Nhóm tác giả đã nghiên cứu và phát triển hệ dung dịch khoan gốc nước mới có nhiều tính năng ưu việt, có khả năng ức chế trương nở sét cao, thân thiện môi trường. Nội dung bài báo bao gồm các kết quả nghiên cứu về thành phần, khoảng biến thiên nồng độ cũng như tính chất lưu biến, khả năng ức chế sét của hệ dung dịch KLATROL, có so sánh với các hệ ức chế hiện đang sử dụng rộng rãi tại Việt Nam; đánh giá tính ưu việt của hệ KLATROL qua phương pháp thu hồi mùn khoan, khả năng tải mùn khoan.
THĂM‱DỊ‱-‱KHAI‱THÁC‱DẦU‱KHÍ Nghiên‱cứu‱phát‱triển‱hệ‱dung‱dịch‱khoan‱ức‱chế‱ trương‱nở‱sét‱cao‱KLATROL KS Phạm Đăng Sơn, ThS Nguyễn Mạnh Hùng, TS Thái Hồng Chương Công ty TNHH MTV Dung dịch khoan & Dịch vụ giếng khoan TS Phạm Xuân Tồn Tổng cơng ty Dung dịch khoan Hóa phẩm dầu khí Tóm tắt Nhóm tác giả nghiên cứu phát triển hệ dung dịch khoan gốc nước có nhiều tính ưu việt, có khả ức chế trương nở sét cao, thân thiện môi trường Nội dung báo bao gồm kết nghiên cứu thành phần, khoảng biến thiên nồng độ tính chất lưu biến, khả ức chế sét hệ dung dịch KLATROL, có so sánh với hệ ức chế sử dụng rộng rãi Việt Nam; đánh giá tính ưu việt hệ KLATROL qua phương pháp thu hồi mùn khoan, khả tải mùn khoan Mở đầu Sự phát triển công nghệ khoan, khai thác kéo theo phát triển không ngừng hệ dung dịch khoan nhằm rút ngắn thời gian thi công, ổn định thành giếng khoan đảm bảo an toàn vỉa sản phẩm Các hệ dung dịch khoan chia làm loại chính: dung dịch khoan gốc nước, dung dịch gốc dầu/gốc tổng hợp dung dịch khoan dạng bọt/khí Dung dịch khoan gốc dầu/gốc tổng hợp có tính ức chế trương nở sét tốt nhất, giá thành cao thường gây ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường nên ứng dụng bị hạn chế, đặc biệt nước có u cầu khắt khe mơi trường khơng có phương tiện thu hồi mùn khoan Hệ dung dịch dạng bọt/khí triển khai khó khăn việc xử lý; cơng nghệ pha trộn khí vào dung dịch khoan thiết bị bơm dung dịch khí phức tạp, giá thành cao Dung dịch khoan gốc nước ưu tiên hàng đầu tiến hành khoan thăm dò, thẩm lượng khai thác dầu khí Các công ty dung dịch khoan tập trung nghiên cứu phát triển hệ dung dịch khoan gốc nước có tính ức chế cao, bền nhiệt, dễ pha chế thân thiện với mơi trường để bước đưa tính ức chế sét hệ gốc nước tiệm cận với tính ức chế sét hệ gốc dầu [1, 2, 3, 4, 7, 8, 9] Nhóm tác giả nghiên cứu xây dựng số hệ dung dịch khoan có tính ức chế tốt sử dụng để khoan qua địa tầng có thành phần sét hoạt tính 28 DẦU KHÍ - SỐ 4/2012 cao Miocen hạ Oligocen thượng Bài báo giới thiệu số kết nghiên cứu hệ dung dịch ức chế sét KLATROL, hệ dung dịch ức chế sét phát triển Công ty TNHH MTV Dung dịch khoan Dịch vụ giếng khoan (DMC-WS) Các hệ dung dịch ức chế sử dụng Việt Nam Tại Việt Nam, đa số nhà thầu nước tập trung vào số hệ dung dịch gốc nước có tính ức chế sét sau: + Hệ KCl/Polymer (DMC/MI/Vietsovpetro): Hệ có tính ức chế sét trung bình, dùng để khoan chủ yếu phân đoạn Miocen thượng trung nơi có lớp sét mỏng, hoạt tính Dung dịch KCl/Polymer có giá thành thấp, khả chịu nhiệt kém, nên áp dụng cho vùng địa chất nơng phức tạp [1, 2] + Hệ FCL-AKK (Vietsovpetro): Được sử dụng rộng rãi giếng khoan Vietsovpetro, có khả chịu nhiệt tốt, độ tải mùn khoan cao, dễ thi công Tuy nhiên hệ có pha rắn cao; khó khống chế tính lưu biến, dễ tăng ECD, tổn thất thủy lực lớn chưa thân thiện với mơi trường có chứa Chrom hợp chất Ferro-Chrom Lignosulfonate (FCL) Bên cạnh đó, tính ức chế hệ khơng cao hệ khơng chứa chất ức chế có hoạt tính cao mà chứa tác nhân ức chế cation K+, Al3+ có từ phèn nhơm kali KOH [1, 2, 13, 14] PETROVIETNAM + Hệ KCl-PHPA-Glycol (MI Swaco) hệ sử dụng phổ biến không Việt Nam mà nhiều nước giới Hệ có tính ức chế tương đối tốt nhờ kết hợp nhân tố ức chế chính: KCl, PHPA (Partially Hydrolized Polyacrylamide) Polyalkylene Glycol Tuy nhiên, hệ KCl-PHPA-Glycol có nhược điểm dễ gây bít sàng rung dẫn đến trào dung dịch PHPA bám vào mặt sàng Bên cạnh đó, mức độ chịu nhiệt độ thải nước nhiệt độ cao hệ bị hạn chế, đòi hỏi bổ sung thêm số chất giảm độ thải nước ức chế sét nhiệt độ cao [4] + Hệ Glydril (MI Swaco) hệ dung dịch tiên tiến phát triển từ hệ dung dịch KCl-PHPA-Glycol, thay PHPA hóa phẩm Idcap D có khả ức chế tốt mà khơng làm bít nhét sàng rung không gây bước nhảy đột biến tính lưu biến Hơn nữa, hóa phẩm Idcap D bị ảnh hưởng nhiễm bẩn canxi PHPA (PHPA có xu hướng bị kết tủa nồng độ canxi cao 800mg/l), nâng cao hiệu dung dịch khoan qua tầng chứa khoáng canxi cao vốn phổ biến Việt Nam Tuy nhiên, dung dịch Glydril có giá thành tương đối cao nguồn cung bị hạn chế hệ dung dịch quyền MI Swaco [4] + Hệ Ultradril (MI Swaco): Hệ dung dịch sử dụng thành công Việt Nam số quốc gia khác giới Nó tổng hợp ưu chất ức chế sét dạng polyamine (Ultrahib), chất bao bọc (Ultracap), chất ức chế hấp phụ trao đổi ion (KCl) chất làm giảm bám dính mùn khoan vào cần khoan (Ultrafree) Do hoạt tính ức chế mạnh Ultrahib kết hợp với KCl Ultracap, vỉa sét dày, hoạt tính cao thường khoan qua dễ dàng với cố xảy trình khoan kéo thả, đặc biệt khoan liên thơng qua địa tầng có áp suất vỉa khác Tuy nhiên, nhược điểm hệ Ultradril có giá thành cao cung cấp độc quyền MI Swaco [4] Giới thiệu hệ dung dịch khoan KLATROL Để tạo hệ dung dịch khoan gốc nước có tiêu ưu việt đáp ứng yêu cầu khoan lại không phụ thuộc vào nhà cung cấp độc quyền, nhóm tác giả nghiên cứu, phát triển hệ dung dịch KLATROL 3.1 Thành phần cấu tử chức hóa phẩm hệ KLATROL • DV-HIVIS D: Chất tạo độ nhớt, tạo cấu trúc • DV-CAP LV: Ức chế sét theo chế màng bao bọc • KCl: Ức chế sét theo chế hấp phụ trao đổi ion • DV-KLATROL: Ức chế sét theo chế nén chặt phiến sét • DV-PAC LV: Giảm độ thải nước • DV-FLO HT: Giảm độ thải nước nhiệt độ cao • DV-CARB F (CaCO3F): Chống dung dịch, gia cố vỏ bùn • DV-KLASEAL: Ổn định sét nhiệt độ cao • DV-CIDE/Biosafe: Chất diệt khuẩn • Soda Ash: Khử độ cứng • Barite: Chất tăng tỷ trọng 3.2 Cơ chế ức chế cấu tử ức chế hệ KLATROL [4, 10, 11] Đối với hệ dung dịch KLATROL, khả ức chế thể chủ yếu hóa phẩm: - Muối KCl: Khi hòa tan vào nước, muối KCl phân ly hồn tồn loại muối điện ly mạnh Ion K+ có kích thước nhỏ (2,66Angxtrom), xâm nhập vào khít lớp phiến sét Vì hấp phụ thay ion Na+ K+ vĩnh viễn (ion K+ khơng bị thay ion khác), khoảng không gian nội phiến sét bị thu hẹp lại, làm phần tử nước khó xâm nhập sâu vào khe phiến sét này, hạn chế trương nở phiến sét Bên cạnh đó, tâm hoạt động tích điện âm bề mặt phiến sét trung hòa ion K+, chúng khơng khả tương tác với phân tử nước nữa, độ dày vỏ bọc hydrat phiến sét giảm đi, dẫn đến việc phiến sét khó trương Ngồi ra, ion Cl- có Hình Cơ chế hấp phụ thay ion cation K+ DẦU KHÍ - SỐ 4/2012 29 THĂM‱DỊ‱-‱KHAI‱THÁC‱DẦU‱KHÍ lực mạnh phân tử nước làm giảm tỷ lệ nước tự dung dịch, làm giảm mức độ xâm nhập vào kẽ sét phần tử nước tự do, hạn chế trình trương nở sét - DV-KLATROL hỗn hợp polyamine muối amine hữu bậc tan hoàn toàn nước, ức chế sét sở gia cố liên kết phiến sét Do lực gốc amine (tâm điện dương) với tâm hoạt động mang điện âm phiến sét lớn, gốc polyamine muối amin nhanh chóng hấp phụ lên bề mặt phiến sét trung hòa tâm tích điện Bên cạnh đó, phân tử chứa nhiều gốc amine, chúng đóng vai trò cation đa hóa trị, liên kết chặt gia cố bề mặt phiến sét lại với Do vậy, phân tử nước xâm nhập hydrat hóa tâm điện tích bề mặt phiến sét, chúng làm gia tăng khoảng cách phiến sét, từ hạn chế khả phân tán hạt sét - DV-CAP LV hỗn hợp co-polymer polyacrylamide mạch ngắn ức chế sét theo chế bao bọc Khác với polyacrylamide có mạch dài mang điện tích âm, DV-CAP LV cationic polymer (polymer dương) với tâm điện tích dương chiếm ưu Do vậy, chúng dễ dàng hấp phụ chắn lên bề mặt phiến sét, đồng thời hấp phụ lên cạnh phiến sét, nơi có tâm điện tích dương âm, che phủ hoàn toàn cụm phiến sét ngăn không cho nước xâm nhập vào cụm phiến sét qua kẽ phiến sét Liên kết khả che phủ polymer dương tốt nhiều polymer âm, ngăn cản tốt xâm nhập nước tự vào phiến sét Bên cạnh đó, khối lượng phân tử thấp độ dài mạch ngắn, DV-CAP LV không tạo gia tăng đột ngột độ nhớt, không bít nhét khe hổng sàng rung Do đó, loại bỏ tượng trào sàng rung cố khác gây độ nhớt cao dung dịch - DV-KLASEAL chất ổn định sét hiệu nhiệt độ cao Khả bền nhiệt DV-KLASEAL xuất phát từ 30 DẦU KHÍ - SỐ 4/2012 Hình Cơ chế ức chế sét Polyamine Hình Cơ chế bao bọc sét DV-CAP LV mạng lưới mạng cacbon hữu chắn, xử lý hóa học để tan tốt môi trường nước Ở mức độ vi mô, DV-KLASEAL làm ổn định sét chế bao bọc mùn khoan thành hệ, trung hòa tâm hoạt tính sét (đặc biệt tâm điện tích dương cạnh phiến sét), hạn chế khả xâm nhập nước vào cấu trúc nội phiến sét Biến thiên nồng độ tính chất hệ KLATROL Thành phần khoảng biến thiên nồng độ, tính chất lưu biến hệ KLATROL mô tả Bảng So sánh tính chất lưu biến, độ thải nước khả ức chế sét dung dịch KLATROL với dung dịch khác điều kiện nhiệt độ khác [3, 4, 5, 6, 7, 11] Có hệ dung dịch khảo sát so sánh là: KLATROL (DMC-WS); CFL-AKK-KCl-PAG (cùng phát triển nhóm PETROVIETNAM Bảng Thành phần, khoảng biến thiên nồng độ tính chất lưu biến hệ KLATROL tác giả DMC-WS VSP); KCl/Glydril MC/Idcap D Ultradril (MI Swaco) Thành phần, nồng độ hệ trình bày Bảng Các dung dịch khoan chuẩn bị mẫu nước biển lấy từ khu vực mỏ Rồng (giàn West Prospero khoan cho Vietsovpetro) Tiến hành đo lưu biến dung dịch điều kiện 25oC Đo mức độ trương nở sét thiết bị Swell Metter điều kiện 25oC 16 Một nửa dung dịch chuẩn bị nung quay Rolling Oven 16 nhiệt độ 120oC, sau kiểm tra tính chất lưu biến mức độ trương nở sét Mẫu sét API Calibration Bentonite (sét hoạt hóa) nén 6.000psi (408at) tương đương với mức độ nén mẫu đất đá độ sâu 3.500m với cột áp suất thủy tĩnh dung dịch 1,2 (SG) Đây độ sâu tầng Oligocen thượng có chứa nhiều sét hoạt tính thường xuyên gặp thềm lục địa Việt Nam API Calibration Bentonite (sét hoạt hóa) loại sét Natri Montmorillonite có khả trương nở mạnh, phản ánh khách quan khả ức chế hệ dung dịch nghiên cứu Thời gian tiếp xúc mẫu lõi sét dung dịch khoan 16 tiếng, đo nhiệt độ thường (25oC) nhiệt độ cao (120oC) Các kết tính chất lưu biến hệ dung dịch trước sau nung 16 120oC trình bày Hình 5, kết ức chế sét mơ tả Hình Qua Hình thấy hệ dung dịch KLATROL hệ khác có tính chất lưu biến ổn định trước sau gia nhiệt có giới hạn lưu biến phạm vi cho phép Kết đo trương nở trước sau nung (Hình 7) cho thấy trước nung, Ultradril cho kết tốt nhất, trương nở sét khoảng 10%, sau đến hệ KLATROL (13%), hệ KCl/Glydril MC/Idcap D (14%) DẦU KHÍ - SỐ 4/2012 31 THĂM‱DỊ‱-‱KHAI‱THÁC‱DẦU‱KHÍ Bảng Thành phần, nồng độ hệ dung dịch khảo sát so sánh Hình So sánh tính chất lưu biến hệ dung dịch trước nung Hình So sánh tính chất lưu biến hệ dung dịch sau nung hệ CFL-AKK-KCl-PAG (15%) Tuy nhiên, tất mẫu cho mức độ ức chế trương nở sét tốt (trương nở sét 20%) kết tốt (15,4%) đến hệ Ultradril (16,2%); hệ Sau nung nhiệt độ cao, tất hệ dung dịch cho kết trương nở sét 20% Hệ KLATROL cho nhiệt, thay đổi trương nở sét trước sau nung 32 DẦU KHÍ - SỐ 4/2012 KCl/Glydril MC/Idcap D (16,9%) hệ CFL-AKK-KCl-PAG (18,2%) Mặt khác, hệ dung dịch KLATROL tương đối bền thấp số hệ khảo sát (từ 13 - 15,4%) PETROVIETNAM Đánh giá khả ức chế sét hệ KLATROL phương pháp thu hồi mùn khoan [11] Hình Kết so sánh độ trương nở sét hệ dung dịch trước nung Hình Kết so sánh độ trương nở sét hệ dung dịch sau nung Bảng Kết thí nghiệm thu hồi mùn khoan Để đánh giá khả ức chế sét phương pháp thu hồi mùn khoan, API Evaluation Clay (sét sơ khai) sử dụng để nén viên mẫu Đây loại sét sơ khai chưa xử lý, có tính chất gần với sét thường gặp trình khoan Sét nén với áp suất 6.000psi đập nhỏ thành hạt nhỏ với kích thước giới hạn lọt qua sàng mesh nằm sàng 20 mesh (gần tương đồng với kích thước mùn khoan) Sau đó, cân 10g cho vào 200ml hệ dung dịch thử nghiệm (thí nghiệm hệ ức chế ưu việt Ultradril MI Swaco hệ KLATROL DMCWS với thành phần nồng độ trình bày Bảng 3) nung lò nung quay với nhiệt độ 120oC vòng 16 Sau đó, hạt sét thu hồi lại sàng 20 mesh, đem phơi khô đến khối lượng không đổi so sánh với khối lượng ban đầu Kết thu hồi mùn khoan hai dung dịch trình bày Bảng 3, Hình cho thấy khả ức chế hệ KLATROL tốt cho hệ số thu hồi mùn khoan cao Đánh giá khả tải mùn khoan hệ KLATROL Một tiêu chí để đánh giá tính hệ dung dịch thử nghiệm khả tải mùn khoan Hình Mẫu mùn khoan thu hồi dung dịch KLATROL Hình Mẫu mùn khoan thu hồi dung dịch Ultradril DẦU KHÍ - SỐ 4/2012 33 THĂM‱DỊ‱-‱KHAI‱THÁC‱DẦU‱KHÍ Bảng Thơng số dung dịch KLATROL sau nhiễm bẩn mùn khoan Tài liệu tham khảo Hồng Hồng Lĩnh, Ngơ Văn Tự, 1995 Nghiên cứu áp dụng hệ dung dịch khoan ức chế Liên doanh Việt Nga Tạp chí Dầu khí số p 10 - 16 Ngô Văn Tự, 1995 Nghiên cứu hệ dung dịch khoan ức chế sở chất phụ gia KR - 22 để thi cơng giếng khoan dầu khí mỏ Bạch Hổ Rồng Hà Nội Do well drilling fluids manual, 1999 Drilling fluids handbook MI Swaco, 2006 Drilling fluids manual Amoco Production Company hệ Yêu cầu khả tải mùn khoan hệ ứng suất cắt động (YP) hệ không vượt 42lb/100ft2 làm nhiễm bẩn hệ với 10ppb (28kg/m3) sét sơ khai - mức nhiễm bẩn cao dung dịch Thí nghiệm mô nhiễm bẩn 10ppb API Evaluation Clay (sét sơ khai) hệ KLATROL (có thành phần nêu Bảng 2) cho kết Bảng Kết Bảng cho thấy khả tải mùn khoan hệ dung dịch KLATROL hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đặt Hệ dung dịch có tính lưu biến tương đối tốt nhiễm bẩn chất rắn khoan với nồng độ lớn Điều hạn chế q trình pha lỗng làm hệ dung dịch khoan, nhờ tăng hiệu kinh tế q trình thi cơng khoan Kết luận Hệ dung dịch khoan gốc nước KLATROL DMC-WS nghiên cứu phát triển có nhiều tính ưu việt, đặc biệt khả ức chế trương nở sét cao, bền nhiệt thân thiện với môi trường, đáp ứng yêu cầu tăng cường lực khoa học công nghệ, tự chủ hệ dung dịch, hóa chất kỹ thuật cung cấp dịch vụ dung dịch khoan Lời cảm ơn Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Viện Cơng nghệ khoan có giúp đỡ, tư vấn quý báu trình nghiên cứu xây dựng hệ dung dịch khoan KLATROL; cảm ơn Viện Nghiên cứu Khoa học Thiết kế Dầu khí, Xí nghiệp Khoan Sửa giếng (Liên doanh Việt - Nga) hỗ trợ đánh giá tính chất hệ dung dịch khoan trình bày viết 34 DẦU KHÍ - SỐ 4/2012 Drilling fluids product data manual Dowell Drilling Fluids, 2005 Fluids Fact Engineering handbook Baker Hughes INTEQ King et al., 1993 Method of aerating drilling fluid US Patent KMC Oiltools Drilling fluids operation manual, Ver 2.0 Scomi Oiltools, 2008 10 Smith et al., 1997 Method of treating shale and clay in hydrocarbon formation drilling US Patent 11 Specification for drilling fluid materials, 13A, 1993 12 US Patent No 5607902: Method of treating shale and clay in hydrocarbon formation drilling 13 Иструкция по технологии приготовления и обработки буровых растворов с применением морской воды при бурении скважин нa месторождениях СП “Вьетсовпетро” - BCΠ, 2005 14 Руководящий нормативный документ: Регламент буровых растворов при проводке скважин на месторождениях СП Вьетсовпетро РД СП 86-07 BCΠ, 2007 ... sánh độ trương nở sét hệ dung dịch trước nung Hình Kết so sánh độ trương nở sét hệ dung dịch sau nung Bảng Kết thí nghiệm thu hồi mùn khoan Để đánh giá khả ức chế sét phương pháp thu hồi mùn khoan, ... Nghiên cứu áp dụng hệ dung dịch khoan ức chế Liên doanh Việt Nga Tạp chí Dầu khí số p 10 - 16 Ngô Văn Tự, 1995 Nghiên cứu hệ dung dịch khoan ức chế sở chất phụ gia KR - 22 để thi công giếng khoan. .. giả nghiên cứu, phát triển hệ dung dịch KLATROL 3.1 Thành phần cấu tử chức hóa phẩm hệ KLATROL • DV-HIVIS D: Chất tạo độ nhớt, tạo cấu trúc • DV-CAP LV: Ức chế sét theo chế màng bao bọc • KCl: Ức