Bài giảng Dung dịch khoan – ximăng: Chương 7 - Đỗ Hữu Minh Triết - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất và bơm trám ximăng, một số loại ximăng đặc biệt đã được sản xuất để khắc phục các vấn đề phức tạp, bao gồm: mất nước, mất tuần hoàn, vi khe[r]

(1)

CHƯƠNG 7

CHỌN VỮA XIMĂNG

TRONG CƠNG NGHIỆP DẦU KHÍ

GEOPET

Dung dịch khoan & ximăng – ĐỗHữu Minh Triết

7-2

NỘI DUNG

I. LỊCH SỬTRÁM XIMĂNG GIẾNG DẦU

II. PHÂN LOẠI XIMĂNG

III. CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG

IV XIMĂNG ĐẶC BIỆT

GEOPET

7-3

I LỊCH SỬTRÁM XIMĂNG GIẾNG DẦU

Sét vật liệu ximăng sửdụng xây dựng cơng trình Q trình hydrat hóa bay nước gắn kết vật liệu khác lại với Ximăng Portland (xuất phát từtên mẫu đá lấy từ hịn đảo Portland nước Anh ximăng đơng cứng giống với loại đá này) Joseph Aspdin phát minh năm 1824 vật liệu nhân tạo sản xuất cách nung đá vôi với đất sét

Năm 1903, lần ximăng sửdụng giếng dầu đểcách ly tầng nước

GEOPET

7-4

Năm 1910, A Perkins giới thiệu đầu trám ximăng hai nút ởCalifornia Các nút trám đúc gang đẩy xuống đáy giếng nhờáp suất nước

Đến năm 1917 ximăng Portland thành phần đểtrám giếng dầu Năm 1920, P Halliburton giới thiệu kỹthuật trám ximăng giếng dầu

(2)

GEOPET

7-5

Trang thiết bịphịng thí nghiệm ximăng thiết bịcông nghệ bơm trám ximăng ngày hồn thiện cho phép kiểm sốt tốt chất lượng vữa qui trình trám ximăng trường

Ngày nay, việc trám ximăng giếng dầu khơng cịn cơng việc đội khoan mà thường công ty dịch vụkỹthuật chuyên ngành đảm trách

GEOPET

7-6

Hình 7.1 Trám ximăng giếng khoan thập niên 1920

GEOPET

7-7

II PHÂN LOẠI XIMĂNG

Ximăng cơng nghiệp dầu khí phân loại chủyếu dựa tiêu chuẩn Viện dầu khí Hoa Kỳ(API) Dựa tính chất đặc điểm kỹthuật, ximăng chia thành loại A, B, C, D, E, F, G H

a Thành phần hố học

Ximăng thường có thành phần sau đây:

1 Tricalcium Aluminate (C3A - 3CaO.Al2O3): ảnh hưởng lớn đến thời gian đơng

cứng, đóng vai trò quan trọng việc phát triển độbền ximăng Thời gian đơng cứng ximăng có thểđiều chỉnh cách thêm thạch cao

2 Tricalcium silicate (C3S - 3CaO.SiO2): thành phần ximăng

Portland, chiếm 40 - 45% ximăng chậm đông 60 - 65% ximăng đông nhanh C3S định đến giai đoạn phát triển độbền ximăng

GEOPET

7-8

3 Dicalcium Silicate (C2S - 2CaO.SiO2): đóng vai trị quan trọng việc tạo độbền cuối ximăng không ảnh hưởng lớn đến thời gian đông cứng ban đầu ximăng chậm kết hợp với nước

4 Tetracalcium Aluminoferrite (C4AF - 4CaO.Al2O3.Fe2O3): ảnh hưởng đến độ

bền ximăng

Bảng 7.1 Thành phần hóa học loại ximăng theo tiêu chuẩn API

C4AF

C3A

C2S

C3S

1.400 – 1.700 12

5 30 50 G & H

1.200 – 2.800 12

2 54 26 D, E & F

2.000 – 2.800

8 12 58 C

1500 – 1900 12

≤5 32 47 B

1.500 – 1.900

≥8 24 53 A

Độmịn (cm2/g)

Thành phần ximăng (%) Loại

(3)

GEOPET

7-9

Ngồi ra, ximăng cịn có thành phần khác thạch cao, kali sulfate, magiê, vôi … Những thành phần tác động đến trình thuỷ hố ximăng, thay đổi tỷtrọng vữa có tính kháng hố chất có hại Ngồi ra, cần tính chất đặc biệt ximăng, có thểthực theo khuyến cáo bảng

Bảng 7.2 Các tính chất đặc biệt ximăng

Giới hạn C2S

Tính kháng sulfate

Giới hạn C3S, C3A

Nhiệt thủy hoá thấp

Khống chếC3S, C3A, nghiền thô Chậm đông

Tăng hàm lượng C3S, nghiền mịn

Phát triển độbền nhanh

Cách thực Tính chất

GEOPET

7-10

b Phân loại ximăng theo tiêu chuẩn API

Theo quy phạm API, có nhiều chủng loại ximăng sửdụng tuỳthuộc chiều sâu, nhiệt độ đáy giếng tính chất chất lưu vỉa Việc chọn loại ximăng tùy thuộc vào:

− Nhiệt độtĩnh động (lúc tuần hoàn vữa ximăng) ởđáy giếng: ảnh hưởng đến thời gian đông cứng vữa ximăng

− Tỷtrọng vữa: quy định với giới hạn vềáp suất vỡvỉa thành hệ khoan qua

− Độnhớt dẻo vữa tính thấm lọc chúng − Thời gian đông cứng phát triển độbền nén theo thời gian

− Độbền ximăng mơi trường ăn mịn nhiệt độ ởđáy giếng

Theo API 10, ximăng sửdụng dầu khí phân loại bảng 7.3

GEOPET

7-11

Bảng 7.3 Phân loại điều kiện sửdụng ximăng theo API

0 - 10 - 16

6 - 14 - 12

0 - - -

Độsâu, 1000 ft

H

cơ bản, có thểsửdụng với phụ gia đơng nhanh đơng chậm giếng có chiều sâu nhiệt độkhác nhau, có độbền với sulfate từtrung bình đến cao (H bền sulfat trung bình)

G

nhiệt độvà áp suất cao, độbền với sulfate từtrung bình đến cao

F

nhiệt độvà áp suất cao, độbền với sulfate từtrung bình đến cao

E

nhiệt độvà áp suất tương đối cao, độbền với sulfate từtrung bình đến cao

D

độbền nén ban đầu cao, độbền với sulfate từkém, trung bình đến cao

C

địi hỏi ximăng có độbền từtrung bình đến cao với sulfate

B

loại thường, giếng khơng địi hỏi tiêu chuẩn đặc biệt

A

Điều kiện sửdụng Loại

GEOPET

7-12

III CÁC CHẤT PHỤGIA CỦA XIMĂNG

Nếu vữa ximăng chỉbao gồm ximăng nước khơng thể đáp ứng đầy đủcác yêu cầu phức tạp thực tế Người ta phải bổsung chất phụ gia để điều chỉnh tính chất ximăng

Hiện nay, có 100 chất phụ gia cho ximăng chia thành loại sau:

1 Chất nhanh đông Chất chậm đông Chất làm nhẹ Chất làm nặng Chất phân tán

(4)

GEOPET

7-13

3.1 Chất nhanh đông

Các chất làm giảm thời gian đông cứng vữa ximăng, tăng tốc độphát triển độbền nén Các chất thường dùng đểbù trừsựchậm đông sốphụgia khác, ví dụchất phân tán chất chống vữa Các muối clorua chất nhanh đông phổbiến CaCl2là chất hiệu quảvà rẻ tiền Nồng độCaCl2sửdụng thường khoảng 2-4% khối lượng ximăng NaCl2, tùy thuộc nồng độvà nhiệt độ, chất nhanh đông, chất hiệu cao Do đó, NaCl2chỉnên dùng khơng có CaCl2 Ngồi ra, cịn sốchất nhanh đơng khác như: sôđa, thủy tinh lỏng, xút,…

GEOPET

7-14

3.2 Chất chậm đông

Các chất làm tăng thời gian đông cứng vữa ximăng

Nguyên lý gây chậm đông phụgia chưa thống Hiện nay, có lý thuyết vềsựchậm đơng:

− Lý thuyết hấp phụ: chậm đông gây sựhút bám phụgia bềmặt sản phẩm thủy hóa, từđó ngăn cản tiếp xúc với nước

− Lý thuyết kết tủa: chất chậm đông tác dụng với ion canxi ion hydroxit pha lỏng, tạo lớp chất kết tủa không thấm xung quanh hạt ximăng

− Lý thuyết hạt nhân: chất chậm đông bám quanh nhân sản phẩm thủy hóa, can thiệp làm chậm phản ứng

− Lý thuyết phức hợp: ion canxi bịcơ lập phụ gia, ngăn cản sựhình thành phân tử

GEOPET

7-15

Các chất chậm đông tiêu biểu bao gồm:

– Các muối natri canxi acid lignosulfonic: hiệu quảvới tất cảcác loại ximăng Portland, nồng độ thường sửdụng 0,1 – 1,5% khối lượng ximăng Khoảng nhiệt độhoạt động hiệu quảtới 122oC có thểđạt tới 315oC

khi trộn chung với borat natri Na2B4O7

– Thạch cao CaSO4: dùng cho ximăng chứa nhiều C3A Có thểthay thếthạch

cao H2SO4đểkết hợp với lượng Ca(OH)2 dư, tạo thạch cao

– CMC: dùng với nồng độmuối vữa Tỉlệdùng thường khoảng 0,5 – 1,5% khối lượng ximăng, có thểhoạt động ởnhiệt độtới 100oC.

– Bã rượu sunfit: chất chậm đông hiệu tạo bọt, cần kết hợp với chất chống tạo bọt Nồng độsửdụng – 1,5%, có thểdùng chung với tinh bột than nâu Nhiệt độhiệu quả: 150oC.

– Các muối bicromat kali bicromat natri: chất độc hại, sửdụng kết hợp đểtrám giếng nhiệt độcao, tỷlệkhoảng 0,5%

GEOPET

7-16

3.3 Chất làm nhẹ

Các chất làm giảm tỉtrọng vữa ximăng tỉtrọng đá ximăng sau đông cứng

Vữa ximăng, tùy theo tỉtrọng, chia thành nhóm sau: Bảng 7.4 Phân loại ximăng theo tỉtrọng

> 2,2 Nặng

1,95 – 2,2 Hơi nặng

1,75 – 1,95 Bình thường

1,3 – 1,75 Hơi nhẹ

< 1,3 Nhẹ

(5)

GEOPET

7-17

Các chất làm nhẹ thường dùng là:

– Sét bột sét: thêm sét sẽtạo thành gel ximăng Không sửdụng nhiệt độ 80oC độkhống hóa cao.

– Diatomit: chứa tinh thểSiO2, tăng độbền đá ximăng môi trường axit sulfat

– Các chất nguồn gốc núi lửa: chứa nhiều Al2O3

– Các đá cacbonat: đá vôi đá phấn nghiền nhỏ, có thểdùng cho giếng khoan có nhiệt độnhỏ 120oC.

– Các chất nguồn gốc hữu cơ: than đá, grafit, carbon hydro cứng asfan, bitum,…Ởnhiệt độcao tăng độthấm giảm độbền đá ximăng – Một sốchất khác: tro nung than đá, than bùn, bụi nhà máy ximăng sấy

và nung clinke…

GEOPET

7-18

3.4 Chất làm nặng

Một phương pháp đơn giản tăng tỉtrọng vữa ximăng giảm lượng nước pha trộn Khi đó, cần bổsung phụgia phân tán để đảm bảo khả bơm, đồng thời phải trì độthốt nước, tính lưu biến chống lắng đọng chất rắn Tỉtrọng tối đa đạt 2,16

Khi cần vữa có tỉtrọng cao hơn, phải bổsung chất làm nặng Chất làm nặng phải đảm bảo: cỡhạt tương đương với ximăng, phản ứng với nước, tương thích với phụgia khác

Các chất làm nặng phổbiến theo thứtựhiệu quảlà: hematite (Fe2O3, γ= 4,95), ilmenite (FeTiO3, γ= 4,45) barit (BaSO4, γ= 4,33)

GEOPET

7-19

3.5 Chất phân tán

Thành phần rắn vữa ximăng đạt tới 70% Tính lưu biến vữa phụthuộc tính lưu biến thành phần lỏng, tỉlệhạt rắn tương tác qua lại hạt rắn

Các chất phân tán điều chỉnh tương tác qua lại hạt rắn để đạt tính lưu biến mong muốn

Chất phân tán sửdụng phốbiến muối sulfonate hữu Cấu tạo phân tửcủa chất bao gồm – 50 nhóm sulfonate gắn vào gốc polyme đa nhánh Nồng độhiệu quảtrong khoảng 0,5 – 1,5% khối lượng ximăng

GEOPET

7-20

3.6 Chất giảm độthoát nước

Khi ximăng được bơm vào vịtrí, chênh lệch áp

suất có thểgây hiện tượng thấm lọc nước

thoát vào vỉa Sự thay đổi lượng nước trộn

vữa ảnh hưởng rất lớn đến q trình thủy hóa

ximăng tính chất của vữa như thời gian

đơng cứng, tính lưu biến, độbền nén

(6)

GEOPET

7-21

Nếu trình nước ximăng khơng kiểm sốt, hậu nặng nềsẽxảy ra, có thểdẫn tới trám ximăng thất bại

Độthoát nước ximăng theo tiêu chuẩn API phải nhỏ 50 ml/30 phút Các chất phụgia giảm độthốt nước bao gồm nhóm:

−Nhóm vật liệu lơ lửng: bentonit, bột carbonate, asphaltene,…

−Nhóm vật liệu polyme hòa tan nước: đồng thời tăng độnhớt pha lỏng giảm tính thấm vỏbùn, sửdụng phổbiến dẫn xuất cellulose Tuy nhiên, cần ý điều kiện nồng độvà nhiệt độ Dưới 65oC, cellulose chất chậm đơng hiệu quả; 93oC, cellulose tác dụng giảm độthoát nước

GEOPET

7-22

3.7 Chất chống mất tuần hoàn

Mất tuần hoàn thường xảy ởcác thành hệyếu, nứt nẻ Kinh nghiệm thơng tin vềvỉa q trình khoan sẽgiúp ích nhiều cho công tác bơm trám ximăng sau

Chống tuần hồn có thểthực vật liệu tạo cầu nối vữa ximăng thixotropic, loại ximăng đặc biệt

Vật liệu tạo cầu nối bịt kín khe nứt nhỏcủa vỉa trơ với q trình thủy hóa ximăng Điển hình gilsonite than đá hạt thơ; ngồi cịn có hạt thực vật cứng, sét bentonit thô, trấu, lõi bắp,…

Ximăng thixotropic xâm nhập khe nứt, hóa cứng bịt kín khe nứt

GEOPET

7-23

3.8 Các phụ gia đặc biệt

Bao gồm chất chống tạo bọt, chất sợi hữu tăng độbền, chất phóng xạ đánh dấu, chất khửnhiễm bẩn ximăng

Chất chống tạo bọt dùng đểkhắc phục hiệu ứng bọt phụgia khác gây Sửdụng phổbiến gồm nhóm: polyglycol ête silicon Nồng độpha chếrất thấp, thường 0,1% khối lượng nước

Chất sợi hữu cơ, bổsung với nồng độ0,15 – 0,5%, tăng độbền ximăng bắn mởvỉa Sửdụng phổbiến sợi nylon, với chiều dài có thểtới inch

GEOPET

7-24

Chất phóng xạ đánh dấu trộn vào vữa ximăng giúp định vịdễdàng đỉnh cột ximăng sau trám Trước đây, chất hay sửdụng khảo sát nhiệt độvà đo vành đá ximăng thay thếphần chức Chất phóng xạ đánh dấu dùng đểtrám ximăng khắc phục

(7)

GEOPET

7-25

Cùng với sựphát triển công nghệsản xuất bơm trám ximăng, số loại ximăng đặc biệt sản xuất đểkhắc phục vấn đềphức tạp, bao gồm: nước, tuần hoàn, vi khe nứt, trám ximăng qua tầng muối, trám ximăng môi trường ăn mịn, giếng nhiệt độcao, khí rị rỉ,… Các loại ximăng đặc biệt bao gồm:

1 Ximăng thixotropic Ximăng trương nở Ximăng chịu lạnh Ximăng muối Ximăng nhựa biến đổi Ximăng chịu ăn mòn

7 Ximăng dùng dung dịch khoan

GEOPET

7-26

4.1 Ximăng thixotropic

Thixotropic: thuật ngữdùng đểmơ tảtính chất hệ ởthểlỏng chịu ứng suất trượt, hình thành cấu trúc gel vàổn định tựdo

Vữa ximăng thixotropic có độnhớt thấp chảy lỗng pha trộn bơm, nhanh chóng hình thành cấu trúc gel cứng ngừng bơm Nếu bịtác dụng lực, cấu trúc gel bịphá vỡvà vữa lại bơm

Khi chịu ứng suất, vữa ximăng thixotropic cư xử chất lỏng dẻo Bingham, nghĩa đặc trưng ứng suất trượt tới hạn độnhớt dẻo

GEOPET

7-27

Ximăng thixotropic có nhiều ứng dụng quan trọng, thường dùng giếng ximăng nghiêm trọng bơm trám

Những giếng có khu vực thành hệyếu, dễkhởi tạo khe nứt cảkhi áp suất thủy tĩnh nhỏ Khi hình thành cấu trúc gel, ximăng thixotropic làm giảm cột áp thủy tĩnh, khe nứt không hình thành vữa ximăng khơng vào vỉa

Ximăng thixotropic dùng xảy dung dịch khoan Vữa ximăng vào vùng dung dịch đơng cứng lại lập hồn toàn vùng

GEOPET

7-28

1 Loãng pha trộn Cứng ngừng bơm

3 Trởlại lỏng tác dụng lực

4 Lỗng bơm lại

Hình 7.2 Ứng xửcủa chất lỏng thixotropic

Áp su

ấ

t b

ơ

m

Áp suất tuần hoàn

Thời gian

Áp suất bơm Lưu lượng

Không chảy