XI MĂNG (cơ sở kỹ THUẬT dầu KHÍ SLIDE)

MƠN HỌC KHOAN VÀ HỒN THIỆN GIẾNG XI MĂNG NỢI DUNG  Sơ lược lịch sử trám xi măng giếng dầu  Phân loại  Vữa xi măng  Tính chất của đá xi măng XI MĂNG Sơ lược lịch sử trám xi măng  Sét là vật liệu xi măng đầu tiên  Xi măng Portland Joseph Aspdin phát minh năm 1824 là vật liệu nhân tạo được sản xuất bằng cách nung chảy đá vôi với đất sét  Năm 1903 lần đầu tiên xi măng được sử dụng một giếng dầu để cách ly tầng nước  Năm 1910, A Perkins giới thiệu đầu trám xi măng hai nút ở California  Đến năm 1917 xi măng Portland vẫn là thành phần bản để trám giếng dầu  Năm 1920, P Halliburton giới thiệu kỹ thuật trám xi măng giếng dầu  Từ năm 1940, đặc biệt từ năm 1983 đến đã có nhiều loại xi măng và phụ gia được sản xuất và sử dụng  Trang thiết bị phòng thí nghiệm xi măng, công nghệ bơm trám xi măng ngày càng được hoàn thiện  Ngày nay, việc trám xi măng giếng dầu các công ty dịch vụ kỹ thuật chuyên ngành đảm trách XI MĂNG Thành phần hoá học  Viện dầu khí Hoa Kỳ API dựa vào tính chất và đặc điểm kỹ thuật phân làm loại A, B, C, D, E, F, G và H Thành phần hoá học  Tricalcium Aluminate (C3A - 3CaO.Al2O3): thời gian đông cứng, phát triển độ bền của xi măng  Tricalcium silicate (C3S - 3CaO.SiO2): thành phần chính xi măng Portland  Dicalcium Silicate (C2S - 2CaO.Si2O2): tạo độ bền cuối của xi măng  Tetracalcium Aluminoferrite (C4AF - 4CaO.Al2O3.Fe2O3): độ bền của xi măng XI MĂNG Thành phần hoá học Thành phần xi măng (%) Loại xi măng C3 S C2S C3 A C4AF Độ mịn (cm3/g) A B C D&E G&H 53 47 58 26 50 24 32 12 54 30 ≥8 ≤5 8 12 12 12 1500 - 1900 1500 - 1900 2000 - 2800 1200 - 2800 1400 - 1700  Ngoài còn có những thành phần khác: thạch cao, kali sulfate, magiê, vôi… Những ngun liệu này khơng ảnh hưởng đến quá trình xi măng đơng cứng tác đợng đến quá trình thuỷ hoá của xi măng, thay đổi tỷ trọng vữa vá tính kháng các hoá chất có hại XI MĂNG Thành phần hoá học  Khi cần những tính chất đặc biệt có thể thực hiện theo những khuyến cáo sau: Tính chất Phát triển nhanh độ Chậm đơng Nhiệt thuỷ hố thấp Tính kháng sulfate Cách thực bền Tăng hàm lượng C3S, nghiền mịn Khống chế C3S, C3A, nghiền thô Giới hạn C3S, C3A Giới hạn C2S XI MĂNG Phân loại xi măng  Chọn xi măng tuỳ thuộc vào:  Nhiệt độ tĩnh và động ở đáy giếng ảnh hưởng đến thời gian đông cứng của vữa xi măng  Tỷ trọng vữa được quy định với các giới hạn về áp suất vỡ vỉa của thành hệ khoan qua  Độ nhớt dẻo của vữa và các tính thấm lọc  Thời gian đông cứng và phát triển độ bền chịu nén theo thời gian  Độ bền của xi măng các môi trường ăn mòn và nhiệt độ ở đáy giếng XI MĂNG Phân loại xi măng  Phân loại và điều kiện sử dụng xi măng theo API 10: Loại Điều kiện sử dụng A - 6000 ft: loại thường, giếng khơng địi hỏi tiêu chuẩn đặc biệt B - 6000 ft: đòi hỏi xi măng có độ bền từ trung bình đến cao sulfate C - 6000 ft: độ bền chịu nén ban đầu cao, độ bền với sulfate từ kém, trung bình đến cao D 6000 -12000 ft: nhiệt độ áp suất tương đối cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao E 6000 - 14000 ft: giếng có nhiệt độ áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao F 10000 - 16000 ft: giếng có nhiệt độ áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao G - 8000 ft: xi măng bản, sử dụng với chất phụ gia đông nhanh đông chậm để trám giếng có chiều sâu nhiệt độ khác nhau, có độ bền với sulfate từ trung bình đến cao H - 8000 ft: xi măng bản, sử dụng điều kiện loại G, có độ bền trung bình với sulfate XI MĂNG Vữa xi măng  Yêu cầu chung  Trộn và bơm dễ dàng, có tính lưu biến tối ưu cho việc thay thế dung dịch khoan  Bảo đảm tính chất đồng nhất suốt quá trình bơm đẩy  Bảo đảm được đợ kín đông cứng, không cho khí rò rỉ vào khoảng không vành xuyến  Tạo liên kết tốt giữa ống chống và thành hệ  Phát triển độ bền nhanh bơm trám xong và độ bền của đá xi măng ổn định thời gian dài XI MĂNG Vữa xi măng  Các tính chất của vữa xi măng và điều kiện sử dụng Loại A (Portland) B (Portland) C (Đông nhanh) D (Chậm đông) E (Chậm đông) F (Chậm đông) G (Cơ bản)* H (Cơ bản)* Tỷ trọng Lượng nước vữa trộn (lbm/gal (gal/bao) ) 5,2 5,2 6,3 4,3 4,3 4,3 5,0 4,3 15,6 15,6 14,8 16,4 16,4 16,2 15,8 16,4 Độ sâu (ft) Nhiệt độ tĩnh (oF) - 6000 - 6000 - 6000 6000 12000 6000 -14000 10000 - 16000 - 8000 - 8000 80 - 170 80 - 170 80 - 170 170 - 260 170 - 290 230 - 230 80 - 200 80 - 200 *: điều chỉnh thời gian đông nhanh đông chậm tùy thuộc vào điều kiện giếng XI MĂNG 10 Vữa xi măng  Tính chất của vữa  Tỷ số nước/xi măng − Lượng nước tối thiểu để trộn với xi măng nguyên chất cho độ sệt của vữa nhỏ 30 Bc − Tỷ số nước/xi măng tối đa là lượng nước thêm vào mà vẫn giữ ở trạng thái lơ lửng cho đến quá trình bơm trám xi măng hoàn tất Tính chất của xi măng nguyên chất Loại Tỷ trọng vữa (lb/gal) Nước trộn (gal/bao) Chỉ số yield (cuft/bao) Nước trộn (%) A B C D G H 15,6 15,6 14,8 16,4 15,8 16,4 5,2 2,5 6,3 4,3 5,0 4,3 1,18 1,18 1,32 1,02 1,15 1,05 46 46 56 38 48 38 XI MĂNG 11 Vữa xi măng  Tỷ trọng − Theo tiêu chuẩn API, tỷ trọng vữa xi măng bị giới hạn bởi tỷ số nước/xi măng − Tỷ trọng thấp thường được sử dụng để tránh hiện tượng phá vỡ vỉa đối với thành hệ yếu − Tỷ trọng cao được sử dụng thành hệ có áp suất cao với lượng nước tối thiểu cho phép (17.5 - 18 lb/gal) − Phụ thuộc vào độ mịn của xi măng sử dụng Với đợ mịn trung bình diện tích bề mặt của xi măng loại A và C thay đổi từ 150 - 220 m2/kg XI MĂNG 12 Vữa xi măng  Chống mất dung dịch − Thành hệ có tính thấm cao dễ xảy hiện tượng mất nước, đó làm giảm tỷ số nước/xi măng − Khi đó nếu áp suất bơm lớn áp suất vỡ vỉa đối với những thành hệ yếu rất dễ xảy hiện tượng mất t̀n hoàn toàn bợ nước vào thành hệ này − Mất nước mang một phần vật liệu xi măng vào tầng sản phẩm, kết quả là làm giảm độ thấm lọc của tầng sản phẩm − Lượng nước mất không điều khiển được vữa xi măng nguyên chất trung bình khoảng 800 - 1000 ml/30 phút dưới áp suất 1000 psi Giá trị tối ưu là 100 - 200 ml/30 phút dưới áp suất 1000 psi  Chất phụ gia được dùng chủ yếu hiện để chống mất dung dịch là polime hữu tổng hợp lỏng và dẫn suất cellulose XI MĂNG 13 Vữa xi măng  Tính lưu biến − Đối với mỡi lưu chất các thơng số về dòng chảy bị chi phối bởi chế độ dòng chảy và tính lưu biến của dòng chảy đó Khả vữa xi măng vào các khe nứt, đứt gãy phụ thuột lớn vào độ sệt của nó − Sự thành cơng của quá trình bơm trám xi măng phụ thuộc nhiều vào việc đo và tính toán các thông số lưu biến của vữa xi măng để tối ưu tốc độ bơm đẩy và áp suất điều kiện thiết bị và giếng khoan hiện có mà vẫn không làm thay đổi tính chất của vữa xi măng theo thiết kế − Được đo bằng nhớt kế tiêu chuẩn FANN 35 hoặc FANN 50 phòng thí nghiệm Việc sử dụng các chất phụ gia cũng làm thay đổi độ nhớt của vữa, ví dụ lignosulfonate có thể làm giảm độ nhớt, còn cellulose lại làm tăng độ nhớt của vữa XI MĂNG 14 Vữa xi măng  Thời gian đông quánh − Là thời gian tính từ thời điểm bắt đầu bơm vữa ở điều kiện nhiệt độ và áp suất ban đầu đến vữa đạt đến độ sệt (khoảng 100 Bc) không còn bơm được nữa − Xi măng thường hoặc xi măng có phụ gia đều có thể sử dụng ở những điều kiện nhiệt độ và áp suất giếng khác − Để thay đổi thời gian đông quánh có thể thêm vào chất phụ gia nhanh đông hay chậm đông tùy theo từng điều kiện cụ thể của giếng − Hầu hết vữa trước bơm đều phải được thí nghiệm ở điều kiện tương tự điều kiện giếng khoan − Thời gian đông quánh của vữa thường được thiết kế lớn thời gian cần thiết để bơm trám hay thời gian hoàn tất công việc Thời gian này thay đổi khoảng từ một hay bằng 50% thời gian bơm trám XI MĂNG 15 Tính chất của đá xi măng  Độ bền nén  Giá trị độ bền nén tối ưu của đá xi măng phải tương đương với độ bền của thành hệ được cách ly  Đá xi măng phải phát triển độ bền nén đủ để: − Bảo vệ ống chống giếng khoan − Chịu được rung đợng, va chạm quá trình khoan và bắn mở vỉa − Tránh hiện tượng gây nứt vỡ thành hệ áp suất thủy tĩnh cao  Đá xi măng đông cứng giếng chịu tác động bởi lực nén ngang áp suất thành hệ gây và ứng suất kéo trọng lượng của cột ống chống  Độ bền xi măng phải đủ lớn để tạo liên kết giữa ống chống và xi măng để bảo vệ cột ống chống XI MĂNG 16 Tính chất của đá xi măng  Tính cách ly  Độ thấm và độ bền của liên kết xi măng và ống chống là hai yếu tố ảnh hưởng đến khả cách ly của đá xi măng  Độ thấm của xi măng đông cứng thường rất thấp (khoảng 0.01 md) Khi bơm trám xi măng ở những thành hệ chứa khí có áp suất cao tính cách ly của xi măng đông cứng rất quan trọng (nhất là các khí gây ăn mòn)  Độ thấm của xi măng thay đổi tuỳ theo tỷ lệ nước trộn vữa xi măng Vữa có tỷ trọng thấp thường sử dụng bơm trám qua thành hệ có độ thấm cao  Sự liên kết giữa ống chống và vành đá xi măng không bị ảnh hưởng bởi các phản ứng hoá học bị chi phối bởi các hiện tượng vật lý Do co ngót của xi măng suốt quá trình thủy hoá cợng biến dạng của cột ống chống sẽ tạo các vi khe nứt khoảng không vành xuyến cho phép chất lưu thấm qua Cần sử dụng vành xi măng giãn nở để khắc phục hiện tượng này XI MĂNG 17 Tính chất của đá xi măng  Sự suy giảm độ bền ở nhiệt độ cao  Ở điều kiện nhiệt độ bình thường, xi măng đơng cứng tiếp tục quá trình thuỷ hoá và phát triển độ bền cho đến một giá trị xác định  Ở nhiệt độ lớn 110oF xi măng sẽ đạt được độ bền tối đa vài tuần đầu, sau đó độ bền này bắt đầu giảm, quá trình này gọi là suy giảm đợ bền của đá xi măng  Trong một vài trường hợp, độ bền của đá xi măng tiếp tục giảm cho đến bị phá hủy hoàn toàn XI MĂNG 18 Tính chất của đá xi măng  Nguyên nhân gây suy giảm độ bền ở nhiệt độ cao:  Sự thay đổi cấu trúc của xi măng đã liên kết với nước quá trình thủy hoá và mất nước: một những thành phần của đá xi măng là calcium-silicate-hydrate ở nhiệt độ 250 oF bị biến thành alpha-dicalcium- silicate-hydrate Điều này làm tăng độ rỗng, vậy tăng mức độ nhiễm bẩn và giảm độ bền của đá xi măng  Độ thấm của đá xi măng tăng lên dẫn đến gia tăng các lỗ rỗng tạo điều kiện dễ dàng cho quá trình ăn mòn xi măng, làm giảm đợ bền của xi măng Để hạn chế suy giảm độ bền của đá xi măng, xi măng Portland đều sử dụng 30 - 40% silica mịn (silica oxit) Silica này ở nhiệt đợ cao sẽ ngăn chặn hình thành alpha-dicalcium-silicate, đồng thời làm giảm độ thấm của xi măng Thử nghiệm cho thấy một loại đá xi măng độ thấm sau ngày tăng từ từ 0,1 md ở 90oC lên 4,58 md ở 160oC Việc tăng tỉ lệ nước/xi măng cũng gây suy thoái độ bền XI MĂNG 19 Tính chất của đá xi măng  Tính kháng sulfate  Sulfate được xem là chất ăn mòn xi măng nhất Thông thường nước thành hệ chứa dầu thường chứa magnesium và sodium sulfate Xi măng tiếp xúc với nước sulfate sẽ dần dần bị mềm và phân rã Thời gian tiếp xúc càng lâu và lượng nước sulfate được bổ sung sẽ gây tổn hại và làm xi măng mất dần tính liên kết  Magnesium (Mg) hay sodium sulfate (Na2SO4) phản ứng với vôi xi măng tạo magnesium (Mg(OH)2) hay sodium hydroxit (NaOH) và calcium sulfate (CaSO4) Calcium sulfate phản ứng với C3A tạo thành calcium sulfoaluminate có thể tích lớn lỗ rỗng của C 3A làm cho lớp xi măng giãn nở gây áp lực tách lớp xi măng bảo vệ ống chống  Để tăng tính kháng sulfate cho xi măng, người ta thường giảm lượng C3A có xi măng hay giảm lượng vôi tự xi măng đông cứng bằng cách thêm vào vật liệu pozzolan, chất này phản ứng với vôi tạo thêm một phần vật liệu xi măng Ngoài cũng có thể thêm vào xi măng lượng calcium sulfate tương ứng với C3A để tạo thành calcium sulfoaluminate trước vữa xi măng đông cứng Tuy nhiên không có phương pháp nào loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của sulfate mà chỉ hạn chế ở một mức độ nhất định XI MĂNG 20 ... lịch sử trám xi măng giếng dầu  Phân loại  Vữa xi măng  Tính chất của đá xi măng XI MĂNG Sơ lược lịch sử trám xi măng  Sét là vật liệu xi măng đầu tiên  Xi măng Portland... giếng XI MĂNG 10 Vữa xi măng  Tính chất của vữa  Tỷ số nước /xi măng − Lượng nước tối thiểu để trộn với xi măng nguyên chất cho độ sệt của vữa nhỏ 30 Bc − Tỷ số nước /xi măng. .. lớp xi măng giãn nở gây áp lực tách lớp xi măng bảo vệ ống chống  Để tăng tính kháng sulfate cho xi măng, người ta thường giảm lượng C3A có xi măng hay giảm lượng vôi tự xi măng