M Ở ĐẦU
2.4. Biện pháp chống suy giảm độ bền của ximăng trám
Xi măng chủng loại G theo tiêu chuẩn API, có tỉ lệ: số mol CaO/ số mol SiO2 nằm trong khoảng 2,5÷3. Các nghiên cứu cơ bản cho thấy sự hình thành và biến đổi cấu trúc của α-C2SH là nguyên nhân chính gây ảnh hưởng xấu tới độ bền và độ thấm của đá xi măng [9,47].
Để ổn định độ bền của đá xi măng, có thể thực hiện một hoặc đồng thời một vài giải pháp sau:
1) Tạo môi trường mà ở đó-C2SH không có khả năng tồn tại ổn định để hạn chế tác hại của nó;
2) Ổn định những pha khoáng có tính tạo cấu trúc tốt đã được tạo ra ở nhiệt độ thấp hơn trong đá xi măng;
3) Chủ động tạo ra những pha khoáng mới vừa có khả năng tồn tại ổn định trong môi trường nhiệt độ, vừa có tính tạo cấu trúc tốt.
Xi măng giếng khoan bền nhiệt trên cơ sở xi măng và cát nghiền (Silica Flour) là loại được chế tạo theo tiêu chí: (1) chủ động tạo ra những pha khoáng mới vừa có khả năng tồn tại ổn định trong môi trường nhiệt độ, vừa có tính tạo cấu trúc tốt và (2)ổn định pha khoáng được tạo ra dựa vào giản đồ pha về sự tồn tại của các canxi silicat hydrat ở những điều kiện nhiệt độ khác nhau để thiết kế thành phần của xi măng bền nhiệt. Dựa vào đặc điểm mỗi pha khoáng chỉ hình thành và tồn tại ở một khoảng nhiệt độ nhất định, ở điều kiện nhiệt độ chưa quá cao, cố gắng ổn định các pha C-S-H(I), C-S-H(II), Gel C-S-H; còn ở các nhiệt độ cao hơn, cố gắng để tạo được các pha khoáng mới khác là Tobermorit hoặc Xonotlit(hình 2.6)
Hình 2.6.Sơ đồ tạo phakhoáng mới của xi măng trám
Thành phần hóa học xi măng cho phép ổn định khoáng C-S-H(I), C-S- H(II), Gel C-S-H và nhận được với hàm lượng cực đại khoáng Tobermorit, Xonotlit cho các khoảng nhiệt độ khác nhau được ứng dụng rộng rãi trong thực tế là:
90 ÷ 1200C : (CaO / SiO2) < 0,8 (2.1) 120 ÷ 1800C : (CaO / SiO2) < 0,83 (2.2) > 1800C : (CaO / SiO2) < 1 (2.3) Tỉ số CaO/SiO2 = 0,91 đảm bảo yêu cầu CaO/SiO2 < 1 đối với xi măng bền nhiệt trong khoảng nhiệt độ >1800C; đảm bảo bền nhiệt và ổn định khoáng Tobermorit cho khoảng nhiệt độ 120÷1800C.
Bổ sung lượng Silica 35-40% theo khối lượng, sẽ làm vận tốc phản ứng CaO giảm trong vữa, lượng CaO nhu cầu nhỏ hơn lượng SiO2, do đó tỉ số thành phần CaO/SiO2đạt 1,0. Điều đó sẽ hạn chế sự biến đổi pha và duy trì cấu trúc vi mô, duy trìổn định tính chất cơ học của xi măng.
Các silica thô tác dụng với C-S-H tạo ra Tobermorit, còn hạt mịn cùng với C-S-H trực tiếp tạo thành Gyrolit và Truscolit không qua pha Tobermorit [44,46] sẽ hạn chế sự giảm biến đổi pha và duy trì cấu trúc vi mô không bị
biến động, nhờ đó về mặt cơ học luôn luôn ổn định. Vì thế, silica cho vào xi măng luôn cần cỡ hạt mịn để đạt đến trạng thái của Gyrolit và Truscolit.
Bổ sung Silica vào xi măng cho phép hình thành pha xi măng giàu silica như là Tobermorit và Xonotlit. Đây là biện pháp được phát hiện hơn 50 năm trước đây và hiện nay đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp [9,28,34].
Đặc tính quan trọng chịu nhiệt của đá xi măng trám là tạo ra các hợp chất ổn định nhiệt động lực khi xi măng đóng rắn trong các điều kiện thủy nhiệt nhất định. Ngoài ra, các hợp chất này phải có các tính chất tạo cấu trúc tốt để đá xi măng đạt được độ bền cao và độ thấm thấp. Các tính chất tạo cấu trúc tốt là các tinh thể có độ phân tán cao. Các hợp chất ổn định được tạo thành không phải là những hợp chất trung gian giả bền mà là những hợp chất hình thành ngay trong giai đoạn đầu tiên của quá trìnhđóng rắn. Mỗi một quá trình tái kết tinh trong cấu trúc được hình thành của đá xi măng đều kèm theo sự thay đổi tính bền.
2.5. Ảnh hưởng của Silicađếnđộbền và độthấm củaxi măng
2.5.1. Các loại phụgia silica
Hiện nay, trong ngành khoan dầu khí sử dụng các loại phụ gia silica: - Cát thạch anh có độ sạch cao, cỡ hạt tối ưu từ 425m (3,3%), 150m (85%), 75m (10%).
- Cát nghiền (Silica flour) có khối lượng riêng: 2,60÷ 2,63 g/cm3; các cỡ hạt 105m (3%), 75m (10%), 45m (88%).
- Silica bột (Silica Fume) [41] là một phụ gia siêu phân tán, đặc trưng bởi hàm lượng cao các silica vô định hình với tỉ bề mặt cao, cho phép vật liệu đạt độ bền cao (55-80MPa) và siêu cao (trên 80MPa). Silica bột có chức năng tác dụng như một chất pouzzlan, phản ứng giữa dioxit hàmlượng cao (SiO2> 85%) với Ca(OH)2. Silica bột có kích thước hạt nhỏ hơn xi măng 100-150 lần, có tính kết dính cao cho phép lấp đầy các lõ rỗng vi mô giữa các hạt xi măng,
làm giảm mạnh khả năng thấm nước và tăng mạnh liên kết giữa cốt liệu với xi măng.
Nanosilica là vật liệu có hoạt tính pouzzolan rất cao, gồm những hạt dạng thuỷ tinh có kích thước bé hơn khoảng 1000 lần so với các hạt xi măng trung bình.Đó là một phụ gia rất tốt cho xi măng để nâng cao độ bền, tuổi thọ và giảm độ thấm. Nanosilica thường có hai cỡ hạt từ 5-50nm .
2.5.2.Ảnh hưởng củasilica đếnđộbền nén và độthấm củaxi măng
Eiler và Nelson [5,23] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hạt của silica trong hỗn hợp với xi măng G đến độ bền nén ở các mức độ nhiệt độ khác nhauđến độ bền nén và độ thấm của đá xi măng.
Trên hình 2.7. Độ bền nén phụ thuộc vào cỡ hạt và nhiệt độ: 135oC, 232oC và 325oC. Trên hình 2.8. Độ thấm phụ thuộc vào cỡ hạt và nhiệt độ: 135oC, 232oC và 325oC.
Hình 2.7. Độbền nén phụthuộc vào cỡ hạtởnhiệt độ khác nhau
Hình 2.8. Độ thấm phụ thuộc vào cỡ
hạt ở nhiệt độ khác nhau
Herianto [29] đã nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng silica SS1-A đến độ bền nén trong điều kiện nhiệt độ 1500C, áp suất 13,78MPa trình bày trong bảng 2.2 và minh họa trên hình 2.9.
Bảng 2.2. Độ bền nén của đá xi măng theo hàm lượng silica
Thành phần hỗn hợp Xi măng và Silica
Độ bền nén(MPa)
1 ngày 2 ngày 3 ngày 7 ngày
Xi măngG + 0 % Silica 10,29 8,79 8,73 5,82
Xi măngG + 10% Silica 17,63 11,65 10,12 4,65
Xi măngG + 20% Silica 17,67 8,62 26,38 14,48
Xi măngG + 30% Silica 26,42 34,67 46,53 46,10
Xi măngG + 40% Silica 11,69 11,57 28,93 37,76
Hình 2.9.Độ bền của đá xi măngphụ thuộc vào hàm lượng SSA-1
Kết quả thí nghiệm trên cho thấy rằng, với 0% và 10% SSA-1 độ bền nén của xi măng có giá trị thấp nhất và thay đổi không nhiều. Đá xi măng với 20% SSA-1 độ bền của đá xi măng có tăng lên, nhưng sau 7 ngày độ bền giảm. Trong các hỗn hợp xi măng với 30% SSA-1 và 40% SSA-1 cho thấy độ bền nén tăng dần trong 3 ngày đầu. Sau đó, độ bền nén của hỗn hợp xi măng có 30% SSA-1 giảm, trong khi đó độ bền nén của hỗn hợp 40% SSA-1 tăng lên theo thời gian; với tỉ lệ silica trong khoảng 35%-40% độ bền nén đạt trị số cao nhất.
Các kết quả nghiên cứu độ bền nén trên đây (hình 2.9) chỉ giới hạn ở nhiệt độ 1500C và áp suất 13,78MPa và thời gian bảo dưỡng 7 ngày,cho nên kết quả chưa phản ánh được điều kiện thực tế trong các giếng khoan.
2.5.3. Xác định độ bền nén của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao
Tại phòng thí nghiệm của Công ty Halliburton đã tiến hành thí nghiệm hưởng của nhiệt độ rất cao đến độ bền nén và độ thấm của đá xi măng G + 35% SSA-1 và thời gian bảo dưỡng đến 28 ngày (phụ lục10).
Trong bảng 2.3.Độ bền nén của Xi măng + 35% SSA-1 có khối lượng riêng 1,90 g/cm3và 2,04 g/cm3phụ thuộcnhiệt độ và thời gian bảo dưỡng.
Bảng2.3. Độ bền nén của hỗn hợp xi măng+35% SSA-1
Nhiệt độ, 0 C Khối lượng riêng vữa, g/cm3
Độ bềnnén trong khoảng thời gian(MPa)
1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày
143 1,90 66,86 76,73 73,77 73,70 2,04 85,90 94,63 88,66 97,56 160 1,90 73,91 53,26 49,47 37,34 2,04 103,42 95,15 77,67 88,80 176 1,90 91,70 65,73 58,98 57,05 2,04 100,83 103,35 92,90 103,42 210 1,90 53,39 33,27 56,05 56,43 2,04 103,35 103,35 101,25 78,94
Hình 2.10.Độ bền nén của xi măng + 35% Silica cókhối lượng riêng vữa
1,905 g/cm3
Hình 2.11. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica cókhối lượng riêng vữa
2,04 g/cm3
Hình 2.10.Độ bền nén của xi măng + 35% Silica cókhối lượng riêng vữa
1,905 g/cm3
Hình 2.11. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica cókhối lượng riêng vữa
2,04 g/cm3
Hình 2.10.Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa
1,905 g/cm3
Hình 2.11. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica cókhối lượng riêng vữa
Trong bảng 2.4. Độ thấm xi măng + 35% SSA-1 với khối lượng riêng 1,90 g/cm3 và 2,04 g/cm3phụ thuộcvào nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng.
Bảng 2.4. Độ thấm của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1
Nhiệt độ,0C Khối lượng riêng vữa, g/cm3
Độ thấm(mD)
1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày
143 1,90 0,028 0,030 0,022 0,033 2,04 0,006 0,021 0,006 0,013 160 1,90 0,035 0,014 0,009 0,007 2,04 0,040 0,040 0,026 0,003 176 1,90 0,012 0,003 0,010 0,007 2,04 0,006 0,001 0,001 0,001 210 1,90 0,030 0,007 0,017 0,023 2,04 0,020 0,010 0,010 0,007
Hình 2.12.Độ thấm của xi măng + 35% Silica cókhối lượng riêng vữa 1,904
g/cm3
Trong bảng 2.4. Độ thấm xi măng + 35% SSA-1 với khối lượng riêng 1,90 g/cm3 và 2,04 g/cm3phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng.
Bảng 2.4. Độ thấm của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1
Nhiệt độ,0C Khối lượng riêng vữa, g/cm3
Độ thấm(mD)
1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày
143 1,90 0,028 0,030 0,022 0,033 2,04 0,006 0,021 0,006 0,013 160 1,90 0,035 0,014 0,009 0,007 2,04 0,040 0,040 0,026 0,003 176 1,90 0,012 0,003 0,010 0,007 2,04 0,006 0,001 0,001 0,001 210 1,90 0,030 0,007 0,017 0,023 2,04 0,020 0,010 0,010 0,007
Hình 2.12.Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,904
g/cm3
Trong bảng 2.4. Độ thấm xi măng + 35% SSA-1 với khối lượng riêng 1,90 g/cm3 và 2,04 g/cm3phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng.
Bảng 2.4. Độ thấm của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1
Nhiệt độ,0C Khối lượng riêng vữa, g/cm3
Độ thấm(mD)
1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày
143 1,90 0,028 0,030 0,022 0,033 2,04 0,006 0,021 0,006 0,013 160 1,90 0,035 0,014 0,009 0,007 2,04 0,040 0,040 0,026 0,003 176 1,90 0,012 0,003 0,010 0,007 2,04 0,006 0,001 0,001 0,001 210 1,90 0,030 0,007 0,017 0,023 2,04 0,020 0,010 0,010 0,007
Hình 2.12.Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,904
Hình 2.13. Độ thấm của xi măng + 35% Silica cókhối lượng riêng vữa 2,04
g/cm3
Từ kết quả trên cho thấy:
- Độ bền nén của xi măng + 35% SSA-1 đạt được độ bền nén cực đại trong điều kiện nhiệt độ từ 160-2100C và ổn định trong khoảng 28 ngày.
- Khi thời gian đóng rắn của xi măng + silica tăng lên thì độ thấm giảm. Nói chung độ thấm tất cả các mẫu thí nghiệm đều nhỏ hơn 0,1mD, hoặc có mẫu bé hơn 0,01mD.
Để xác định ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và áp suất cao (tương tự điều kiện bể Nam Côn Sơn) đến độ bền của đá xi măng, đã tiến hành thí nghiệm xác định độ bền nén bằng phương pháp không phá hủy UCA với thành phần xi măng mác G + 35% silica SSA-1. Kết quả thí nghiệm trình bày trong bảng 2.5 và phụ lục 1.
Hình 2.13. Độ thấm của xi măng + 35% Silica cókhối lượng riêng vữa 2,04
g/cm3
Từ kết quả trên cho thấy:
- Độ bền nén của xi măng + 35% SSA-1 đạt được độ bền nén cực đại trong điều kiện nhiệt độ từ 160-2100C vàổn định trong khoảng 28 ngày.
- Khi thời gian đóng rắn của xi măng + silica tăng lên thì độ thấm giảm. Nói chung độ thấm tất cả các mẫu thí nghiệm đều nhỏ hơn 0,1mD, hoặc có mẫu bé hơn 0,01mD.
Để xác định ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và áp suất cao (tương tự điều kiện bể Nam Côn Sơn) đến độ bền của đá xi măng, đã tiến hành thí nghiệm xác định độ bền nén bằng phương pháp không phá hủy UCA với thành phần xi măng mác G + 35% silica SSA-1. Kết quả thí nghiệm trình bày trong bảng 2.5 và phụ lục 1.
Hình 2.13. Độ thấm của xi măng + 35% Silica cókhối lượng riêng vữa 2,04
g/cm3
Từ kết quả trên cho thấy:
- Độ bền nén của xi măng + 35% SSA-1 đạt được độ bền nén cực đại trong điều kiện nhiệt độ từ 160-2100C vàổn định trong khoảng 28 ngày.
- Khi thời gian đóng rắn của xi măng + silica tăng lên thì độ thấm giảm. Nói chung độ thấm tất cả các mẫu thí nghiệm đều nhỏ hơn 0,1mD, hoặc có mẫu bé hơn 0,01mD.
Để xác định ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và áp suất cao (tương tự điều kiện bể Nam Côn Sơn) đến độ bền của đá xi măng, đã tiến hành thí nghiệm xác định độ bền nén bằng phương pháp không phá hủy UCA với thành phần xi măng mác G + 35% silica SSA-1. Kết quả thí nghiệm trình bày trong bảng 2.5 và phụ lục 1.
Bảng 2.5. Tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định độ bền nén Điều kiện thí nghiệm Thời gian đạt trị số độ bền nén (giờ, phút) Độ bền nén trong thời gian, (MPa) Nhiệt độ,(0C) Áp suất, (MPa) 0,345 MPa 0,689 MPa 3,45 MPa 6,89
MPa 24giờ00 48giờ00
155 20,67 06,42 07,23 12,54 15,00 13,38 14,48
177 93,015 19,03 19,29 21,06 22,43 9,92 -
180 20,67 08,15 08,33 14,20 16,05 14,70 15,98
180 84,68 12,42 12,56 13,56 14,34 37,25 -
193 103,35 17,41 17,56 19,09 - 16,43 -
Từ kết quả trên cho thấy:
- Độ bền tối thiểu của đá xi măng bằng 3,45 MPa từ 12giờ 54phút đến 21giờ 06phút.
-Độ bền cực đại của đá xi măng đạt 15,98 MPa trong thời gian 48giờ. Như vậy, xi măng mác G khi bổ sung phụ gia35% SSA-1 có thể sử dụng trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn, kể cả khi nhiệt độ trong giếng đạt đến 1930C.
Kết luận chương 2
- Xi măng mác G tiêu chuẩn API trong điều kiện nhiệt độ trên 1100C, độ bền của xi măng giảm, độ thấm tăng lên, vì vậy, để trám giếng khoan xi măng mác G nhất thiết phải bổ sung silica đạt tỉ số CaO/SiO2 ≤ 1.
- Bổ sung 35% silica SSA-1 vào xi măng mác G trong điều kiện nhiệt độ 1930C độ bền nén của đá xi măng đáp ứng các yêu cầu chất lượng trám giếng khoan. SSA-1 là phụ gia có độ tinh khiết cao, cỡ hạt phù hợp với nhiệt độ cao, cho phép đạt được độ bền nén tối ưu.
- Xi măng mác G khi bổ sung 35% hàm lượng SSA-1 có thể sử dụng trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ đến 1930C và áp suất cao bể Nam Côn Sơn.
Silica có khả năng làm cho xi măng có tính thủy lực, nghĩa là khả năng đóng rắn, làm việc lâu bền trong môi trường nước. Tăng hàm lượng SiO2 sẽ làm chậm thời gian ngưng kết của vữa xi măng và tăng độ chống sulfat của đá xi măng. Ngoài ra, silica khi kết hợp với một số phụ gia khác sẽ cải thiện các tính chất của vữa trong điều kiệnnhiệt độ và áp suất cao.
Chương 3. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VỮA
VÀ ĐÁ XI MĂNG TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ
VÀ ÁP SUẤT CAO
3.1. Xác địnhkhối lượng riêng vữa xi măngtrám giếng khoan
3.1.1. Khái niệm khối lượng riêng của vữaxi măng
Khối lượng riêng của vữa xi măng là một trong những đặc tính quan trọng để đánh gia chất lượng của vữa xi măng. Thay đổi khối lượng riêng của vữa xi măng bằng cách thay đổi tỉ lệ nước - xi măng. Sự thay đổi khối lượng riêng sẽ làm thay đổi chế độ công nghệ bơm trámvà có thể dẫn đến sự phức tạp, đặc biệt sẽ làm tăng áp suất khi trám xi măng. Tỷ lệ nước - xi măng còn