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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRƯƠNG HOÀI NAM 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRƯƠNG HOÀI NAM NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VỮA TRÁM CHO CÁC GIẾNG KHOAN DẦU KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN NHIÊT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO BỂ NAM CÔN SƠN Ngành: Kỹ thuật Dầu khí Mã số: 62.52.06.04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Trần Đình Kiên 2. TS Nguyễn Hữu Chinh Hà Nội - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ một công trình nào khác ở trong và ngoài nước. Tác giả luận án Trương Hoài Nam ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i MỞ ĐẦU 1 Chương 1. ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO TẠI BỂ NAM CÔN SƠN VÀ ẢNH HƯỞNG ĐỐI VỚI CÔNG TÁC TRÁM XI MĂNG GIẾNG KHOAN 8 1.1 Đặc điểm địa tầng và trầm tích bể Nam Côn Sơn 8 1.2 Đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn 12 1.2.1. Khái niệm về nhiệt độ và áp suất cao. 12 1.2.2. Nhiệt độ và và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn 14 1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất cao đến các tính chất của vữa và đá xi măng 19 1.4. Chất lượng trám xi măng các giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn 27 1.5. Các công trình nghiên cứu về xi măng trám giếng khoan nhiệt độ và áp suất cao 30 1.5.1. Các công trình nghiên cứu về xi măng ở nhiệt độ và áp suất cao 30 1.5.2. Các loại xi măng trám giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao 31 Chương 2. LÝ THUYẾT VỀ ĐÔNG CỨNG VÀ TẠO ĐỘ BỀN CỦA ĐÁ XI MĂNG TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO 36 2.1. Các trạng thái vữa xi măng trong giếng khoan 36 2.2. Đặc tính của xi măng trám giếng khoan 39 2.3. Quá trình hóa - lý đóng rắn của vữa xi măng [9,19,46,48] 41 2.4. Biện pháp chống suy giảm độ bền của xi măng trám 45 2.5. Ảnh hưởng của Silica độ bền và độ thấm của xi măng 47 2.5.1. Các loại phụ gia silica 47 2.5.2. Ảnh hưởng của silica đến độ bền nén và độ thấm của xi măng 48 Chương 3. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VỮA VÀ ĐÁ XI MĂNG TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO 56 3.1. Xác định khối lượng riêng vữa xi măng trám giếng khoan 56 3.1.1. Khái niệm khối lượng riêng của vữa xi măng 56 3.1.2. Lựa chọn phụ gia làm nặng vữa xi măng 59 3.1.3. Xác định khối lượng riêng của vữa xi măng 60 3.2. Thời gian quánh của vữa xi măng 61 3.2.1. Khái niệm thời gian quánh 61 3.2.2. Thiết bị đo thời gian quánh của vữa xi măng 63 3.2.3. Xác định thời gian quánh của vữa xi măng. 64 3.3. Độ bền nén của đá xi măng 69 3.3.1. Ý nghĩa độ bền nén 69 3.3.2. Thiết bị đo độ bền nén của xi măng trám 70 iii 3.3.3. Kết quả thí nghiệm độ bền nén của vữa xi măng đóng rắn 71 3.4. Xác định các tính chất đàn hồi của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao78 3.4.1. Tính chất biến dạng của đá xi măng 78 3.4.2. Thiết bị đo các tính chất đàn hồi 79 3.4.3. Kết quả thí nghiệm 79 3.5. Độ rỗng và độ thấm của đá xi măng 81 3.5.1. Độ rỗng của đá xi măng 81 3.5.2. Độ thấm của đá xi măng 82 Chương 4. THỬ NGHIỆM VỮA XI MĂNG TRÁM CỘT ỐNG CHỐNG KHAI THÁC 5½” GIẾNG KHOAN TẠI BỂ NAM CÔN SƠN 86 4.1. Đặc điểm cấu trúc giếng khoan dầu khí bể Nam Côn Sơn 86 4.2. Sơ lược công nghệ bơm trám xi măng giếng khoan 88 4.3. Thiết kế hệ vữa xi măng trám cột ống chống khai thác 5 ½”. 88 4.3.1. Các yêu cầu thiết kế vữa xi măng 88 4.3.2. Xi măng nền 89 4.3.3. Các phụ gia xi măng [28b] 91 4.4. Đơn pha chế vữa xi măng trám cột ống chống khai thác 94 4.4.1. Thành phần xi măng và phụ gia 94 4.4.2. Các thông số của vữa xi măng 95 4.5. Đánh giá chất lượng vữa trám xi măng 97 KẾT LUẬN 100 KIẾN NGHỊ 102 DANH MỤC MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 PHỤ LỤC 111 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT a Hệ số dị thường API American Petroleum Institute (Viện Dầu mỏ Hoa kỳ) CBL Cement Bond Log (Biểu đồ gắn kết xi măng) CSR-100L Cement Retarder (Phụ gia chậm ngưng kết) CFR-3L Cement Friction Reducer (Phụ gia giảm ma sát) Ex-HPHT Extreme High Pressure High Temperature (HPHT rất cao) gps gallon per sack (đơn vị đo thể tích/ bao) HPHT High Pressure High Temperature (Áp suất cao nhiệt độ cao) h.m hour.minute (giờ, phút) KGVX Không gian vành xuyến KLXM Khối lượng xi măng m Mét mD Mili Darcy MD Chiều sâu đo (Measured Depth) MPRO Mechanical Properties Analyzer (Máy phân tích tính chất cơ học) NĐ&ASC Nhiệt độ và áp suất cao N/XM Nước/ Xi măng p nv Áp suất nứt vỉa p v Áp suất vỉa ppg Pounds per gallon SG Specific gravity (Tỷ trọng) SSA-1 Strength-Stabilizing Agent (Phụ gia ổn định cường độ) UCA Ultrasonic Cement Analyzer (Máy phân tích xi măng bằng siêu âm) Ultra HPHT Ultra High Pressure High Temperature (Siêu HPHT) VDL Variable density log (Biểu đồ độ rỗng biến thiên) VNIIKRNEFTI Viện nghiên cứu khoa học dầu mỏ Krasnodar (Liên bang Nga) WOC Wait on cement (Thời gian chờ xi măng đóng rắn) XM Xi măng YEK Đơn vị đo độ quánh quy ước v DANH MỤC CÁC BẢNG Trang 1. Bảng 1.1. Bảng phân cấp nhiệt độ và áp suất cao (theo Halliburton, Baker Hughes) 18 2. Bảng 1.2. Tỉ lệ gắn kết xi măng trong các giếng khoan bể Nam Côn Sơn 29 3. Bảng 1.3. Đặc tính kỹ thuật các loại xi măng bền nhiệt của Liên bang Nga sản xuất 32 4. Bảng 2.1. Các thành phần khoáng chính của xi măng 39 5. Bảng 2.2. Độ bền nén của đá xi măng theo hàm lượng silica 48 6. Bảng 2.3. Độ bền nén của hỗn hợp xi măng +35% SSA-1 49 7. Bảng 2.4. Độ thấm của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1 51 8. Bảng 2.5. Tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định độ bền nén 53 9. Bảng 3.1. Khối lượng riêng vữa xi măng trong các điều kiện áp suất và nhiệt độ. 59 10. Bảng 3.2. Đơn pha chế vữa xi măng trám giếng khoan nhiệt độ và áp suất cao. 62 11. Bảng 3.3. Bảng tổng hợp thời gian quánh của vữa xi măng 63 12. Bảng 3.4. Bảng tổng hợp độ bền nén của vữa xi măng 70 13. Bảng 3.5. Độ rỗng và độ thấm của đá xi măng 82 14. Bảng 4.1. Đơn pha chế vữa xi măng 93 15. Bảng 4.2. Các thông số công nghệ của vữa xi măng 94 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang 1. Hình 1.1.Sơ đồ bể Nam Côn Sơn 8 2. Hình 1.2. Cột địa tầng tổng hợp bể Nam Côn Sơn 11 3. Hình 1.3. Bảng phân cấp nhiệt độ và áp suất cao (theo Halliburton, Baker Hughes) 13 4. Hình 1.4. Sơ đồ áp suất dị thường trong trầm tích Miocene giữa và dưới 14 5. Hình 1.5. Sơ đồ áp suất dị thường trong trầm tích Miocene trên 15 6. Hình 1.6. Biểu đồ phân bố áp suất các lô 04, 05 16 7. Hình 1.7. Biểu đồ phân bô áp suất nứt vỡ vỉa 16 8. Hình 1.8. Biểu đồ phân bố nhiệt độ áp suất lô 04, 05 18 9. Hình 1.9. Phân cấp nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn. 19 10. Hình 1.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến thời gian ngưng kết 22 11. Hình 1.11. Tỷ lệ gắn kết xi măng theo nhiệt độ 28 12. Hình 1.12. Chất lượng gắn kết xi măng theo từng nhà thầu dịch vụ 28 13. Hình 2.1. Sơ đồ trám xi măng giếng khoan dầu khí 35 14. Hình 2.2. Các trạng thái pha của vữa xi măng trong giếng khoan 36 15. Hình 2.3 Giản đồ pha khoáng vật hệ CaO-SiO 2 -H 2 O 42 16. Hình 2.4. Độ bền nén của đá xi măng ở các nhiệt độ khác nhau 43 17. Hình 2.5 Độ bền thấm khí phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian đóng rắn 43 18. Hình 2.6. Sơ đồ tạo pha khoáng mới của xi măng trám 45 19 . Hình 2.7 .Độ bền nén phụ thuộc vào cỡ hạt ở nhiệt độ khác nhau 47 20 . Hình 2.8. Độ thấm phụ thuộc vào cỡ hạt ở nhiệt độ khác nhau 47 21. Hình 2.9. Độ bền của đá xi măng phụ thuộc vào hàm lượng SSA-1 48 22. Hình 2.10. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,905 g/cm 3 50 23. Hình 2.11. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04 g/cm3 50 24. Hình 2.12. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,905 g/cm 3 51 25. Hình 2.13. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04 g/cm3 52 26 . Hình 3.1. Biểu đồ grad p v , grad p nv bể Nam Côn Sơn 57 27 . Hình 3.2. Khối lượng riêng vữa theo tỷ lệ Nước/ Xi măng 59 28 . Hình 3.3. Máy đo độ quánh Fann 290 HPHT 62 30. Hình 3.4. Thời gian quánh của vữa XM ở 125 0 C, áp suất 67 MPa. 63 vii 31. Hình 3.5. Thời gian quánh của vữa XM ở 135 0 C và áp suất 66,59 MPa 64 32. Hình 3.6. Thời gian quánh của vữa XM ở 140 0 C và áp suất 75,80 MPa 64 33. Hình 3.7. Thời gian quánh của vữa XM ở 177 0 C và áp suất 93,1 MPa 65 34. Hình 3.8. Thời gian quánh của vữa XM ở 150 0 C và áp suất 88,88 MPa 65 35. Hình 3.9. Thời gian quánh của vữa XM ở 155 0 C và áp suất 84,68 MPa 66 36. Hình 3.10. Thời gian quánh của vữa XM ở 177 0 C và áp suất 103,4 MPa 66 37. Hình 3.11. Thiết bị xác định độ bền nén bằng siêu âm UCA 69 38. Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị UCA 69 39. Hình 3.13. Độ bền nén của vữa XM ở 170 0 C và áp suất 20,67 MPa. 70 40. Hình 3.14. Độ bền nén của đá XM ở 155 o C và áp suất 20,67 MPa. 71 41. Hình 3.15. Độ bền nén của đá XM ở 155 o C và áp suất 20,67 MPa. 71 42. Hình 3.16. Độ bền nén của đá XM ở 170 o C và áp suất 20,67 MPa. 72 43. Hình 3.17. Độ bền nén của đá XM ở 177 o C và áp suất 93,10 MPa 72 44. Hình 3.18. Độ bền nén của đá XM ở 180 o C và áp suất 20,67 MPa. 73 45. Hình 3.19. Độ bền nén của đá XM ở 190 o C và áp suất 103,4 MPa. 73 46. Hình 3.20. Mẫu lõi xi măng theo đơn pha chế 1 75 47 . Hình 3.21. Mẫu lõi xi măng theo đơn pha chế 2 75 48 . Hình 3.22. Thiết bị đo các tính chất cơ học của đá xi măng MPRO 76 49 . Hình 3.23. Đồ thị các thông số đàn hồi của của đá xi măng 78 50 . Hình 3.24. Máy đo độ rỗng của đá xi măng. 80 51 . Hình 3.25. Máy đo độ thấm của đá xi măng 81 52 . Hình 4.1. Cấu trúc giếng khoan lô 05 bể Nam Côn Sơn 85 53 . Hình 4.2. Cấu trúc giếng khoan 85 54 . Hình 4.3. Hệ xi măng bền nhiệt cho điều kiện bể Nam Côn Sơn 92 56 . Hình 4.4. Biểu đồ CBL, VDL giếng khoan 97 viii PHỤ LỤC Phụ lục 1: Tổng hợp các kết quả thí nghiệm về sự ảnh hưởng của HPHT đến thời gian quánh của hệ vữa trám giếng khoan Phụ lục 2: Đơn pha chế cho thí nghiệm độ quánh ở nhiệt độ 375 o F Phụ lục 3: Kết qua đo thời quánh của vữa tại 375 o F Phụ lục 4: Đơn pha chế vữa xi măng số 1 Phụ lục 5: Kết quả đo thời gian quánh và độ bền nén đơn pha chế số 1 Phụ lục 6. Đơn pha chế vữa xi măng số 2 Phụ lục 7: Kết quả đo thời gian quánh và độ bền nén đơn pha chế số 2 Phụ lục 8: Đơn pha chế với chất làm nặng là Hi-Dense 4 Phụ lục 9: Đơn pha chế với chất làm nặng là Barite Phụ lục 10: So sánh sự suy giảm xi măng khi dùng SSA-1 Silica Flour và Coarse Silica [...]... 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): 19 - Cấp 1: nhiệt độ và áp suất cao (nhiệt độ từ 1500C đến 1750C và áp suất từ 69MPa đến 103MPa) và - Cấp 2: nhiệt độ và áp suất rất cao (nhiệt độ từ 1750C đến 2000C và áp suất từ 103MPa đến 138MPa) Hình 1.9 Phân cấp nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn 1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp. .. Nam Côn Sơn 4 Các nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài - Tổng hợp và phân tích các đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn và phân tích ảnh hưởng đến các tính chất lý - hoá và cơ tính của vữa xi măng trám giếng khoan; các biện pháp chống sư suy giảm độ bền và giảm độ thấm của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ cao tại bể Nam Côn Sơn - Thiết kế hệ xi măng ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao và. .. 5½” trong khoảng chiều sâu nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn; kiểm tra, đánh giá chất lượng trám giếng khoan theo các biểu đồ CBL, VDL 5 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế đơn pha chế vữa xi măng trám giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao trong điều kiện bể Nam Côn Sơn tiến hành theo 3 bước: a Phương pháp thư mục: Tổng hợp, phân tích tài liệu về xi măng giếng khoan nhiệt độ và áp suất. .. điểm nhiệt độ và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn 1.2.1 Khái niệm về nhiệt độ và áp suất cao 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... và đánh giá hiệu quả công tác bơm trám xi măng các giếng khoan đã thi công và tiến hành nghiên cứu thiết kế một hệ vữa xi măng trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn, góp phần nâng cao hiệu quả và chất lượng công tác trám xi măng là một trong những công đoạn quyết định đến việc thi công các giếng khoan khai thác dầu khí, là nhiệm vụ cấp thiết, với ý nghĩa khoa học và. .. vụ cho chiến lược thăm dò khai thác dầu khí tại bể Nam Côn Sơn 2 Mục đích, yêu cầu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu thiết kế (lập đơn pha chế) hệ vữa xi măng để trám các giếng khoan thăm dò khai thác trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn - thềm lục địa Việt Nam, bảo đảm chất lượng trám giếng khoan, nâng cao độ ổn định của giếng, an toàn và tuổi thọ các giếng khai thác 3 Đối tượng và. .. thực trong các điều kiện ở giếng khoan bể Nam Côn Sơn Đưa ra cơ sở lý thuyết để lựa chọn thành phần và thí nghiệm về nâng cao tính chất chịu nhiệt của hệ xi măng cho điều kiện trám các giếng khoan nhiệt độ cao bể Nam Côn Sơn khi sử dụng phụ gia là silica nghiền  Đề xuất công thức và thành phần đơn pha chế bơm trám và xác định các thông số công nghệ của vữa dựa trên tổng kết kinh nghiệm thi công các giếng. .. nghiệm công nghiệp: Áp dụng thử nghiệm kết quả nghiên cứu vào đơn pha chế xi măng trám cột ống chống khai thác giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn và phân tích, đánh giá hiệu quả trám xi măng giếng khoan bằng đo địa vật lý giếng CBL, VDL 6 Những đóng góp mới của luận án  Đã tổng kết các đặc điểm áp suất cao nhiệt độ cao bể Nam Côn Sơn, thành lập bảng phân cấp áp suất cao nhiệt độ cao cho bể Nam Côn Sơn, ... tích và chỉ rõ ảnh hưởng của điều kiện áp suất nhiệt độ cao đến công tác bơm trám xi măng và hiệu quả xây dựng giếng khoan, làm cơ sở cho việc lựa chọn xác định công thức pha chế vữa xi măng  Nghiên cứu các tính chất công nghệ của vữa và các tính chất cơ học đá xi măng (độ bền nén, modun Young, hệ số Poisson) trên các thiết bị UCA và MPRO, cho phép mô phỏng các điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao và. .. thuộc vào dòng nhiệt và độ dẫn nhiệt của đất đá Trong giếng khoan khai thác dầu khí, nhiệt độ vỉa phân ra: Nhiệt độ tĩnh và nhiệt độ động Nhiệt độ tĩnh là nhiệt độ của đất đá nguyên trạng; nhiệt độ đáy gần bằng nhiệt độ tĩnh nếu như dung dịch khoan không tuần hoàn trong thời gian 2-4 ngày đêm Nhiệt độ động là nhiệt độ đo được trong quá trình dung dịch tuần hoàn tại một chiều sâu nhất định trong giếng Nhiệt . và trầm tích bể Nam Côn Sơn 8 1.2 Đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn 12 1.2.1. Khái niệm về nhiệt độ và áp suất cao. 12 1.2.2. Nhiệt độ và và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn 14 1.3 DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRƯƠNG HOÀI NAM NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VỮA TRÁM CHO CÁC GIẾNG KHOAN DẦU KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN NHIÊT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO BỂ NAM CÔN SƠN Ngành: Kỹ thuật Dầu khí Mã. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT TRƯƠNG HOÀI NAM 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 LUẬN ÁN TIẾN