truscottit (Ca7(Si4O10)(Si8O19(OH)4H2O, nó có độ thấm cao và sức kháng nén thấp so với tobermorit.

Trên hình 2.3 Giản đồ pha khoáng vật hệ CaO-SiO2-H2O, mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ và thành phần hóa học của xi măng tới sự hình thành và tồn tại của các khoáng sản phẩm hydrat hóa chính có trong đá xi măng.

Hình2.3.GiảnđồphakhoángvậthệCaO-SiO 2 -H 2 O[18,47]. Ở nhiệt độ chưa cao (thường là < 70 0 C), tính không ổn định nhiệt động học không gây tổn hại đáng kể tới độ bền của đá xi măng Nhưng, ở nhiệt độ cao, đặc biệt là cao hơn 100 0 C (như trong điều kiện giếng khoan sâu), quá trình biến đổi cấu trúc xảy ra nhanh tới mức ta có thể nhận biết được qua các thí nghiệm thông thường và gây tác hại rất lớn.

Trên hình 2.4 Biểu đồ độ bền nén phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian đóng rắn [9].

Trên hình 2.5 Độ thấm khí của đá xi măng phụ thuộc vào nhiệt độ vàt h ờ i g i a n đ ó n g r ắ n [ 4 7 , 5 2 ]

Biệnphápchốngsuygiảmđộbềncủaximăngtrám

Xi măng chủng loại G theo tiêu chuẩn API, có tỉ lệ: số mol CaO/ sốm o l S i O2nằm trong khoảng 2,5÷3 Các nghiên cứu cơ bản cho thấy sự hình thành và biến đổi cấu trúc của α-C2SH là nguyên nhân chính gây ảnh hưởng xấu tới độ bền và độ thấm của đá xi măng [9,47]. Đểổnđịnhđộbềncủađáximăng,cóthểthựchiệnmộthoặcđồngthời mộtvàigiảiphápsau:

1) Tạomôitrườngmàởđó-C2SHkhôngcókhảnăngtồn tạiổnđịnhđể hạnchếtáchại củanó;

3) Chủ động tạo ra những pha khoáng mới vừa có khả năng tồn tại ổn định trong môi trường nhiệt độ, vừa có tính tạo cấu trúc tốt.

Xi măng giếng khoan bền nhiệt trên cơ sở xi măngv à c á t n g h i ề n ( S i l i c a F l o u r ) l à l o ạ i đ ư ợ c c h ế t ạ o t h e o t i ê u c h í : ( 1 ) c h ủ đ ộ n g t ạ o r a n h ữ n g p h a k h o á n g m ớ i v ừ a c ó k h ả n ă n g t ồ n t ạ i ổ n đ ị n h t r o n g m ô i t r ư ờ n g n h i ệ t đ ộ , v ừ a c ó t í n h t ạ o c ấ u t r ú c tốt và (2) ổn định phakhoáng được tạo radựa vào giản đồ pha về sự tồn tại của các canxi silicat hydrat ở những điều kiện nhiệt độ khác nhau để thiết kế thành phần của xi măng bền nhiệt Dựa vào đặc điểm mỗip h a k h o á n g c h ỉ h ì n h t h à n h v à t ồ n t ạ i ở m ộ t k h o ả n g n h i ệ t đ ộ n h ấ t đ ị n h , ở đ i ề u k i ệ n n h i ệ t đ ộ c h ư a quá cao, cố gắng ổn định cácpha C-S-H(I),C-S-H(II), Gel C-S-H; còn ở các nhiệt độ cao hơn, cố gắng để tạo được các pha khoáng mới khác là Tobermorit hoặcXonotlit (hình 2.6)

Thành phần hóa học xi măng cho phép ổn định khoáng C-S-H(I), C-S- H(II), Gel C-S-H và nhận được với hàm lượng cực đại khoáng Tobermorit, Xonotlit cho các khoảng nhiệt độ khác nhau được ứng dụng rộng rãi trong thực tế là:

Tỉ số CaO/SiO2= 0,91đ ả m b ả o y ê u c ầ u C a O / S i O 2< 1 đối với xim ă n g b ề n n h i ệ t t r o n g k h o ả n g n h i ệ t đ ộ > 1 8 0 0 C; đảm bảo bền nhiệt và ổn định khoáng Tobermorit cho khoảng nhiệt độ 120÷180 0 C.

Bổ sung lượng Silica35-40%theokhối lượng,sẽlàmvận tốcphản ứng CaO giảm trong vữa, lượng CaO nhu cầu nhỏ hơn lượng SiO2,do đó tỉ số thành phần CaO/SiO2đạt1,0 Điềuđósẽ hạn chế sự biếnđổipha vàduytrì cấu trúc vi mô, duy trì ổn định tính chất cơ học của xi măng.

Các silica thô tác dụng với C-S-H tạo ra Tobermorit, còn hạt mịn cùng với C-S-H trực tiếp tạo thành Gyrolit và Truscolit không qua pha Tobermorit[44,46]sẽhạnchếsựgiảmbiếnđổiphavàduytrìcấutrúcvimôkhôngbị

ẢnhhưởngcủaSilicađộbềnvàđộthấmcủaximăng

Bổ sung Silica vào xi măng cho phép hình thành pha xi măng giàus i l i c a nhưlàTobermorit vàXonotlit.Đ â y làbiệnphápđượcphát hiện hơn50 năm trước đây và hiện nay đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp [9,28,34]. Đặc tính quan trọng chịu nhiệt của đá xi măng trám là tạo ra các hợp chất ổn định nhiệt động lực khi xi măng đóng rắn trong các điều kiện thủy nhiệt nhất định Ngoài ra, các hợp chất này phải có các tính chất tạo cấu trúc tốt để đá xi măng đạt được độ bền cao và độ thấm thấp Các tính chất tạo cấu trúc tốt là các tinh thể có độ phân tán cao Các hợp chất ổn định được tạo thành không phải là những hợp chất trung gian giả bền mà là những hợp chất hình thành ngaytrong giai đoạn đầu tiên của quá trình đóng rắn Mỗi một quá trình tái kết tinh trong cấu trúc được hình thành của đá xi măng đều kèm theo sự thay đổi tính bền.

- Cát thạch anh có độ sạch cao, cỡ hạt tối ưu từ 425m (3,3%), 150m (85%), 75m( 1 0 % )

- Cát nghiền (Silica flour) có khối lượng riêng:2,60÷ 2,63 g/cm 3 ; các cỡ hạt 105m (3%), 75m( 1 0 % ) , 4 5m (88%).

- Silica bột (Silica Fume) [41] là một phụ gia siêu phân tán, đặc trưng bởi hàmlượng cao các silica vô định hình với tỉ bề mặt cao, cho phép vật liệu đạt độ bền cao (55-80MPa) và siêu cao (trên 80MPa) Silica bột có chức năng tác dụng như một chất pouzzlan, phản ứng giữa dioxit hàmlượng cao (SiO2>85%)vớiCa(OH)2.Silicabột cókíchthướchạtnhỏhơnximăng100-150lần,cótínhkếtdínhcaochophéplấpđầycáclõrỗngvimôgiữacáchạtximăng, làm giảm mạnh khả năng thấm nước và tăng mạnh liên kết giữa cốt liệu vớix i m ă n g

⚫ Nanosilicalàvậtliệucóhoạttínhpouzzolanrấtcao,gồmnhữnghạt dạng thuỷ tinh có kích thước bé hơn khoảng 1000 lần so với các hạt xi măng trung bình.Đó làmột phụ giarất tốt cho xi măng đểnâng cao độ bền,tuổi thọ và giảm độ thấm Nanosilica thường có hai cỡ hạtt ừ 5 - 5 0 n m

EilervàNelson [5,23]đãnghiêncứu ảnh hưởngcủathànhphầnhạtcủa silica trong hỗn hợp với xi măng G đến độ bền nén ở các mức độ nhiệt độ khác nhau đến độ bền nén và độ thấm của đá xi măng.

Trên hình 2.7 Độ bền nén phụ thuộc vào cỡ hạt và nhiệt độ: 135 o C,

Hình2.7.Độbềnnénphụthuộcvào cỡ hạt ở nhiệt độ khác nhau Hình2.8.Độthấmphụthuộcvàocỡ hạt ở nhiệt độ khác nhau

Herianto [29] đã nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng silica SS1-A đến độ bền nén trong điều kiện nhiệt độ 150 0 C, áp suất 13,78MPa trình bày trong bảng 2.2 và minh họa trên hình 2.9.

Thànhphầnhỗnhợp Xi măng và Silica Độbềnnén(MPa)

Kết quả thí nghiệm trên cho thấy rằng, với 0% và 10% SSA-1 độ bền nén của xi măng có giá trị thấp nhất và thay đổi không nhiều Đá xi măng với 20% SSA-1 độ bền của đá xi măng có tăng lên, nhưng sau 7 ngày độ bền giảm Trong các hỗn hợp xi măng với 30%SSA-1 và 40% SSA-1 cho thấyđộ bền nén tăng dần trong 3 ngày đầu Sau đó, độ bền nén của hỗn hợp xi măng có 30% SSA-1 giảm, trong khi đó độ bền nén của hỗn hợp4 0 % S S A - 1 t ă n g l ê n t h e o t h ờ i g i a n ; v ớ i t ỉ l ệ silicatrong khoảng 35%-40%độ bền nén đạt trị số cao nhất.

Các kết quả nghiên cứu độ bền nén trên đây (hình 2.9) chỉ giới hạn ở nhiệt độ 150 0 C và áp suất 13,78MPa và thời gian bảo dưỡng 7 ngày,cho nên kết quả chưa phản ánh được điều kiện thực tế trong các giếng khoan.

2.5.3 Xác định độ bền nén của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

Tại phòng thí nghiệm của Công ty Halliburton đã tiến hành thí nghiệm hưởng của nhiệt độ rất cao đến độ bền nén và độ thấm của đá xi măngG +

Trongbảng2.3.ĐộbềnnéncủaXimăng+35%SSA-1cókhốilượng riêng1 , 9 0 g/cm 3 và2,04g/cm 3 phụthuộcnhiệtđộvàthờigianbảodưỡng.

Khốilượng riêng vữa,g/ cm 3 Độbềnnéntrongkhoảngthờigian(MPa)

Hình2.11.Đ ộbền néncủaximăng+35%Silicacókhốilượngriêngvữa 2,04 g/cm 3

Trongbảng2.4.Độthấmximăng+35%SSA-1vớikhối lượngriêng 1,90g/cm 3 v à 2 , 0 4 g/cm 3 phụthuộcvàonhiệtđộvàthờigianbảodưỡng.

Nhiệtđộ, 0 C Khốilượngriêng vữa, g/cm 3 Độthấm(mD)

- Độbềnnén củaximăng +35%SSA-1đạtđượcđộbềnnén cựcđạitrong điều kiện nhiệt độ từ 160-210 0 C và ổn định trong khoảng 28 ngày.

- Khi thời gian đóng rắn của xi măng + silica tăng lên thì độ thấm giảm. Nói chung độ thấm tất cả các mẫu thí nghiệm đều nhỏ hơn 0,1mD, hoặc có mẫu bé hơn 0,01mD. Đểxácđịnhảnhhưởngđồngthờicủanhiệtđộvàápsuấtcao(tươngtự điềuk i ệ n b ể N a m C ô n S ơ n ) đ ế n đ ộ b ề n c ủ a đ á x i m ă n g , đ ã t i ế n h à n h thí nghiệmx á c đ ị n h độ bềnn é n b ằ n g p h ư ơ n g p h á p khô ng pháh ủ y U C A với thành phần xi măng mác G + 35% silica SSA-1 Kết quả thí nghiệm trình bày trong bảng 2.5 và phụ lục 1.

(giờ,phút) Độbềnnéntrong thờigian,(MPa)

- Độbềntốithiểucủađáximăngbằng3,45MPatừ12giờ54phútđến 21giờ06phút.

Nhưvậy,ximăng mácGkhibổsungphụgia 35%SSA-1 cóthểsửdụng trámgiếngkhoan trongđiềukiện nhiệtđộvà áp suất caobể NamCôn Sơn, kể cả khi nhiệt độ trong giếng đạt đến 193 0 C.

- Xi măngm á c G t i ê u c h u ẩ n API trong điều kiện nhiệt độ trên

110 0 C, độ bền của xi măng giảm, độ thấm tăng lên, vì vậy, để trám giếng khoan xi măng mác G nhất thiết phải bổ sung silica đạt tỉ số CaO/SiO2≤ 1.

- Bổ sung 35% silica SSA-1 vào xi măng mác G trong điều kiện nhiệt độ 193 0 C độ bền nén của đá xi măng đáp ứng các yêu cầu chất lượng trám giếng khoan SSA-1 là phụ gia có độ tinh khiết cao, cỡ hạt phù hợp với nhiệt độ cao, cho phép đạt được độ bền nén tối ưu.

- Xi măng mác G khi bổ sung 35% hàm lượng SSA-1 có thể sử dụng trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ đến 193 0 C và áp suất cao bể Nam Côn Sơn.

Silica có khả năng làm cho xi măng có tính thủy lực, nghĩa là khả năng đóng rắn, làm việc lâu bền trong môi trường nước Tăng hàm lượng SiO2sẽ làmchậmthời gian ngưng kết củavữaximăng vàtăng độ chốngsulfat củađá xi măng Ngoài ra, silica khi kết hợp với một số phụ gia khác sẽ cải thiện các tính chất của vữa trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VỮA VÀ ĐÁ XI MĂNG TRONGĐIỀUKIỆNNHIỆTĐỘVÀÁPSUẤTCAO

Xácđịnhkhốilượngriêngvữaximăngtrámgiếngkhoan

Khối lượng riêng của vữa xi măng là một trong những đặc tính quan trọng để đánh gia chất lượng của vữa xi măng Thay đổi khối lượng riêng của vữa xi măng bằng cách thay đổi tỉ lệ nước - xi măng Sự thay đổi khối lượng riêng sẽ làm thay đổi chế độ công nghệ bơm trám và có thể dẫn đến sự phức tạp, đặc biệt sẽ làm tăng áp suất khi trám xi măng Tỷ lệ nước - xi măng còn phụ thuộc vào các tính chất lý - hóa khác, cho nên cần kiểm soát thường xuyên khối lượng riêng vữavà không cho phép vượt trị số quyđịnh, nếu vượt sẽ làm giảm chất lượng của đá xi măng Sai số của khối lượng riêng vữa cho phép trong khoảng 0,02 g/cm 3

Trong điều kiện các vỉa có áp suất dị thường cao, thân giếng có đường kính nhỏ thì cửa sổ giữa áp suất vỉa và áp suất nứt thủy lực vỉa rất bé. Đển g ă n n g ừ a s ự x â m n h ậ p d ầ u k h í t r o n g g i ế n g , á p s u ấ t t h ủ y t ĩ n h c ủ a c ộ t v ữ a t r á m p h ả i t ư ơ n g đ ố i c a o đ ể c â n b ằ n g v ớ i á p s u ấ t l ỗ r ỗ n g c ủ a v ỉ a , n h ư n g đ ồ n g t h ờ i c ũ n g p h ả i t ư ơ n g đ ố i t h ấ p đ ể k h ô n g g â y r a n ứ t v ỉ a K h i k h ố i l ư ợ n g r i ê n g c ủ a v ữ a x i m ă n g c a o v à đ ộ c h ả y t ỏ a t h ấ p c ó t h ể l à m c h o v ữ a x â m n h ậ p v à o đ ấ t đ á t r ê n t h à n h g i ế n g t r o n g q u á t r ì n h t r á m và vữa không dâng cao đến chiều cao thiết kế Trong điều kiện giếng khoan, khi độ thải nước cao sẽ rút ngắn thời gian quánh và có thể gây ra những phức tạp trong quá trình bơm trám.

Trong các điều kiện địa chất - kỹ thuật bể Nam Côn Sơn thường gặpc á c v ỉ a c ó á p s u ấ t d ị t h ư ờ n g c a o Đ ể t r á m giếng khoan và cách lycác tầng sản phẩm, yêu cầu đầu tiên là phải tạo ra trên vỉa một phản áp hệ vỉa - giếng khoan trong quá trình tạo vành đá bền vững Khí có thể xâm nhập vào không gianvànhxuyếnvàphuntràotrongquátrìnhđóngrắnvữaximăngdocác thông số của vữa xi măng không phù hợp với các điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao trong giếng khoan. Để kiểm soát sự xuất hiện dầu khí trong giếng, quan hệ giữa áp suất thủy tĩnh, áp suất vỉa, khối lượng riêng của vữa và áp suất nứt vỉa thủy lựcn h ư t r o n g p h ư ơ n g t r ì n h 1 p v ≤ρgh≤p nv (3.1)

Trong đó:p v– áp suất vỉa (Pa);– khối lượng riêng củavữa (kg/cm 3 );h– chiều sâu bơm trám (m);g– gia tốc trong lực (9,8m/s 2 );p nv– áp suất nứt thủy lực vỉa (Pa).

Trênhình3.1biểuđồápsuấtvỉa(p v ),ápsuấtnứtvỡvỉa(p nv )tạicáckhu vực thuộcbể NamCôn Sơncho thấycửa sốgiữa pvvàpnvrấthẹp, điều đóđòi hỏi phải kiểm soát thường xuyên các dạng áp suất trên.

Trong điều kiện bể Nam Côn Sơn, trong các vỉa có áp suất cao yêu cầu khối lượng riêng vữaxi măng phải đạt đến 1,9-2,2 g/cm 3 hoặccao hơn Trong điều kiện bình thường, đối với xi măngm á c G t i ê u c h u ẩ n A P I , t ỉ l ệ

Hình3.1.Biểuđồgradp v ,gradp nv bểNamCônSơn

Mọisaisốvềkhốilượngriêng,xảyrakhiđóngrắnvữaximăngtrênbề mặt có thế dẫn đến sự biến đổi lớn các thông số quan trọng, như thời gian quánh và thời gian ngưng kết Sự dịch chuyển không đều đặn trên bề mặtc ũ n g cóthểhìnhthànhngoàicộtốngcộtvữakhôngđồngnhất,từđódẫnđến sựlắngđọngpharắn,xuấthiệnnướctựdo.Vìthế,trongquátrìnhbơmtrám phảitheodõivàkiểmtrakhốilượngriêngcủavữaximăng.

Khối lượng riêng của vữa xi măng có thể nâng lên yêu cầu bằng cách chọn chất làm nặng có khối lượng riêng cao đồng thời giảm tỉ số nước-xi măng hoặc nâng cao khối lượng riêng chất lỏng pha trộn Trong điều kiện trám xi măng bể Nam Côn Sơn, việc nâng cao khối lượng riêng vữa xi măng bằng cách sử dụng các chất làm năng có khối lượng riêng cao là hiệu quảnhất.

Trong công nghệ trám xi măng thường sử dụng các phụ gia làm nặng: Barit (BaSO4) có tỉ trọng 4,1 đến 4,5 và độ cứng Mohs 2,5-3,5; Ilmenit (FeTiO2) - có tỉ trọng4 , 5 - 5 , 0 , đ ộ c ứ n g M o h s 5 - 6 ;

Trên cơ sở phân tích thực tế trám xi măng giếng khoan bể Nam Côn Sơn, các sản phẩmHi-Dense 4 và MicroMax được chọn làmchất phụ gia làmnặng.

- Hi-Dense4làphụgialàmnặng củaCôngtyHalliburton,đượcsảnxuất từ nguyên liệu khoáng hematit, không nhiễm từ, không chứa phóng xạ và ít ảnh hưởng đến các tính chất khác của xi măng Phụ gia Hi-Dense 4 có thành phần hạt 45 à chiếm 80%, độ phõn tỏn cao giỳp cho vữa cú độ ổn định tốt (khụng lắng đọng) Hi-Dense chứa các oxit sắt, có thể tạo thành các hydrat ferrit và alumoferrit độ bền cao, rất ổn định trong các chất lưu của vỉa.

- MicroMax có tỉ trọng 4,7-4,9 được chế biến từ khoáng magan hausmanit,cỡhạt5àm,sửdụngrấtcúhiệuquảtrongkhoảngnhiệtđộtừ27 0 C đến2 6 0 0 C.T r o n g c á c g i ế n g k h o a n c ó n h i ệ t đ ộ v à á p s u ấ t c a o, p h ụ gia ố ượ( ă ă ướ ướ áụ) ể í ( á ụ )

Chọntỉlệhàmlượng cácchấtlàmnặng chovữavữaxi măng đồthị (hình3.2).

Kết quả tính toán khối lượng riêng hợp lý của vữa xi măng trám giếng khoan với hàm lượng các phụ gia tăng trọng Hi-Dense và Micromax và tỉ lệN/XM trình bày trong bảng 3.1.

Tổnglượn gnướctrộn (gal/sack) , Ápsuất, MPa

Khối lượng riêng của vữa xi măng đề xuất trên đây cho phép nâng cao chất lượng trám xi măng các giếng khoan sâu ở bể Nam Côn Sơn và ngăn ngừa sự xâm nhập khí, đây là một trong những dạng phức tạp rất nguy hiểm và thường xảy ra khi trám xi măng trong điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao.

Thờigianquánh của vữaximăng

Thời gian quánh của vữa xi mănglà khoảng thời gian tính từ lúc bắt đầu trộn xi măng với nước cho đến thời điểm vữa xi măng đạt trị số 100 Bc (độ quánh Bearden) - bằng thời gian vữa xi măng ở trong trạng thái bơm Đơn vị độ quánh Bearden là trị số không thứ nguyên từ 0-100 đơn vị.

Thời gian quánh là một thông số quan trọng đặc trưng cho tính chất của vữa xi măng Khi trộn xi măng với nước lập tức sẽ xảy ra phản ứng giữa các thành phần khác nhau, do đó làm tăng độ nhớt của vữa xi măng.

Thời gian quánh được xác định trong phòng thí nghiệm đối với từng loại xi măng và là chỉ tiêu so sánh các loại xi măng khác nhau.

Trong quá trình bơm trám giếng khoan, thời gian quánh phải lớn hơn thời gian bơm trám xi măng để ngăn ngừa xi măng đóng rắn trong đầu trám, cột cần khoan hoặc nằm lại bên trong ống chống Thời gian quánh và độ nhớt của vữa được tối ưu hóa, để vữa xi măng duy trì khả năng bơm ép trong suốt khoảng thời gian vữa xi măng lấp đầy đoạn chiều dài trám và đạt đến chiều cao yêu cầu ngoài cột ống.

TrongđóT CM,T P,T V,T PL,T DT–thờigiantươngứngvới cácthaotáckhuấy trộn, chuẩn bị, bơm ép, di chuyển nút, và thời gian dự trữ (khoảng 30 phútđ ế n 1 g i ờ )

TrongđóVxm–thểtíchximăngkhô,lbao;vxm–vậntốctrộn,bao/phút. ThờigianT Pc ầ n thiếtchocôngtácchuẩnbịkhiđocácthôngsốvữa. Thôngthườngthờigiannàykhôngnhiềunêncóthếtínhvàothờigiantrộn.

Trong thời gian trộn đồng thời bơm vữa vào cột ống chống trong khi chờ đợi trộn vữa, thời gianT Vđ ể d u n g d ị c h k h o a n é p t ừ t r o n g ố n g c h ố n g v à o k h o ả n g k h ô n g v à n h x u y ế n T h ờ i g i a n n à y p h ụ t h u ộ c v à o t h ể t í c h c ộ t ố n g c h ố n g v à v ậ n t ố c é p , v à b ằ n g l ư u l ư ợ n g c ủ a m á y b ơ m , b ằ n g

T xm=1/60(Vd/n1QIV)+Vxm/n2QIV+0,98•V cp/(n-1)•Q III+0,02•(V cp/QIII)+10(3.6)

Trong đóV d- Thể tích dung dịch đệm, m 3 ;V cp- Thể tích dung dịchb ơ m é p , m 3 ;Q IV- lưu lượng bơm với vận tốc số IV, dm 3 /s;Q III- lưu lượng bơm với vận tốc số III, dm 3 /s; số thiết bị bơm trám –n.

3.2.2 Thiếtbịđothờigianquánhcủavữaximăng Độ quánh và thờigian quánh của vữaxi măng đượcđobằng máyđođộ quánh Fann 290 HPHT (Hình 3.3), có áp suất tối đa là 207MPa và nhiệt độ

204 0 C Máy đo độ quánh Fann 290 HPHT được sản xuất theo Tiêu chuẩn API/RP-10B và Phụ lục kèm theo API RP 10B Trong thời gian thí nghiệm, cácthôngsốđượcghilạivàxửlýtheophầnmềmIPRO Việcđiềukhiểnthiết bị được hiển thị qua màn hình tinh thể lỏng.

3.2.3 Xácđịnhthờigianquánhcủavữaximăng. Để nghiên cứu thời gian quánh của vữa xi măng trong điều kiện nhiệtđ ộ v à á p s u ấ t c a o , đ ã l ậ p đ ơ n p h a c h ế v ữ a n h ư t r o n g b ả n g 3 2

Trong bảng 3.3 Bảng tổng hợp vể thời gian quánh của vữa xi măng có khốilượngriêng 2,04- 2,22g/cm 3 trongđiều kiện nhiệtđộ vàápsuất cao (phụ lục 1).

Khốilư ợng riêngv ữa,(g/c m 3 ) Điềukiệnthínghiệm Thờigianquánh(giờ,phút)

A 2,04 125 67 08giờ52phút 08giờ53phút 08giờ53phút

B 2,13 135 70 05giờ11phút 05giờ52phút 05giờ58phút

C 2,13 140 76 05giờ00phút 06giờ53phút 06giờ54phút

F 2,22 155 85 06giờ12phút 06giờ13phút 06giờ13phút

E 2,22 150 88,88 01giờ13phút 08giờ30phút 08giờ35phút

D 2,10 177 93 10giờ05phút 10giờ05phút 10giờ18phút

G 2,22 177 103,4 10giờ05phút 10giờ05phút 10giờ18phút

Trên các hình 3.4 - 3.10: các biểu đồ minh họa thời gian quánh của vữa xi măng trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau.

2,04g/cm 3 ở nhiệt độ 125 0 C, áp suất 67 MPa (mẫu A).

Trên biểu đồ: đường màu đỏ - nhiệt độ của vữa; đường màu xanh lục - nhiệt độ dầu; đường màu tím - áp suất; đường màu xanh - độ quánh của vữa.Kết quả thí nghiệm của mẫu A cho thấy, ở thời điểm khởi động 0giờ00phút;đến 8giờ 52phút đạt 70Bc, đến 8giờ 53phút là thời điểm vữa có độ quánh100Bc và 8giờ 53phút làthời gian quánh của vữa.

Hình3.5-Thờigianquánhcủavữaximăngcókhốilượngriêng2,13g/cm 3 ởnhiệtđộ135 0 Cvàápsuất70MPa(mẫuB).

Hình3.6.Thờigianquánhcủavữaximăngcókhốilượngriêng2,13g/cm 3 ở nhiệtđộ140 0 Cvàápsuất76MPa(mẫuC).

Hình3.7-Thờigianquánhcủavữaximăngcókhốilượngriêng2,22g/cm 3 ởnhiệtđộ150 0 Cvàápsuất89MPa(mẫuD)

Hình3.8-T h ờ i gianquánhcủavữaximăngcókhốilượngriêng2,22g/cm 3 ởnhiệtđộ155 0 Cvàápsuất85MPa(mẫuE).

Hình3.9-Thờigianquánhcủavữaximăngcókhốilượngriêng2,10g/cm 3 ởnhiệtđộ177 0 Cvàápsuất93MPa(mẫuF).

Hình3.10-Thờigianquánhcủavữaximăngcókhốilượngriêng2,04g/cm 3 ởnhiệtđộ177 0 Cvàápsuất103MPa(mẫuG)

Từcáckếtquảthí nghiệmtrênđây,chophépnhậnxét rằngnhiệt độvà áp suất tăng lên thì thời gian quánh rút ngắn lại Còn ở nhiệt độ cao trên1 7 7 0 C và áp suất trên 93 MPa thì thời gian quánh của vữa kéo dài Từ đó, khi lậpđơnphachếchocáckhoảngcónhiệtđộvàápsuấtcóđiềukiệntươngtự cần phải điều chỉnh các phụ gia chậm ngưng kết theo dõi đồ thị thời gian quánh củza vữa, cho phép mô hình hóa thời gian quánh bằng cách thay đổi hàm lượng chất phụ gia HR-25L.

Nhiệt độ và áp suất cao làm rút ngắn thời gian quánh của vữa Bổ sung phụ gia HR-25L là giải pháp chủ yếu và hiệu quả để duy trì và cải thiện các tính chất công nghệcủaxi măng: tăng thờigian quánh củavữaxi măng đạt trị số100 Bc trongkhoảng6-8giờ, đảmbảo an toàn trong thời gian bơmép; làm chậm thời gian ngưng kết của vữa xi măng;n g ă n n g ừ a s ự s u y t h o á i đ ộ b ề n c ủ a x i m ă n g v à n â n g c a o c á c t í n h c h ấ t c ơ h ọ c c ủ a v à n h đ á x i m ă n g ở n h i ệ t đ ộ t r ê n đ á y g i ế n g k h o a n ( 1 4 0 o C-180 o C).

Độbềnnéncủađáximăng

Công tác trám xi măng các giếng khoan dầu khí thường sử dụng trị số độ bền nén như là chỉ tiêu duy nhất để đánh giá tính chất của vành đá xim ă n g , đ ả m b ả o k h ả n ă n g g i a c ố v à đ ộ k í n k h o ả n g k h ô n g v à n h x u y ế n T r o n g đ i ề u k i ệ n b ì n h t h ư ờ n g , x i m ă n g c ó đ ộ b ề n n é n 3 , 4 5 M P a c ó t h ể x e m n h ư t h o ả m ã n c h o c ô n g t á c t r á m x i m ă n g T r o n g c á c g i ế n g k h o a n n h i ệ t đ ộ v à á p s u ấ t c a o c á c ứ n g s u ấ t l u ô n b i ế n đ ổ i d o c á c t á c đ ộ n g c ơ h ọ c , v à d o á p s u ấ t v à n h i ệ t đ ộ t h a y đ ổ i t h e o c h ế đ ộ k h a i t h á c S ự t h a y đ ổ i c á c đ i ề u k i ệ n t r o n g g i ế n g k h o a n l à m p h á t s i n h c á c ứ n g s u ấ t p h á v ỡ s ự ổ n đ ị n h c ủ a v à n h đ á x i m ă n g n g o à i c ộ t ố n g c h ố n g C á c ứ n g s u ấ t k i ế n t ạ o v à s ự b i ế n đ ổ i v ề á p s u ấ t h o ặ c n h i ệ t đ ộ t r o n g g i ế n g k h o a n c ó t h ể l à m rạn nứt vành đá và sụt lún Đường kính cột ống chống bị biến dạng do tác động của sự biến đổi nhiệt độ và áp suất cũng có thể phá vỡ sự dính kết của vành đá xi măng với cột ống chống hoặc tầng chứa, tạo thành các khe hở vi mô [1,6].

Trong công nghiệp dầu khí thường phân ra hai loại độ bền nén của xi măng.Độ bền nén non tuổilà độ bền nén của xi măng vào lúcbắt đầu sau khi chuẩn bị và di chuyển trong thân giếng vàđộ bền nén lâu dàilà độ bền nén củaxi măng sau khi hoàn tất quá trình hydrat hóavàvận hành giếng khoan cả sau vài năm khai thác [42,49].

Nghiên cứu độ bền nén non tuổi đối với các loại xi măng trám giếng khoan dầu khí là một nhiệm vụ quan trọng trong khâu thiết kế xi măng trám. Kếtquảtínhtoánđộbềnnénnontuổicủaximăngtrámgiếngkhoanchophép gia cố cột ống và cách ly thủy lực/ cơ học thành giếng.

Hiện nay, theo tiêu chuẩn API RP 10B-2/ ISO 10426-2, tính chất cơh ọ c c ủ a đ á x i m ă n g n ó i c h u n g v à đ ộ b ề n n é n n ó i r i ê n g đ ề u t i ế n h à n h t h e o p h ư ơ n g p h á p s i ê u â m k h ô n g p h á h ủ y

Thiết bị UCA (Ultrasonic Cement Analyzer - Thiết bị phân tích xim ă n g b ằ n g s i ê u â m ) l à m v i ệ c t h e o n g u y ê n l ý s o s á n h g i ữ a t h ờ i g i a n t í n h i ệ u s i ê u â m x u y ê n q u a m ẫ u x i m ă n g v ớ i đ ộ b ề n n é n c ủ a m ẫ u đ ư ợ c đ o b ằ n g b ằ n g p h ư ơ n g pháppháhủytruyềnthốngtrongcácđiềukiệntươngtựdướitácđộng của tải trọng cơ học Sự liên kết giữa thời gian sóng siêu âm xuyên qua và độ bền nén của xi măng cần bằng thực nghiệm Vì vậy, “độ bền âm học” là mức độ phát triển độ bền của mẫu xi măng và đo trực tiếp vận tốc âm xuyên qua mẫu, và “độ bền nén” đo trực tiếp và xác định bởi lực cần thiết để phá hủy mẫu đá xi măng.

Phương pháp thí nghiệm siêu âm, không phá hủy xi măng trám, trước hếtlàthuthập cácsốliệuvềđộpháttriểncủađộbềnnéntheothờigian,trong các điều kiện tương tự nhiệt độ cao áp suất cao trong giếng “Độ bền âmhọc” xácđịnhtheo máyUCAlàtrịsốtínhtoán,còn “độbềnnén”củamẫu ximăng đượcđotrựctiếpkhipháhủydướitácđộngcủatảitrọngcơhọc.Haitrịsố xácđịnhtrongcácđiềukiệngiốngnhau,nhưngvớiphươngphápkhácnhau, trịsốtuyệtđốikhôngnhấtthiếtgiốngnhau.

Trongbảng3.4.Bảngtổnghợpkếtquảnghiên cứu ảnhhưởng củanhiệt độ và áp suất cao đến độ bền nén của vữa xi măng có khối lượng riêng 2,04 – 2,22 g/cm 3 (xemp h ụ l ụ c 1 )

Khối lượng riêng vữa, g/cm 3 Điềukiện thínghiệm Thờigianđạtđếncácgiátrị độ bền nén (giờ phút)) Độbềnnénđạtđược theothờigian(MPa)

Trêncáchìnhtừ3.13-3.19:sựpháttriểnđộbềnnéncủavữaximăng. Đườngm à u x a n h - nhiệtđộ;đườngm à u đ ỏ -thờigiansu y giảmsóngsiêu âm; đường màu xanh lục - độ bền nén.

Hình3.14.Độbềnnéncủađáximăngkhốilượngriêngvữa2,13g/cm 3 (mẫu B), ở nhiệt độ

Hình3.15.Đ ộbềnnéncủađáximăngkhốilượngriêngvữa2,13g/cm 3 (C) ởnhiệtđộ170 o Cvàápsuất20,67MPa.

Từ trên biểu đồ ta có thể thấy sự phát triển độ bền nén trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao theo thời gian thực Khi nhiệt độ từ 20 0 C tăng dần lên lên đến nhiệt độ 170 0 C (áp suất không thể hiên trên biểu đồ), xảy ra quá trình thủyhóavàtạocấutrúctrongvữaxi măng Saumộtkhoảngthờigianứng suất trượt tĩnh kết thúc, độ bền nén (đường màu xanh lục) phát triển đạt đến giá trị 3,45 MPa tại thời điểm 20giờ 36phút - đây được gọi là độ bền cực tiểu hoặc độ bền nén sớm và sau đạt giá trị cực đại ở thời điểm 48giờ 00phút. Trênbiểuđồcònchophépdự báothờigianchờngưngkếtvàdựbáoứng suấttrượttĩnhcuảvữaximăng.

Hình3.16.Độbềnnéncủađáximăngkhốilượngriêngvữa2,10g/cm 3 (D)ở nhiệtđộ177 o Cvàápsuất93,10MPa

Hình3.17.Đ ộ bềnnéncủađáximăngkhốilượngriêngvữa2,22g/cm 3 (E) ởnhiệtđộ180 o Cvàápsuất 20,67MPa.

Hình3.18.Đ ộ bềnnéncủađáximăngkhốilượngriêngvữa2,22g/cm 3 (F) ởnhiệtđộ180 o Cvàápsuất20,67.

Hình3.19.Đ ộbềnnéncủađáximăngkhốilượngriêngvữa2,22g/cm 3 (G) ởnhiệtđộ193 o Cvàápsuất103,4MPa.

Từcácsốliệutrongbảng3 1 vàđược minhhọatrêncáchình3.14-3.19 cho thấy độ bền nén của đá xi măng với khối lượng riêng khác nhau đều tăng dầnvà đạt các giá tri cực đại dưới táccủa của áp suất cao và gia tăng của nhiệtđ ộ T h ự c t ế c h o t h ấ y h ơ n 9 0 % đ ộ b ề n n é n c ủ a x i m ă n g t r o n g giế ng khoan thường phát triển trong 48 giờ sau thời gian khuấy trộn, cho nên có thể xác định độ bền nén trong khoảng 48 giờ Đó cũng là thời gian tối thiểu trước khi đo địa vật lý giếng khoan.

Một giai đoạn quan trọng trong lúc đầu sau khi trám xi măng là Thời gian chờ đông cứng xi măng Đó là thời gian độ bền nén phát triển trong vữa ngay sauk h i đ ộ b ề n t ĩ n h c ủ a g e l T h ờ i g i a n c h ờ x i m ă n g đ ó n g r ắ n ( W O C w a i t o n c e m e n t ) l à t h ờ i g i a n đ ư ợ c c h ọ n đ ể x i m ă n g c ó đ ộ b ề n n é n c ự c t i ể u , b ằ n g 3 , 4 5

Khi vữa xi măng được điều chế và bơmvào giếng, vữa xi măng bắt đầu thay đổi trạng thái lỏng ban đầu và chuyển dần thành vật thể rắn có ứng suất khi bắt đầu hình thành gel và chất lỏng xuất hiện áp suất thủy tĩnh biểu hiệns ự b i ế n d ạ n g t r ư ợ t v à g e l c ó ứ n g s u ấ t Đ ộ b ề n t ĩ n h c ủ a g e l x u ấ t h i ệ n d o s ự g i ả m t h ể t í c h l à m g i ả m á p s u ấ t S ự c h u y ể n p h a c ó ý n g h ĩ a r ấ t q u a n t r ọ n g , b ở i v ì t r o n g c ộ t x i m ă n g t r ạ n g t h á i b ắ t đ ầ u t ự d u y trì và phần lớn áp suất thủytĩnh khôngchuyển chodòngchảybiến đổi phacónhiềuthờigianđểgiảmthểtích Hiện tượng này dẫn đến sự xâm nhập khí qua vành đá xi măng và làm giảm chất lượng trám xi măng trong giếng khoan Đề phòng sự xâm nhập khí bằng cách giảm thời gian biến đổi pha hoặc nâng vận tốc phát triển độ bền nén của vữa xi măng.

Trên hình 3.21 Mẫu lõi đá xi măng được thí nghiệmtrênmáyđo UCA trong điềukiệnnhiệt độ177 0 C và áp suất93,1 MPa Độ bền nén cực tiểu 3,44MPa trong thời gian 21giờ 08phút, và độ bền nén 9,92 MPa trong thời gian24giờ00phút.

Trên hình 3.21 Mẫu lõi đá xi măng được thí nghiệm trên máy đo UCA trong điều kiện nhiệt độ 193 0 C và áp suất 103,4 MPa Độ bền nén cực tiểu 3,45 MPa trong thời gian 19giờ04phút, và độ bền nén 16,17 MPa trong thời gian 24giờ 00 phút.

Sử dụng xi măng mác G làm xi măng nền, có bổ sung 35% silica SSA-

1 và một số chất phụ gia khác, cho thấy độ bền nén của vành đá xi măng gia tăngrấtnhanhtheonhiệtđộvàápsuất.Độbềnnénnontuổipháttriểnnhanh sẽrút ngắnthờigianbiến đổi pha,làmgiảmnguycơxâmnhậpkhítrongvành đáximăng.

Xácđịnhcáctínhchấtđànhồicủađáximăngtrongđiềukiệnnhiệtđộvàápsuấtcao78 1 Tínhchấtbiếndạngcủađáximăng

3.4.1 Tínhchấtbiếndạngcủađáximăng Đá ximăng bịbiếndạng nhưlàvậtthểđànhồi -dòn:sự pháhủychúng được đặc trưng vào thời điểm khi ứng suất đạt đến giới hạn đàn hồi; sự biến dạng theo định luật Hooke Gia tăng nhiệt độ và áp suất mọi phương có thể làm cho xi măng biến dạng giống như vật thể đàn hồi - dẻo Hệ xi măng dẻo có trị số modun Young thấp và hệ số Poisson cao - thường chịu tải trọng tĩnh và chu kỳtốt hơn so với hệ xi măng giòn có trị số modun Young cao và hệ số Poisson thấp.

Modun đàn hồi của đá xi măng tăng lên theo chiều sâu thế nằm của chúng Modun đàn hồi của đá xi măng phụ thuộc vào thành phần vữa, nhiệt độ, áp suất vỉa, ứng suất kiến tạo. Để bảo đảm độ kín của khoảng không trong vùng tiếp xúc “đá xi măng - cột ống chống” thì đá xi măng cần phải phát triển áp suất nhất định Vì vậy,đ ộ k í n c ủ a g i ế n g k h o a n p h ụ t h u ộ c n h i ề u v à o s ự t h a y đ ổ i t h ể t í c h đ á x i m ă n g k h i đ ó n g r ắ n Đ i ề u đ ó c ó t h ể đ ạ t đ ư ợ c n h ờ s ử d ụ n g h ỗ n h ợ p t r á m , c ó t h ể n ở t r o n g q u á t r ì n h t ạ o c ấ u t r ú c V ì v ậ y , t r ị s ố n ở c ầ n p h ả i l ớ n h ơ n s o v ớ i s ự g i ả m t h ể t í c h c ủ a h ệ d o c o n g ó t , đ ồ n g t h ờ i k h ô n g đ ư ợ c v ư ợ t q u á l ự c t ớ i h ạ n é p n é n h o ặ c p h á v ỡ s ự ổ n đ ị n h c ủ a c ộ t ố n g c h ố n g , v à m ụ c đ í c h c u ố i c ù n g l à g i ả m m o d u n

Trên hình 3.23 - Thiết bị MPRO - Model 6265đ ư ợ c d ù n g đ ể x á c đ ị n h c á c t í n h c h ấ t c ơ h ọ c c ủ a x i m ă n g n h ư hệ số Poisson, Modun Young và một số thông số khác trong nhiệt độ tối đa: 204 o C và áp suất tối đa 52MPa.

Thiết bị phân tích các tính chất cơ học Model 6265 (MPRO) là mộtt h i ế t b ị t h í n g h i ệ m k h ô n g p h á h ủ y , c h o p h é p q u a n s á t q u á t r ì n h t h a y đ ổ i l i ê n t ụ c c á c t í n h c h ấ t c ơ h ọ c c ủ a x i m ă n g ( h ệ s ố P o i s s o n , m o d u n Y o u n g ) m o d u n t h ể t í c h v à đ ộ b ề n n é n c ủ a x i m ă n g t r o n g q u á t r ì n h đ ó n g r ắ n t r o n g c á c đ i ề u k i ệ n á p s u ấ t c a o v à n h i ệ t đ ộ c a o t r o n g c h ế đ ộ t h ờ i g i a n t h ự c C ó t h ể s ử d ụ n g đ ể d ự b á o t h ờ i g i a n đ ó n g r ắ n c ủ a x i m ă n g v à đ ả m b ả o t ố i ư u h ó a t h à n h p h ầ n h ó a h ọ c c ủ a x i m ă n g , n â n g c a o đ ặ c t í n h đ ộ b ề n c ủ a x i m ă n g

Trêncơsởđơnphachếvữaximăng (xembảng3.2),xácđịnhsựbiến đổi các thông số đàn hồi trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.

Trên đồ thị: Đường màu đỏ - hệ số Poisson; đường xanh lam - m o d u n Y o u n g ; đường màu xanhdatrời-modunthểtích;đường màu đen -độ bền nén.

Trong đồ thị: Modun Young đạt đến giá trị 8,61 MPa trong 10 giờ đầu tiên và ổn định ở 15,17 MPa sau 150 giờ thí nghiệm Hệ số Poisson dao động trong khoảng 0,30 - 0,25.

Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, yêu cầu vành đá xi măng bên ngoài cột ống chống trong giếng khoan phải có độ mềm dẻo nhất định. Vìv ậ y , c ầ n s ử d ụ n g x i m ă n g c ó t r ị s ố m o d u n Y o u n g t h ấ p

[ 2 5 ] N g o à i r a đ ể đ á x i m ă n g tiếpxúctốtvớicộtống chốngvàthànhgiếngxi măng cần dãnnở mộtít sau khi đóng rắn Để đạt yêu cầu trên, trong đơn pha chế vữa đã sử dụng phụ gia giãn nở “WellLife TM ” Kết quả thí nghiệm cho thấy cho thêm phụ gia WellLife-987 đá xi măng ít dòn, bền chắc và dẻo hơn so với xi măng thôngthường.

Khi sử dụng một trong các phương pháp trên đây, tạo cho vành đá xi măng có tính đàn hồi tốt hơn bằng cách giảm modun Young và nâng cao hệs ố P o i s s o n T r o n g đ i ề u k i ệ n t ả i t r ọ n g t ĩ n h v à c h u k ỳ , x i m ă n g c ó m o d u n c a o v à h ệ s ố P o i s s o n t h ấ p l à m v i ệ c t ố t h ơ n V ì v ậ y , n g o à i v i ệ c x á c đ ị n h đ ộ b ề n , đ i ề u đặcbiệtquantrọnglàphảinghiên cứuđặcđiểmbiến dạngđàn hồi củaxi măng trám dưới tác động của các tải trọng cơ học.

Độrỗngvàđộthấm củađáximăng

3.5.1 Độrỗngcủađáximăng. Độ rỗng (m) hoặc độ rỗng thể tích được xác định bằng tỉ số (tính bằng phần trăm) giữa tổng thể tích rỗngPVtrên thể tích thực khối đá xi măngBV, được tính theo công thức 3.1: Độrỗng (%)=× 100 (3.1) Độ rỗng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như hình dạng, kích thước và các phụ gia và sự phân bố lẫn nhau của các hạt xi măng, tính không đồng nhất kích thước của các hạt, quá trình đóng rắn của đá xi măng, điều kiện nhiệt độ và áp suất.

Thực tế cho thấy thành phần hạt của xi măng, phụ gia bền nhiệt, phụg i a t ă n g t r ọ n g c à n g n h ỏ t h ỉ đ ộ r ỗ n g c à n g t ă n g C á c h ạ t k h ô n g đ ồ n g đ ề u v ề k í c h t h ư ớ c c à n g l ớ n t h ì đ ộ r ỗ n g c à n g n h ỏ ( h ạ t n h ỏ n ằ m x e n l ẫ n t r o n g k h e h ở l ớ n ) Đ ộ r ỗ n g c ủ a đ á x i m ă n g đ ư ợ c x á c đ ị n h b ằ n g m á y đ o đ ộ r ỗ n g ( h ì n h 3.24).

3.5.2 Độthấmcủađáximăng Độ thấm của đá xi măng là khả năng của đá xi măng cho chất lỏng và chất khí đi qua dưới độ chênh áp nhất định Để bảo đảmsự cách lytốt các vỉa thì đá xi măng trong không gian vành xuyến cần có độ thấm tối thiểu đối với chất lưu vỉa.

Trong những điều kiện nhất định độ thấmcủađá xi măng tăng có thể là nguyên nhân ngập nước giếng khoan, lưu thông dòng dầu và khí trong các tầngsản phẩm Khi nước hoặckhíxâmnhậpvào vànhđá, vànhđáxi măngdễ bị phá hủy. Đáximăngđóngrắnchặtsít,khôngthấm,cóđộổnđịnhcaochốnglại sựănmòncủa nướcvỉa,cáchlytốt,chốngsập lở.Trongmộtsốđiều kiện nhấtđ ị n h , đ ộ t h ấ m c ủ a đ á x i m ă n g t ă n g c ó t h ể l à n g u y ê n n h â n n g ậ p nước giếngkhoan,sựxâmnhậpdầukhítrongcáctầngsảnphẩmtrongkhônggian vànhxuyến. Độ thấmcủa đá xi măng thayđổitrong quá trình đóng rắnvà phụthuộc nhiều vào các tính chất của xi măng và phụ gia, tỉ lệ N/XM, điều kiện và thời gian đóng rắn của xi măng.

Hiện nay chưa có quy định chung về độ thấm của đá xi măng, nhưng kinhnghiệmvà tínhtoán chothấy, đểcáchlytốt cáctầngsảnphẩmthìnên sử dụng vữa xi măng khiđ ó n g r ắ n t h à n h đ á c ó đ ộ t h ấ m 0 , 1 m D Để xácđịnhđộthấmcủađáximăng trongđiều kiện nhiệtđộ vàápsuất cao đã tiến hành thí nghiệm theo đơn pha chế như trong bảng 3.2 với các phụ gia tăng trọng Barite và Hi-Dense 4 Thí nghiệm được tiến hành theo Tiêu chuẩn API

RP 10B-2 - Phiên bản 2 - Quy phạm thí nghiệm xi măng.

Hình3.25.Máyđođộthấmcủađáximăng[53] Để tính toán độ thấm của đá xi măng trên máy đo sử dụng khí Ni tơ theo phương trình 3.2 sau đây: ĐộthẩmK = (3.2)

Trong đó:K= độ thấm, mD;B= Áp suất khí áp kế, at;Q= Lưu lượng thể tích dòng khí đi qua ở áp suất khí áp kế, cm 3 /s;= Đ ộ n h ớ t đ ộ n g l ự c c ủ a k h í ở n h i ệ t đ ộ đ o , c P ; L= Chiều dài của mẫu lõi, cm;A= diện tích mặt cắt ngang của mẫu lõi, cm 2 ;p= áp suất khí phun, at

Trên bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm đo độ rỗng và độ thấmcủa đá xi măng từ các hỗn hợp 1: xi măng Holcim + Hi-Dense 4 + MicroMax và hỗn hợp 2:x i m ă n g H o l c i m + B a r i t e + M i c r o M a x ( p h ụ l ụ c 8 , 9 )

Xi măng+Hi-Dense4+MicroMax 28% 0,0018

Kết quả thí nghiệm cho thấy, mẫu đá xi măng có các thành phần chất làm nặng là Barite + MicroMax có độ rỗng trung bình 38,53% có độ thấm thấp hơn so với mẫu đá xi vữa xi măng có chất làm nặng là Hi-Dense 4 và Micro Max có độ rỗng trung bình 25%. Độ thấm của đá xi măng đạt dưới 0,1 mD, để cách ly tốt các tầng sản phẩm trong điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao tại bể Nam Côn Sơn như kết quả thí nghiệm là hợp lý. Độ thấm của đá xi măng trong thực tế trám giếng khoan thường không quy định, nhưng theo kinh nghiệm và tính toán cho thấy để cách ly tốt các tầng sản phẩm trong điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao tại bể Nam Côn Sơn như kết quả thí nghiệm là hợp lý.

- Trongđiềukiệnnhiệtđộvàápsuấtcao,khốilượngriêngvữaximăng phải đảm bảo cân bằng với áp suất vỉa và thấp hơn áp suất nứt vỉa Các sản phẩmHi-Dense 4 và MicroMax là các phụ gia làm nặng rất hiệu quả và cải thiện các tính chất khác của đá xi măng.

- Thời gian quánh của vữa xi măng phải lớn hơn tổng thời gian các côngđoạntrámxi mănggiếngkhoan.LựachọnphụgiaCSR-100,HR-25 cho phép kéo dài thời gian quánh, ngưng kết của vữa xi măng.

- Các tính chất cơ học của đá xi măng (độ bền nén, modun Young, hệ số Poisson) với các thành phần đơn pha chế là hợp lý, đáp ứng các yêu cầul â u d à i c ủ a v à n h đ á x i m ă n g t r o n g g i ế n g k h o a n t r o n g đ i ề u k i ệ n á p s u ấ t c a o n h i ệ t đ ộ c a o

ĐặcđiểmcấutrúcgiếngkhoandầukhíbểNamCônSơn

Kết quả khoan tại bể Nam Côn Sơn cho thấy, các giếng khoan gặp áp suấtcaonhiệtđộcaochủyếutậptrungtạikhuvựcphíaĐôngBắccủabể,bao gồm các lô 04-3, 05-1, 05-2 và 05-3 Tại bể Nam Côn Sơn các giếng khoan thường có cấu trúc các cột ống chống như sau (hình 4.1):

B Địa tầng PP/FG/OB

Cấu trúc ống chống Tỉ trọng dd (ppg)

30" Conducter ~300m (based on Soil / Cond Driving Study) 8.4 - 8.5

26" Hole / 22" Surface Casing ~1250m (based on SHA Recommendation) 8.7 - 9.1 mTVDss

PP 20" Hole / 16" Contingency Liner ~1800m (if insufficient LOT at 22" shoe)

FG T90 22" Hole / 18" Surface Liner ~2450m (~10m top of Press Ramp) 9.5 - 11.5

Reservoir Targets Top Top Base Top Base Top Base Top Base 2909

~4040m (~150m Below Base of Primary Targets)

HT-H1 RESERVOIR TEMPERATURE RANGE LMH40/45 Top Base

Base on HT-1X EWRBase on HT-H1 SOR Base on HT-H1 SOR Base on HT-H1 SOR

- Cột ống đường kính 20” để gia cố giếng trước khi khoan vào hệ tầng Nam Côn Sơn;

- Cột ống đường kính 13 3/8” được thả và gia cố toàn bộ hệ tầng Nam Côn Sơn trước khi khoan vào hệ Thông - Mãng Cầu;

- Cột ống đường kính 9 5/8” được thả và gia cố toàn bộ hệ tầng Thông- Mãng Cầu hoặchệtẩng Cauđểcáchlytầng Oligocenvớitầng Miocen cókhả năng xảy ra mất dung dịch và bảo vệ tầng sản phẩm;

- Cộtốnglửng75/8”hoặc5ẵ”làcộtốngchốngkhaithỏccỏcđốitượng chứa dầu khí trong móng hoặc cách ly tầng phong hóa nứt nẻ ở trên nócm ó n g , c ó á p s u ấ t c a o v à n h i ệ t đ ộ c a o

Sơlượccôngnghệb ơ m trámximănggiếngkhoan

Tại bể NamCôn Sơn, công nghệ bơmtrám xi măng được trang bị bằng cáchệthốngbơmtrámchuyêndụng,bảođảmbơmépvữaximăngtheochiều sâu thiết kế của từng cột ống.

Công nghệ bơm trám xi măng các giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn thường áp dụng các phương pháp sau đây:

- Trám thuận một tầng: vữa xi măng được bơm vào cột ống chống (1 liều hoặc 2 liều khác nhau) kết hợp với nút trám trên và nút trám dưới để đẩy ép vữa xi măng vào khoảng không vành xuyến đến chiều sâu thiết kế.

- Phương pháp trám cột ống lửng: Vữa xi măng được bơm qua cần khoan,qua chân đế ống chống vào khoảng không vành xuyến.K h i t r á m phân đoạn, cột ống chống được thả làm 2 lần: lần 1 thả và trám như ống chống lửng, sau đó thả và trámtiếp đoạn 2, tiếp theo kết nối với đầu ống chống lửng bằng đầu nối kiểu tie-back. Định tâm được sử dụng để giữ cho cột ống chống năm ở tâm giếng khoan, đảmbảo cách ly vỉa và bảo vệ tốt ống chống và tăng hiệu quả thay thế dung dịch khoan. Để đảmbảo chất lượng trámxi măng giếng khoan cần thiết phải đẩyhết dung dịch khoan và mùn khoan trước khi vữa tiếp xúc với ống chống, vì vậy phải lựachọn dungdịch đệmcó độ nhớt, khối lượng riêng,ứng suất trượt tĩnh phù hợp tạo ra lớp đệm giữa dung dịch khoan và vữa xi măng.

Thiếtkếhệvữaximăngtrỏmcộtốngchốngkhaithỏc5ẵ”

Thiết kế hệ vữa xi măng là trên cơ sở dự báo sự biến đổi các tính chất của vữa, lựa chọn các thành phần của phụ gia (công dụng, phẩm chất, hàm lượng) theo các điều kiện của cột ống khai thác trong giếng khoan: chiều sâu thả cột ống khai thác, nhiệt độ tuần hoàn và nhiệt độ tĩnh trên đáy giếng Vì vậy, nhiệm vụ của thiết kế vữa xi măng là: 1) lựa chọn tối ưu các thành phần của vữa như xi măng nền, phụ gia chịu nhiệt cùng các phụ gia khác; 2) điều chỉnh hàm lượng các thành phần để vữa xi măng trám có đủ các tính chấtc ô n g n g h ệ p h ù h ợ p v ớ i c á c đ i ề u k i ệ n đ ị a c h ấ t - k ỹ t h u ậ t k h o ả n g c h i ề u s â u c h ố n g ố n g k h a i t h á c

Do điều kiện địa chất và đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao của bể Nam Côn Sơn có ảnh hưởng đến các tính chất của vữa và đá xi măng, đòi hỏi phải điều chỉnh các tính chất của vữa và đá xi măng bằng các phụ gia hóa chất.

Các thông số công nghệ của hệ xi măng đòi hỏi phải thay đổi do đặc điểm công nghệ thi công hoặc các điều kiện giếng khoan là thời gian quánh hoặc thời hạn ngưng kết, các tính chất lưu biến, tính ổn định chống lắng kết đối với vữa và độ bền nén, tính đàn hồi, độ thấm đối với đá xi măng Độ nhớt và thời gian quánh cần phải được tối ưu hóa để vữa xi măng duy trì được thời gian bơm ép để vữa lấp đầy không gian vành xuyến và dâng cao đến chiềuc a o c ầ n t h i ế t t r o n g g i ế n g k h o a n

Khi thay đổi định lượng một chỉ tiêu của vữa xi măng sẽ làm biến đổi một hay các thông số, và có trường hợp không mong muốn Vì vậy, các phụ gia khi bổ sung vào các hệ xi măng, có tác dụng tổng hợp và thay đổi đồng thời một vài thông số.

Cùng một điềukiệnnhư nhau, một số phụgia cótác độngthuậnlợiđến các tính chất của hệ xi măng, song trong các điều kiện khác các phụ gia trên với các liệu lượng khác nhau có thể gây ra tác dụng ngược lại.

Theo tiêu chuẩn API, xi măng trám giếng khoan được phân thành 9 nhóm từ nhóm A đến nhóm H phụ thuộc vào chiều sâu và các điều kiện sử dụng trám giếng khoan.

Nhóm A- dùng để trám giếng khoan đến chiều sâu 1830 m, không yêu cầu các tính chất đặcbiệt củaxi măng, làloại thông thường (tương ứng với xi măng C 150, theo tiêu chuẩn ASTM loại I.

Nhóm B - dùng để trám giếng khoan đến chiều sâu 1.830m, có độ bền chốngsunfatăn mòntừvừađếncao.NhómBtươngđươngvớiASTMloại II, và nó có hàm lượng C3A thấp hơn nhóm A.

Nhóm C - được sử dụng với chiều sâu đến 1.830m, khi yêu cầu tăng nhanh độ bền trong thời gian ngưng kết sớm Nhóm C có cả ba dạng có độb ề n c h ố n g s u n f a t v à n ó t ư ơ n g đ ư ơ n g v ớ i A S T M l o ạ i I I I Đ ể đ ạ t đ ộ b ề n s ớ m h ơ n t h ì h à m l ư ợ n g C3S và diện tích bề mặt tương đối cao.

Nhóm D, E và F, còn gọi là loại xi măng chậm đông kết được sử dụng cho những giếng khoan sâu hơn Sự chậm đông kết là kết quả của sự giảm khối lượng các phahydrat hóanhanh hơn (C3Svà C3A)vàdo tăng kích thước các hạt xi măng.

NhómD-sửdụngởđộsâutừ1.830mđến3.050mtrongđiềukiện nhiệtđộvàápsuấttươngđốicao.

NhómE-sử dụngởđộsâutừ3.050mđến4.270mtrongđiềukiện nhiệtđộvàápsuấtcao.

NhómF-sử dụngởđộsâutừ3.050mđến4 8 80 mtrongđiềukiện nhiệtđộvàápsuấtcựckỳcao.

NhómG và H là nhóm xi măng được sản xuất tùythuộc vào công nghệ đông nhanh hay chậm theo tiêu chuẩn API xi măng trám giếng khoan được phân loại thành 8 nhóm từ nhóm A đến nhóm H phụ thuộc vào chiều sâu và các điều kiện sử dụng trám giếng khoan.

Nhóm G và H được sử dụng làm xi măng trám giếng khoan từ bề mặt đếnđộsâu2.440m,cóthểkếthợpvớicácchấtphụgiachậmđônghayđông không cần phải thêm canxi sunfat hoặc nước hay cả hai trong quá trình thựcn g h i ệ n t r ộ n c l i n k e s ả n x u ấ t x i m ă n g n h ó m G v à H

Tổng:3CaO.Al2O3+4CaO.Al2O3.Fe2O3 20,0%

- Phụ gia làm nặng Hi-Dense 4, được sản xuất từ nguyên liệu khoáng hematit, không nhiễm từ, không chứa phóng xạ và ít ảnh hưởng đến các tính chất khỏc của xi măng Hi-Dense 4 cú thành phần hạt 45 àm chiếm 80%, độ phân tán cao, không bị lắng đọng Phụ gia có thể trộn để tạo ra vữa ximăng có khối lượng riêng 3,15 g/cm 3

- MicroMax là phụ gia làm nặng được chế biến từ khoáng mangan Hausmannit cótỉtrọng 4,7-4,9,cỡhạtbìnhquân5m MicroMax sửdụng rất hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ 27 0 C-260 0 C.

- Phụ gia ổn định độ bền SSA-1 (còn gọi là Silica nghiền) giúp chống lạisựsuythoáiđộbềnnhờtácdụnghóahọcvớiximăng ởnhiệtđộcao,giảm độ thấm của xi măng SSA-1 có tính tương thích cao với các phụ gia khác trong vữa các chất chậm ngưng kết, giảm ma sát, giảm độ thải nước và làmnặng.

- Phụ gia làm chậm ngưng kết và đóng rắn: CSR-100L, HR-25L, FDP- C765.

CSR-100L có tác dụng tốt trong hỗn hợp vữa xi măng - nước kỹ thuật trongđiềukiệnnhiệtđộtuầnhoàntrênđáykhoảng121 0 C.Kếthợpvớiphụ giaHalad,phụgiaCSR-100cótínhxúcbiến.Khivữaxi măngđóngrắntrong khoảng

24 giờ với nhiệt độ tuần hoàn trên đáy, độ bền nén của vành đá xi măng đạt trị số rất cao.

HR-25 là phụ gia làm chậm ngưng kết ở nhiệt độ cao Phụ gia còn có tác dụng bổ trợ chọ SCR-100 HR-25 ở nhiệt độ tuần hoàn trên đáy từ 93 0 Cv à

2 0 3 0 C Hàm lượng HR-25 hợp lý trong vữa từ 0,5% đến 2,0% HR-25 khả năng hòa tan cao trong nước, do tính phânbố đều và ít ảnh hưởng đến sự phát triển độ bền nén ở phần trên của cột xi măng có chiều dài lớn.

FDP-C765 là một loại polyme bền nhiệt được sử dụng trong khoảngn h i ệ t đ ộ c a o v à r ấ t c a o F P D c ó t h ể d ù n g c h ấ t c h ậ m n g ư n g k ế t đ ộ c l ậ p t r o n g k h o ả n g 9 3 - 1 4 9 0 C Tỉ lệ trung bình từ 0.1 và 5% khối lượng xi măng Khin h i ệ t đ ộ t r ê n đ á y g i ế n g đ ạ t đ ế n

Đơnphachếvữaximăngtrámcộtốngchốngkhaithác

Trên cơ sở phân tích: các đặc tính của vữa xi măng trong điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao, các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và tổng hợp kinh nghiệmtrám xi măng giếng khoan trên thềmlục địa nói chung vàbể Nam Côn Sơn nói riêng, nêu trong các chương 2, 3, 4 - đơn pha chế vữa xi măng tối ưu đểtrỏmcột ống chống khai thỏc 5 ẵ” cỏcgiếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn, trình bày trong bảng 4.1.

Cácthôngtinvềgiếngkhoan Đườngkính giếng,(mm) Đườngkính cột ốngchống, (mm)

Trên bảng 4.2 trình bày các thông số công nghệ của vữa xi măng để trỏm cho cấp ống chống khai thỏc đường kớnh 5 ẵ” trong khoảng nhiệt độ và áp suất cao.

Khốilượngriêng vữa,(g/cm 3 ) Hiệusuấtvữa ft 3 /sack Nướctrộn gal/sack Tổnglượngnướctrộn gal/sack

Trongđơnphachếchothấychọnhàmlượngphụgiasilia,cácchấtlàm nặng Hi- Dense và MicroMax là hợp lý nhất cho các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn.

Tùy theo điều kiện giếng khoan khác nhau có thể chọn hàm lượng của các phụ gia khác để điều chỉnh các thông số của vữa cho phù hợp Từ các thành phần và các thông số của vữa trong đơn pha chế trên đâydựa trên cơ sở lý thuyết, các kết quả thí nghiệm trên các thiết bị hiện đại và tham khảo các kinh nghiệm trám giếng khoan trong thời gian qua tại bể Nam Côn Sơn.

Trên quan điểm nâng cao chất lượng trám xi măng giếng khoan cần chú ý đến các thông số của vữa hình thành trong vữa như chế độ chảy rối Để đạt được chế độ dòng chảy rối có liên quan đến tăng vận tốc dòng chảy, điều đó sẽ dẫn đến tăng áp suất trong khoảng không gian vành xuyến và dễ gây ra nứt vỉa thủy lực Để bảo đảm chế độ dòng chảy rối ngoài việc tăng vận tốc dòng thoátm à b ằ n g c á c h đ i ề u c h ỉ n h c á c t í n h c h ấ t l ư u b i ế n c ủ a v ữ a T r o n g đ ơ n p h a c h ế n à y , s ử d ụ n g c á c p h ụ g i a g i ả m đ ộ n h ớ t v à ứ n g s u ấ t t r ư ợ t t ĩ n h

Đánhgiáchấtlượngvữatrámximăng

Chất lượng trám xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó vữat r á m c ó v a i t r ò q u y ế t đ ị n h V ữ a t r á m b ả o đ ả m c á c h l y h o à n t o à n c á c t ầ n g s ả n p h ẩ m , n g ă n s ự l i ê n t h ô n g d ò n g c h ấ t l ư u t h e o t h â n g i ế n g v à đ ộ k í n c ủ a k h ô n g g i a n v à n h x u y ế n đ ư ợ c l ấ p đ ầ y bởi các vật liệu xi măng Sau khi kết thúc công đoạn trám xi măng các cột ống, việc đánh giá chất lượng thông qua các phương pháp địa vật lý giếng khoan, trong đó thể hiện:

- Mức độ liên kết của vữa xi măng với thành ống chống và với thành giếng khoan.

Trong quá trình đánh giá chất lượng trám xi măng giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao chủ yếu là đánh giá chất lượng cột ốngc h ố n g k h a i t h á c - c ộ t ố n g c h ị u n h i ề u đ i ề u k i ệ n n h i ệ t đ ộ c a o v à á p s u ấ t l ớ n t r o n g g i ế n g Đánh giá chất lượng xi măng theo phương pháp CBL và VDL Độ sâu giếng khoan được chia ra từng khoảng 100m Trong từng khoảng chiều dài này, chất lượng xi măng liên kết với cột ống chống chỉ rõ bao nhiêu mét độ dày là xi măng tốt, bao nhiêu mét có xi măng từng phần và bao nhiêu mét không có xi măng Cuối cùng là tính chung cho toàn mặt cắt giếng khoan Để so sánh, chất lượng còn được tính theo phần trăm.

Việcđánhgiachấtlượngtrámgiếngkhoanchủyếubằngđođịavậtlý giếngkhoanCBL(CementBondLog)vàVDL(VariableDensityLog).

Trên hình 4.4 Minh giải tài liệu CBL và VDL chất lượng vành đá xi măng cột ống chống khai thỏc 5 ẵ”.

NguyênlýminhgiảitàiliệuCBL/VDL,đốivớiđoạnximănggắnkết từngphầnchothấyđườngbiênđộthấpđếntrungbình.TrênbiểuđồVDLcó thểquansátcảtínhiệusóngvàthẳng,mộtsốđiểmkhôngcóximăngcóthể thấyrõ trênlog.

Trên khoảng xi măng gắn kết tốt, đường “Amplitude” có biên độ thấp, tín hiệu lượn sóng rõ từ đường VDL, thể hiện xi măng lấp đầy khoảng không vành xuyến và đã đóng rắn Tỷ lệ gắn kết xi măng ngoài ống chống khai thác

5 ẵ” đạt tỷ lệ tương đối tốt (từ 90% đến 100%).

Tuy vậy, để đánh giá chất lượng trám xi măng trong thời gian lâu dài,trong đó gồmcó mức độ liên kết và các tính chất cơ học của vành đá xi măng cần tiến hành đo lặp lại các cột ống khai thác để kịp thời có biện pháp xử lý.

1 Bể Nam Cơn Sơn - thềm lục địa Việt Nam có tiềm năng lớn về dầuk h í T u y n h i ê n , c á c đ i ề u k i ệ n đ ị a c h ấ t - k ỹ t h u ậ t c á c l ô t h u ộ c k h u v ự c p h í a Đ ô n g v à Đ ô n g B ắ c b ể N a m C ô n S ơ n r ấ t p h ứ c t ạ p , đ ặ c b i ệ t l à á p s u ấ t v à n h i ệ t đ ộ đ ư ợ c c o i l à c a o - n h i ệ t đ ộ g i ế n g t r ê n 1 5 0 0 C và áp suất đáy giếng trên 69MPa. Các điều kiện áp suất và nhiệt độ cao tại bể Nam Côn Sơn có thểp h â n t h à n h h a i c ấ p : c ấ p I ( n h i ệ t đ ộ t ừ 1 5 0 0 C đến 175 0 C và áp suất từ 69MPa đến 103MPa) và cấp II (nhiệt độ từ 175 0 C đến 200 0 C và áp suất từ 103MPa đến 138MPa)

2 Áp suất caonhiệtđộ caolàmột trong nhữngnguyên nhânchínhđãgây ra nhiều sự cố, phức tạp như vữa xi măng không thể ép đẩy ra ngoài khoảng không vành xuyến, toàn bộ vữa xi măng nằm lại trong cột ống chống khait h á c ( 7 ” ) d à i 3 0 0 0 m ( g i ế n g k h o a n 0 5 - 1 b - T L - 2 X ) ; v ữ a x i m ă n g n g ư n g k ế t n h a n h d ẫ n đ ế n m ấ t t u ầ n h o à n ( g i ế n g k h o a n 0 5 -

3 Trong điều kiện bể Nam Côn Sơn, xi măng mác G tiêu chuẩn API được sử dụng phổ biến để trám giếng khoan dầu khí, cho nên trong điều kiện nhiệt độ cao (120-180 o C), xi măng sẽ bị thay đổi các tính chất lý - hóa, biến đổi hình thái kết tinh và chuyển đổi pha, dẫn đến sự suy giảm độ bền và tăng độ thấmcủa đá xi măng Vì vậy, bổ sung 35% khối lượng phụ gia silica SSA- 1 vào hỗn hợp xi măng trám, là biện pháp hiệu quả nhất để ổn định độ bền nhiệt của đá xi măng, cải thiện các tính chất công nghệ của xi măng trám các giếng khoan nhiệt độ cao.

4 Trong khu vực Đông Bắc bể Nam Côn Sơn đã gặp nhiệt độ cao đồng thời áp suất cao với gradien áp suất vỉa 2MPa/100m với thân giếng có đường kính nhỏ, khe hở giữa áp suất vỉa và áp suất nứt vỉa rất bé Do đó, để khống chế sự xâm nhập dầu khí trong giếng đòi hỏi áp suất thủy tĩnh của vữa xi măng phải đảm bảo cân bằng áp suất vỉa, nhưng đồng thời không gây ra nứt vỉa Kết quả nghiên cứu cho thấychọn phụ gia tăng trọng Hi-Dense4 với tỉ lệ 40% và MicroMax với 25% là tối ưu, cho phép khối lượng riêng vữa đạt yêu cầu đối với giếng khoan áp suất cao và bảo đảm các chỉ tiêu chất lượng khác như độ thời gian quánh, độ thấm, v.v.

5 Nghiên cứu xác định các tính chất của vữa xi măng và các tính cơ học của đá (độ bền nén, modun đàn hồi, hệ số Poisson) bằng phương pháp không phá hủy trên các thiết bị UCA và MPRO, cho phép mô phỏng các điều kiệná p s u ấ t c a o n h i ệ t đ ộ c a o t r o n g g i ế n g k h o a n v à t h ờ i g i a n t h ự c , b ả o đ ả m đ ộ t i n c ậ y c a o đ á p ứ n g c á c y ê u c ầ u n g ắ n h ạ n v à d à i h ạ n c ủ a v ữ a v à đ á x i m ă n g

6 Trên cơ sở phân tích lý thuyết, các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệmvàkinh nghiệmthựctếthi công cácgiếng khoan tại bểNamCôn Sơn, đã lựa chọn các vật liệu và phụ gia chuyên dụng để lập Đơn pha chế vữa xi măng một cách hợplý nhất vàxácđịnh cácthôngsố công nghệtối ưuđểtrám cột ống chống khai thỏc 5ẵ” trong khoảng giếng khoan cú ỏp suất cao nhiệt độ cao.

7 Kếtquảápdụngđơnphachếvữaxi măngtheop h â n tíchvàminhgiải bằng phương pháp đo địa vật lý giếng khoan CBL và VDL cho thấy chất lượng trám cột ống chống khai thỏc 5 ẵ” đạt kết quả tương đối tốt (90%- 100%), cú thể làm cơ sở cho việc lập các Đơn pha chế vữa trám các giếng khoantạibểNamCôn Sơncócácđiềukiệnđịa chất -kỹthuậttươngtự,cósự điều chỉnh cho phù hợp với các điều kiện cụ thể mỗi giếng khoan.

1 Trên cơ sở phân tích lý thuyết, các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm vàk i n h n g h i ệ m t h ự c t ế t h i c ô n g c á c g i ế n g k h o a n t ạ i b ể N a m C ô n S ơ n , k h i s ử d ụ n g x i m ă n g H o l c i m c ũ n g n h ư c á c l o ạ i x i m ă n g m á c G k ế t h ợ p v ớ i c á c p h ụ g i a c h u y ê n d ụ n g đ ư ợ c s ử d ụ n g t r o n g Đ ơ n p h a c h ế v ữ a x i m ă n g l à c ó h i ệ u q u ả n h ấ t đ ể t r á m c á c c ộ t ố n g t r o n g đ i ề u k i ệ n n h i ệ t đ ộ v à á p s u ấ t c a o b ể N a m

2 Trong điều kiện áp suất trên 103,4 MPa và nhiệt độ trên 193 0 C nên sử dụng đơnphachếvữaxi măng vớithànhphần 35%SSA-1 +40%Hi-Dense4

+ 25% MicroMax, cho phép đạt khối lượng riêng vữa 2,22 g/cm 3 , thời gian quánh đạt 10h30min; độ bền nén tối thiểu (3,45 MPa) trong thời gian19h04min.

1 Trương Biên, Trương Hoài Nam (2005),Sử dụng graphit làm phụ gia cho dung dịch khoan dầu khí, Tuyển tập báo cáo Hội nghị KHCN tuyển khoángtoànquốclầnthứII“Chếbiểnhợplývàsựdụngtổnghợptài nguyên khoáng sản Việt Nam”, Hà Nội 11/2005, tr.25-28.

2 Trương Hoài Nam (2010),Một số kết quả ban đầu trong việc ứng dụng khoangiếngkhoanđathânởViệtNam,Tuyểntập“Mộtsốvấnđềcơ học đá ở

Việt Nam đương đại” quyển 1, Hà Nội 2010, tr.246-258.

3 Nguyễn Hữu Chinh, Dương Văn Sơn, Phạm Quang Hiệu, Nguyễn Minh

Quý, Trương Hoài Nam (2011),Nghiên cứu ứng dụng vật liệu micropherecho xi măng trám giếng khoan dầu khí,Tạp chí khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chấts ố 3 3 / 0 1 - 2 0 1 1 , t r 1 - 1 1

4 Trần Đình Kiên, Phạm Quang Hiệu, Nguyễn Thế Vinh, Hoàng Bá Cường,

Nguyễn Khắc Bình, Trương Hoài Nam (2011).Ứng dụng giếng đa thân trong khai thác dầu tại mỏ Đại Hùng, Tạp chí Khoa học Mỏ - Địa chất, số 34/04-2011, tr.23-27.

5 Phạm Quang Hiệu, Trương Hoài Nam (2012),Nghiên cứu lựa chọn dung dịch khoan các giếng dầu khí trong điều kiện áp suất cao - nhiệt độ cao,Tạp chí Dầu khí số 7/2012, tr.25-32.

6 LeQuangDuyen,Jean-MichelHerri,YamiraOuabbas,TruongHoaiNam, Le

Quang Du (2012).CO 2 -CH 4 exchange in the context of CO 2 injection and gas production from methane hydrates bearing sediments,

7 PhạmTrườngGiang,LêVũQuân,NguyễnMinhQuý,LêThịThuHường, Đỗ Văn

Hiển, Trương Hoài Nam và nnk (2013),Tổng kết và đánh giá công tác bơm trám xi măng cho các giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn,Báo cáo tổng kết nghiệm vụ nghiên cứu khoan học cấp ngành, Mã số 01/KKT(EPC)/2012/HĐ-NCHK, HàNội 7/2013

8 Phạm Quang Hiệu, Nguyễn Văn Thành, Nguyễn Thế Vinh, Nguyễn Trần

Tuân, Vũ Thiết Thạch, Trương Hoài Nam, Nguyễn Khắc Bình (2013),Nghiên cứu hiện trạng và các giải pháp công nghệ - kỹ thuật nâng cao hiệu quả hoàn thiện giếng khai thác dầu tại mỏ Đại Hùng,Báo cáo tổng kết thực hiện đề tài thuộc Đề án đổi mới và hiện đạih ó a c ô n g n g h ệ t r o n g n g à n h c ô n g n g h i ệ p k h a i k h o á n g đ ế n n ă m 2 0 1 5 , t ầ m n h ì n đ ế n 2 0 2 5 , B ộ C ô n g t h ư ơ n g M ã s ố Đ T 1 0 1 1 / Đ M C N K K

9 PhạmTrườngGiang,LêVũQuân,NguyễnMinhQuý,LêThịThuHường, Đỗ Văn