Hệ dung dịch Ultradril là một hệ dung dịch khoan gốc nước tiên tiến, có thể đáp ứng những yêu cầu khắt khe như đối với một hệ dung dịch khoan gốc dầu. Với phương pháp ức chế ba nhân tố giúp cải thiện tốc độ khoan cũng như kiểm soát chất thải. Phương pháp ức chế ba nhân tố mang đến cho hệ dung dịch khả năng ức chế mạnh mẽ ngay cả đối với những loại sét có hoạt t nh cao, đảm bảo sự ổn định tối đa của thành giếng. Ngoài tính ức chế vượt trội, hóa phẩm trong dung dịch còn có khả năng bao bọc mùn khoan bằng một lớp màng mỏng, hạn chế sự phân tán sét vào dung dịch, từ đó giảm thiểu lượng dung dịch cần thiết để pha loãng cũng như thải đổ. Đồng thời có thể giúp cải thiện tốc độ khoan, giữ cho mùn khoan nguyên trạng khi lên đến sàng rung. Nhân tố tiếp theocấu thành t nh ưu việt của hệ dung dịch Ultradril chính là khả năng tráng choòng khoan, bộ khoan cụ và cần khoan với một lớp ức chế bám dính. Choòng khoan, với các răng cắt, được giữ sạch và làm việc hiệu quả, giúp tránh hiện tượng bó choòng và tăng tốc độ khoan cơ học.
Hệ dung dịch Ultradril mang lại khả năng kiểm soát chất lại cực kỳ hiệu quả. Dựa trên khả năng ức chế hóa học cao, lượng dung dịch cần phải bổ sung vào hệ thống trong quá trình khoan đối với hệ Ultradril luôn thấp hơn nhiều so với các hệ dung dịch khoan gốc nước khác. Hơn thế nữa, do là một hệ dung dịch khoan gốc nước, việc vận hành hệ Ultradril cũng êu cầu ít máy móc, trang thiết bị và nhân lực hơn khi vận hành các hệ gốc dầu, gốc tổng hợp thông dụng hiện nay.
T nh tương th ch cao với môi trường, độc tố thấp đặc trưng của một hệ dung dịch khoan gốc nước giúp việc thải đổ dung dịch Ultradril trên biển và trên đất liền là thực sự an toàn và dễ dàng. So với các hệ dung dịch gốc dầu, đâ là một ưu điểm rất lớn, đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt.
Việc pha chế và vận hành hệ dung dịch Ultradril tại khoan trường tương đối đơn giản và dễ dàng. Dung dịch nền có thể là nước ngọt, nước biển, nước muối kali clorua hoặc natri clorua. Thành phần dung dịch không chứa sét nên hàm lượng pha keo cực kỳ thấp. Tính chất dung dịch rất ổn định, ngay cả trong trường hợp bị nhiễm bẩn bởi các yếu
Trang 35 tố bên ngoài như nhiễm bẩn xi măng, nhiễm bẩn chất rắn (hàm lượng chất rắn khoan tăng cao), nhiễm bẩn khí CO2…
Về cơ bản, hệ dung dịch Ultradril bao gồm ba hóa phẩm chính sau: Ultrahib, Ultracap và Ultrafree.
Ultrahib là một hợp chất polyamin, có tác dụng ức chế trương nở và sự xâm nhập của nước vào giữa các phiên sét bằng cách hạn chế các phiến sét tạo liên kết với các phân tử nước khi ở trong môi trường lỏng. Ultrahib được pha chế trực tiếp vào dung dịch mà không gây ra bất kỳ tác dụng xấu nào đến tính chất lưu biến và độ thải nước của dung dịch. Khi tiếp xúc với các phiến sét, phân tử Ultrahib sẽ tạo liên kết với các tâm hoạt động trên bề mặt phiến sét, giữ chặt các phiến sét này với nhau, ngăn ngừa phân tử nước tạo liên kết và đi vào giữa, từ đó tạo ra sự trương nở. (hình 4.1)
Hình 4.1 Hoạt động của Ultrahib
ơ chế ức chế của Ultrahib được giải th ch như sau: Do ái lực của gốc amine (tâm điện dương) với các tâm hoạt động mang điện âm của các phiến sét rất lớn, các gốc polyamine nhanh chóng hấp phụ lên bề mặt của các phiến sét và trung hòa các tâm tích điện. Bên cạnh đó, do phân tử chứa nhiều gốc amine, chúng đóng vai trò như một cation đa hóa trị, liên kết chặt và gia cố bề mặt các phiến sét lại với nhau. Do vậy, ngay cả khi các phân tử nước xâm nhập và h drat hóa các tâm điện tích giữa các bề mặt phiến sét,
Trang 36 chúng cũng không thể làm gia tăng khoảng cách giữa các phiến sét, từ đó hạn chế khả năng phân tán của các hạt sét. (Hình 4.2)
Hình 4.2 Cơ chế ức chế sét của polyamine trong Ultrahib
Để giảm thiểu lượng dung dịch cần pha mới, điều quan trọng là phải kiểm soát thật tốt hàm lượng chất rắn hoạt động có trong dung dịch. Đối với dung dịch khoan gốc nước, việc mùn khoan trương nở và phân tán vào trong dung dịch là nguyên nhân chủ yếu làm cho hàm lượng pha rắn tăng cao, ảnh hưởng đến tính chất dung dịch.
Trang 37 Hệ dung dịch Ultradril được thiết kế với hóa phẩm Ultracap có khả năng bám lên bề mặt mùn khoan, bao phủ mùn khoan, giảm thiểu ngu cơ mùn khoan tiếp xúc với pha lỏng và hạn chế sự phân tán của chất rắn vào dung dịch(Hình 4.3). Việc pha chế Ultracap vào dung dịch sẽ tác động đến tính chất lưu biến tu nhiên tác động này là nhỏ và không đáng kể.
ơ chế bao bọc của Ultracap được giải th ch như sau: là các cationic polymer (polymer dương) với các tâm điện t ch dương chiếm ưu thế. Do vậy, chúng dễ dàng hấp phụ rất chắc chắn lên bề mặt của các phiến sét, đồng thời hấp phụ cả lên cạnh của các phiến sét, nơi có cả tâm điện t ch dương và âm, che phủ hoàn toàn cụm phiến sét và ngăn không cho nước xâm nhập vào cụm phiến sét qua các kẽ phiến sét. Liên kết và khả năng che phủ của pol mer dương nà tốt hơn rất nhiều đối với các polymer âm, do vậ ngăn cản tốt hơn sự xâm nhập của nước tự do vào các phiến sét. Bên cạnh đó, vì khối lượng phân tử thấp và độ dài mạch ngắn, DV-CAP LV sẽ không tạo sự gia tăng đột ngột về độ nhớt, không bít nhét các khe hổng của sàng rung. Do đó, sẽ loại bỏ hiện tượng trào sàng rung hoặc các sự cố khác gây ra bởi độ nhớt quá cao của dung dịch(Hình 4.4).
Hình 4.4 Cơ chế bao bọc sét của Ultracap
Hóa phẩm Ultrafree, trong hệ Ultradril, có tác dụng là tác nhân chống sét bám dính cho choòng khoan, bộ khoan cụ, cần khoan và ống chống. Ultrafree là hỗn hợp của chất hoạt động bề mặt và chất bôi trơn, có khả năng bao phủ cả bề mặt mùn khoan và bề mặtkim loại, hạn chế việc bề mặt kim loại bị bám dính bởi sét trương nở, từ đó giảm thiểu ngu cơ bó choòng và tăng tốc độ cơ học khoan (hình 4.5).
Trang 38
Hình 4.5 Hoạt động của Ultrafree 4.1.2 Thành phần hệ và chức năng của các chất trong hệ
Ngoài ba thành phần chính, hệ Ultradril còn có nhiều hóa phẩm đảm nhiệm các chức năng khác như trong bảng 4.1:
Bảng 4.1 Thành phần và chức năng của các chất trong hệ Ultrdril
Tên hóa
phẩm Chức năng Tên hóa học Hàm lượng
Barite Chất làm nặng Barite 0-350 ppb
DV-Cide Chất diệt khuẩn Anhydrite 0.25 ppb
KCl Brine Chất ức chế ion KCl 8-10% w/w
DV-PAC LV Chất giảm độ thải nước Poly Anionic Cellulo 2 ppb DV-Flo HT Chất giảm độ thải nước Tinh bột biến tính 1.5 ppb DV-HIVS D Chất tạo nhớt Premium Xathan Gum 1.5-1.75 ppb
Ultrahib Primary shale inhibitor Polyamine 3% v/v
Ultracap Encapsulating agent Acryamide Copolymer 2.5 – 3 ppb Ultrafree ROP Enhancer Surfactant, Lubricant 1 – 3 % v/v
CaCO3 F/M Chất bít nhét CaCO3 15 ppb
Trang 39 Tính chất điển hình của hệ Ultradril được thể hiện trong bảng 4.2.
Bảng 4.2 Các tính chất điển hình của hệ Ultradril
Trọng lượng riêng (lb/gal) 10.5 – 11.8
Độ nhớt phễu (sec/qt) 50-70 Độ nhớt dẻo (cP) - Lực cắt động (lb/100 ft2) 25-40 6rpm reading 10-14 Lực cắt tĩnh 10s (lb/100 ft2) 8-14 Lực cắt tĩnh 10 phút (lb/100 ft2) 12-25 pH +/- 9.5
Độ thải nước API (ml/30 min) <4
KCl (% w/w) 8-10
Ultracap (ppb) 2.5 – 3.0
Ultrahib (% by vol) 2.5 – 3.0
4.2 Nghiên cứu lựa chọn đơn pha chế hợp lý của hệ Ultradril
4.2.1 Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu, cách pha chế một mẫu dung dịch khoan
Nhiệm vụ của đồ án là nghiên cứu để lựa chọn đơn pha chế hợp lý của hệ Ultradril khi khoan qua địa tầng của giếng KNT-3X mỏ Kình Ngư Trắng.
Phương pháp nghiên cứu chủ yếu của đồ án là dựa trên đơn pha chế của hệ Ultradrill tha đổi hàm lượng các chất có trong hệ, sau đó sử dụng các thiết bị thí nghiệm để đo, t nh toán các thông số tính chất của các đơn pha chế. Lập sơ đồ, đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa các thông số tính chấtchịu ảnh hưởng của nhiệt độ cao và áp suất cao khi tha đổi nồng độ các chất trong hệ, qua đó đánh giá lựa chọn được đơn pha chế hợp lý.
Quy trình pha chế một mẫu dung dịch, ví dụ với đơn pha chế U1(bảng 4.3) được tiến hành như sau:
Trang 40
Bảng 4.3 Đơn pha chế mẫu Ultradril 1.
Hóa chất Nguồn gốc Số lô hàm lượng trộn Thứ tự trộn Trộn trong 350 ml Thời gian trộn (phút) Nước ngọt 1 - - KCl 30.00 2 30 g 1 DV-Hib 10.50 3 10.5 ml 2 DV-PAC LV 4.00 4 4 g 2 DV-Hivis D 1.00 5 1g 5 Ultracap 3.00 6 3g 1 CaCO3 F 10.00 7 10g 1 Trộn với tốc độ 2300 (vòng/phút) 15 Trộn với tốc độ 14000 (vòng/phút) 20 Tổng thời gian trộn (phút) 35
Điều kiện kiểm tra 120o , 16 giờ
Đầu tiên đong 330ml nước ngọt cho vào cốc.
Sau đó cân 30g K l cho vào cốc khuấy trong vòng 1 phút.
Cho tiếp 10,5 ml DV-Hib vào cốc rồi khuấy trong vòng 2 phút.
Cho tiếp 4g DV-PAC LV vào cốc rồi khuấy trong 2 phút.
Cho tiếp 1g DV-Hivis D vào cốc khuấy trong vong 5 phút.
Cho tiếp 3g Ultracap vào cốc khuấy trong vòng 1 phút.
Cho tiếp 10g CaCO3 F vào cốc khuấy trong vòng 1 phút.
Sau đó cho vào má khuấy với tốc độ 2300 vòng/phút trong vòng 15 phút rồi chuyển sang máy khuấy với tốc độ 14000 vòng/phút trong vòng 20 phút. Dung dịch thu được sau đó ta dùng để thí nghiệm xác định các thông số và tính chất của nó.
Trang 41
4.2.2 Cách xác định và tính toán các thông số 4.2.2.1 Các thông số lưu biến 4.2.2.1 Các thông số lưu biến
1, Độ nhớt dẻo (PV), lực cắt động (YP)
Các thông số lưu biến của dung dịch được xác định bằng má fann đo độ nhớt ở 6 tốc độ (hình 4.6)
Trang 42 Cách đo như sau:
- Đầu tiên cắm dâ điện của cốc gia nhiệt và má đo độ nhớt vào nguồn điện có hiệu điện thế tương ứng.
- Rót mẫu đã khuấy trộn vào cốc gia nhiệt và điều ch nh sao cho bề mặt của dung dịch chạm tới vạch chia.
- Cắm nhiệt kế kim loại vào lỗ trên thân cốc để kiểm tra nhiệt độ. Gia nhiệt hoặc làm lạnh mẫu tới nhiệt độ yêu cầu. Khuấy nhẹ trong khi điều ch nh nhiệt độ bằng cách cho máy chạy ở tốc độ 300RPM. Để kiểm tra nhiệt độ của mẫu dung dịch, dùng nhiệt kế kim loại cắm vào trong cốc mẫu và chờ cho số ch ổn định. Khi nhiệt độ đạt yêu cầu, bắt đầu quá trình đo.
- Lần lượt đo độ nhớt ở các tốc độ 600, 300, 200, 100, 6, 3 RPM bằng cách điều ch nh Motor speed switch và Gear shift rod để đạt được tốc độ mong muốn.
PV (Plastic viscosity) = số đọc 600 – số đọc 300 (cP) YP (Yield point) = PV – số đọc 300 (lb/100 ft2)
2, Độ bền gel 10” và 10’ (lực cắt tĩnh 10’ và 10”)
Khuấy mẫu ở tốc độ 600 vòng/phút trong khoảng 15s, sau đó ch nh về tốc độ 6 vòng/phút rồi tắt motor bằng cách gạt núm điều ch nh về nấc Off.
Đợi trong 10s rồi gạt núm điều khiển về nấc Low, lúc này tốc độ quay sẽ là 3 vòng/phút. Ghi lại giá trị số đọc lớn nhất đạt được( không phải giá trị ổn định), nếu sau khi tắt motor mà giá trị số đọc không trở lại 0 thì giá trị số đọc lớn nhất ghi lại ở trên chính là giá trị gel 10s, đơn vị: lb/100 ft2.
Lặp lại bước như trên nhưng thời gian đợi là 10 phút, nếu sau khi tắt máy mà giá trị số đọc không trở lại 0 thì giá trị số đọc lớn nhất ghi lại chính là giá trị gel 10 phút, đơn vị: lb/100 ft2.
4.2.2.2 Độ thải nước ở điều kiện thường
Độ thải nước của dung dịch khoan được xác định bằng thiết bị API fluid loss.
Trang 43
Hình 4.7 Thiết bị đo độ thải nước API fluid loss
Cách thực hiện được tiến hành như sau:
- Lắp ráp thiết bị bộ thân chứa mẫu:Lắp vòng vào đế dưới.Sau đó đặt lưới lọc lên trên, kèm theo 1 tờ giấy lọc, đặt vòng đệm bên trên giấy lọc. Đặt phần thân chứa mẫu vào phần đế dưới, xoay theo chiều kim đồng hồ để khóa chặt lại.
- Rót mẫu đã được khuấy trộn vào thân chứa mẫu cho tới khi cách miệng khoảng 13mm thì dừng lại.
- Gắn vòng đệm cao su vào nắp trên . Cần đảm bảo đệm cao su làm kín khít hoàn toàn phần nắp trên. Sau đó gắn nắp trên vào phần thân đựng mẫu và đặt toàn bộ vào khung của thiết bị. Vặn chốt chữ T để giữ chắc bộ thân đựng mẫu.
- Đặt 1 ống đong sạch và khô ở dưới đường ra của nước lọc
- Đóng van xả, đặt bình khí nén CO2 vào ống áp suất và vặn chặt ống vào bộ thiết bị, khí CO2 sẽ được giải phóng và tạo ra áp suất.
- Điều ch nh áp suất bằng cách vặn chốt điều ch nh áp sao cho áp suất đạt 100 ± 5 PSI (690 ± 34.7 kPa) trong 30 giây hoặc t hơn. Thời gian thí nghiệm bắt đầu tính từ lúc bắt đầu cấp áp suất.
- Sau 30 phút, đo thể t ch filtrate thu được. Đâ là giá trị “API Filtrate”. Ghi lại khoảng thời gian
- và nhiệt độ ban đầu của mud. Giữ lại lượng nước lọc này cho những phân tích hóa học khác.
Trang 44 - Tháo rời bộ thân chứa mẫu, cẩn thận lấy giấy lọc ra tránh làm hư hại bánh bùn.
Rửa phần dung dịch bám trên bánh bùn cách cẩn thận. Đo và ghi lại độ dầy của bánh bùn. Độ dầy của bánh bùn≤ 2/32” là chấp nhận được. Quan sát và ghi lại chất lượng của bánh bùn: độ cứng,độ mềm, độ d nh, độ dẻo, độ chắc, độ linh động, độ xốp v.v…
4.2.2.3 Độ thải nước ở điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao
Ở điều kiện nhiệt độ cao áp suất cao, độ thải nước được xác định bằng thiết bị HTHP Filter press. (Hình 4.8)
Trang 45 ách xác định được tiến hành như sau:
- Cắm điện vào nguồn cấp điện phù hợp. Cắm nhiệt kế kim loại vào lỗ trên thân của vỏ gia nhiệt và gia nhiệt tới nhiệt độ mong muốn bằng cách điều ch nh nút nhiệt độ. Khi đạt nhiệt độ mong muốn thì đèn trên thân vỏ gia nhiệt sẽ sáng.
- Kiểm tra lại các vòng đệm cao su ở van trên và van dưới để chắc chắn chúng còn tốt. Bôi một lớp mỏng chất bôi trơn silicone lên tất cả các vòng đệm cao su. Lắp van trên vào thân chứa mẫu và vặn chặt lại.
- Khuấy mẫu trong 10 phút ở tốc độ khuấy cao. Gắn một vòng đệm cao su vào đường rãnh ở thành phía trong của thân chứa mẫu. Rót mẫu vào thân đựng mẫu cho tới khi cách đường rãnh có vòng đệm cao su khoảng 13mm. Tránh làm rớt mẫu lên vòng đệm cao su.
- Gắn 1 vòng đệm cao su vào đường rãnh trên nắp thân chứa mẫu. Đặt 1 tấm giấy lọc lên trên vòng đệm cao su của thân chứa mẫu và đậy nắp vào. Cần chắc chắn dấu hiệu mũi tên trên nắp thẳng hàng với dấu hiệu mũi tên trên thân chứa mẫu. - Vặn chặt các bulong giữ nắp và van trên, van dưới trên thân đựng mẫu và trên nắp.
Đặt thân chứa mẫu vào trong vỏ gia nhiệt với phần đầu có giấy lọc hướng xuống. Xoay thân chứa mẫu sao cho thân chứa mẫu khớp hoàn toàn với vỏ gia nhiệt