M Ở ĐẦU
3.1.2. Lựa chọn phụ gia làm nặng vữa ximăng
Trong công nghệ trám xi măng thường sử dụng các phụ gia làm nặng: Barit (BaSO4) có tỉ trọng 4,1 đến 4,5 và độ cứng Mohs 2,5-3,5; Ilmenit (FeTiO2) - có tỉ trọng 4,5-5,0, độ cứng Mohs 5-6; Hematit (Fe2O3) - có tỉ trọng 4,9-5,3, độ cứng Mohs 5-6; Hausmannit , tỉ trọng 4,7-4,9 và độ cứng Mohs 5-5,5.
Trên cơ sở phân tích thực tế trám xi măng giếng khoan bể Nam Côn Sơn, các sản phẩm Hi-Dense 4 và MicroMax được chọn làm chất phụ gia làm nặng.
- Hi-Dense 4 là phụ gialàm nặngcủa Công ty Halliburton, được sản xuất từ nguyên liệu khoáng hematit, không nhiễm từ, không chứa phóng xạ và ít ảnh hưởng đến các tính chất khác của xi măng. Phụ gia Hi-Dense 4 có thành phần hạt 45 µ chiếm 80%, độ phân tán cao giúp cho vữa có độ ổn định tốt (không lắng đọng). Hi-Dense chứa các oxit sắt, có thể tạo thành các hydrat ferrit và alumoferrit độ bền cao,rất ổn định trong các chất lưu củavỉa.
- MicroMax có tỉ trọng 4,7-4,9 được chế biến từ khoáng magan hausmanit, cỡ hạt 5µm, sử dụng rất có hiệu quả trongkhoảng nhiệt độ từ 270C đến 2600C. Trong các giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao, phụ gia
MicroMax là cho phép khống chế áp suất vỉa cao và thay thế tốt dung dịch khoan.
Chọn tỉ lệ hàm lượng các chất làm nặng cho vữavữa xi măng đồ thị (hình 3.2).
Hình 3.2. Khối lượng riêng vữa theo tỉ lệ Nước/ Xi măng
3.1.3. Xác định khối lượng riêng của vữa xi măng.
Khối lượng riêng vữa xi măng được tính theo công thức3.2:
= ố ượể í (( ăă ướướ á á ụ ụ) ) (3.2)
Kết quả tính toán khối lượng riêng hợp lý của vữa xi măng trám giếng khoan với hàm lượng các phụ gia tăng trọng Hi-Dense và Micromax và tỉ lệ N/XM trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3.1.Khối lượng riêng vữa xi măng trong các điều kiện áp suấtvà nhiệt độ. Số TT Khối lượng riêng vữa, g/cm3
Hàm lượng các thành phần của vữa,
% KLXM Tính chất của vữa xi măng
Điều kiện thí nghiệm Xi măng Hi- Dense MicroMax SSA- 1 Hiệu suất vữa, (ft3/sack) Nước trộn, (gal/sack) Tổng lượng nước trộn, (gal/sack) Áp suất, MPa Nhiệt độ,0C 1 2,04 100 40 25 35 2.16 7,97 9,09 66,65 155 2 2,10 100 65 - 35 2,09 6,68 8,53 93,02 176 3 2,13 100 40 25 35 1,99 6,28 7,78 75,79 170 4 2,19 100 40 25 35 1.86 4,81 6.84 84,68 180 5 2,19 100 40 25 35 1,86 5,03 6,81 84,685 180 6 2,19 100 40 25 35 1,88 4,95 6,93 103,35 193
Khối lượng riêng của vữa xi măng đề xuất trên đây cho phép nâng cao chất lượng trám xi măng các giếng khoan sâu ở bể Nam Côn Sơn và ngăn ngừa sự xâm nhập khí, đây là một trong những dạng phức tạp rất nguy hiểm và thường xảy ra khi trám xi măng trong điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao. Sử dụng xi măng Holcim mác G phối hợp với các phụ gia làm nặng Hi- Dense 4 và MicroMax và một số phụ gia khác, sẽ bảo đảm các thông số của vữa và đá xi măng đáp ứng yêu cầu chất lượng trám xi măng giếng khoan.
3.2. Thờigian quánh của vữa xi măng
3.2.1. Khái niệm thời gian quánh
Thời gian quánh của vữa xi măng là khoảng thời gian tính từ lúc bắt đầu trộn xi măng với nước cho đến thời điểm vữa xi măng đạt trị số 100 Bc (độ quánh Bearden) - bằng thời gian vữa xi măng ở trong trạng thái bơm. Đơn vị độ quánh Bearden là trị số không thứ nguyên từ 0-100 đơn vị.
Thời gian quánh là một thông số quan trọng đặc trưng cho tính chất của vữa xi măng. Khi trộn xi măng với nước lập tức sẽ xảy ra phản ứng giữa các thành phần khác nhau, do đó làm tăng độ nhớt của vữa xi măng.
Thời gian quánh được xác định trong phòng thí nghiệm đối với từng loại xi măng và là chỉ tiêu so sánh các loại xi măng khácnhau.
Trong quá trình bơm trám giếng khoan, thời gian quánh phải lớn hơn thời gian bơm trám xi măng để ngăn ngừa xi măng đóng rắn trong đầu trám, cột cần khoan hoặc nằm lại bên trong ống chống. Thời gian quánh và độ nhớt của vữa được tối ưu hóa, để vữa xi măng duy trì khả năng bơm ép trong suốt khoảng thời gian vữa xi măng lấp đầy đoạn chiều dài trám và đạt đến chiều cao yêu cầu ngoài cột ống.
Thời gian quánh được xác định bằng biểu thức:
TQ= TCM + TP+ TV+ TPL+ TDT (3.3)
Trong đó TCM, TP, TV, TPL, TDT–thời gian tương ứng với các thao tác khuấy trộn, chuẩn bị, bơm ép, di chuyển nút, và thời gian dự trữ (khoảng 30 phút đến 1 giờ) [39].
Thời gian trộn vữa với nước và phụ gia
TCM = Vxm / vxm (3.4)
Trong đó Vxm–thể tích xi măng khô, l bao; vxm–vận tốc trộn, bao/phút. Thời gian TP cần thiết cho công tác chuẩn bị khi đo các thông số vữa. Thông thường thời gian này không nhiều nên có thế tính vào thời gian trộn.
Trong thời gian trộn đồng thời bơm vữa vào cột ống chống trong khi chờ đợi trộn vữa, thời gian TV để dung dịch khoan ép từ trong ống chống vào khoảng không vành xuyến. Thời gian này phụ thuộc vào thể tích cột ống chống và vận tốc ép, và bằng lưu lượng của máy bơm, bằng
TV= Vdd/ vv (3.5)
Vì vậy, thể tích của cốc xi măng trong cột ống không tính vào thể tích của vữa xi măng.
Cũng cóthể xác định thời gian trám(Txm) xi măng theo công thức:
Txm=1/60 (Vd/n1QIV)+Vxm/n2QIV +0,98•Vcp/(n-1)•QIII+0,02•(Vcp/QIII)+10 (3.6) Trong đó Vd - Thể tích dung dịch đệm, m3; Vcp- Thể tích dung dịch bơm ép, m3; QIV - lưu lượng bơm với vận tốc số IV, dm3/s; QIII- lưu lượng bơm với vận tốc số III, dm3/s; số thiết bị bơm trám –n.
3.2.2. Thiết bị đo thời gian quánh của vữa xi măng
Độ quánh và thời gian quánh của vữa xi măng được đo bằng máy đo độ quánh Fann 290 HPHT (Hình 3.3), có áp suất tối đa là 207MPa và nhiệt độ 2040C. Máy đo độ quánh Fann 290 HPHT được sản xuất theo Tiêu chuẩn API/RP-10B và Phụ lục kèm theo API RP 10B. Trong thời gian thí nghiệm, các thông số được ghi lại và xử lý theo phần mềm IPRO. Việc điều khiển thiết bị được hiển thị qua màn hình tinh thể lỏng.
3.2.3. Xác định thời gian quánh của vữa xi măng.
Để nghiên cứu thời gian quánh của vữa xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, đã lập đơn pha chế vữa như trongbảng 3.2.
Bảng 3.2.Đơn pha chếvữa xi măngtrám giếng khoan nhiệt độ và áp suất cao.
TT Thành phần Hàm lượng Tỷ trọng
(SG) Công dụng
1 Xi măng mác G 100% KLXM 3,15 Xi măng nền
2 Silica SSA-1 35% KLXM 2,63 Phụ gia bền nhiệt
3 Hi-Dense 4 40% KLXM 5,02 Chất làm nặng
4 MicroMax 25% KLXM 4,8 Chất làm nặng
5 WellLife 987 7% KLXM 2,1 Phụ gia tăng độ bền
6 Microbond-HT 3% KLXM 4,8 Phụ gia giãn nở
7 Halad-413 0,5 gps 1,11 Phụ gia giảm độ thải nước
8 CSR-25 0,25 gps 1.16 Chậm ngưng kết
9 Nước kỹthuật 6,5 gps 1,0 Nước trộn
Trong bảng 3.3. Bảng tổng hợp vể thời gian quánh của vữa xi măng có khối lượng riêng 2,04 - 2,22g/cm3trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao (phụ lục 1).
Bảng 3.3.Bảng tổng hợp thời gian quánh của vữa xi măng
Thời gian quánh
Mẫu Khối lượng riêng vữa, (g/cm3)
Điều kiện thí nghiệm Thời gian quánh(giờ, phút)
Nhiệt độ
(0C)
Áp suất
(MPa) 50 Bc 70 Bc 100 Bc
A 2,04 125 67 08giờ52phút 08giờ53phút 08giờ53phút B 2,13 135 70 05giờ11phút 05giờ52phút 05giờ58phút
C 2,13 140 76 05giờ00 phút 06giờ53phút 06giờ54phút F 2,22 155 85 06giờ12 phút 06giờ13phút 06giờ13phút E 2,22 150 88,88 01giờ13 phút 08giờ30phút 08giờ35phút D 2,10 177 93 10giờ05 phút 10giờ05phút 10giờ18phút G 2,22 177 103,4 10giờ05 phút 10giờ05phút 10giờ18phút Trên các hình 3.4 - 3.10: các biểu đồ minh họa thời gian quánh của vữa xi măng trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau.
Hình 3.4 - Thời gian quánh của vữa xi măng cókhối lượng riêng 2,04g/cm3ở nhiệt độ 125 0C, áp suất 67MPa (mẫu A).
Trên biểu đồ: đường màu đỏ - nhiệt độ của vữa; đường màu xanh lục - nhiệt độ dầu; đường màu tím - áp suất; đường màu xanh - độ quánh của vữa. Kết quả thí nghiệm của mẫu A cho thấy, ở thời điểm khởi động 0giờ00phút; đến 8giờ 52phút đạt 70Bc, đến 8giờ 53phút là thời điểm vữa có độ quánh 100Bc và 8giờ53phút là thời gian quánh của vữa.
Hình 3.5 - Thời gian quánh của vữa xi măng cókhối lượng riêng 2,13 g/cm3
ở nhiệt độ1350C và áp suất 70 MPa (mẫu B).
Hình 3.6. Thời gian quánh của vữa xi măng cókhối lượng riêng 2,13 g/cm3ở
Hình 3.7 - Thời gian quánh của vữa xi măng cókhối lượng riêng 2,22 g/cm3
ở nhiệt độ1500C và áp suất 89MPa (mẫu D)
Hình 3.8 - Thờigian quánh của vữa xi măng cókhối lượng riêng 2,22 g/cm3
Hình 3.9 - Thời gian quánh của vữa xi măng cókhối lượng riêng 2,10 g/cm3
ở nhiệt độ1770C và áp suất 93MPa (mẫu F).
Hình 3.10 -Thời gian quánh của vữa xi măng cókhối lượng riêng 2,04 g/cm3
ở nhiệt độ1770C và áp suất 103 MPa (mẫu G)
Từ các kết quả thí nghiệm trên đây, cho phép nhận xét rằng nhiệt độ và áp suất tăng lên thì thời gian quánh rút ngắn lại. Còn ở nhiệt độ cao trên 1770C và áp suất trên 93 MPa thì thời gian quánh của vữa kéo dài. Từ đó, khi lập đơn pha chế cho các khoảng có nhiệt độ và áp suất có điều kiện tương tự
cần phải điều chỉnh các phụ gia chậm ngưng kết theo dõi đồ thị thời gian quánh củza vữa, cho phép mô hình hóa thời gian quánh bằng cách thay đổi hàm lượng chất phụ gia HR-25L.
Nhiệt độ và áp suất cao làm rút ngắn thời gian quánh của vữa. Bổ sung phụ gia HR-25L là giải pháp chủ yếu và hiệu quả để duy trì và cải thiện các tính chất công nghệ của xi măng: tăng thời gian quánh của vữa xi măng đạt trị số 100 Bc trong khoảng 6-8 giờ, đảm bảo an toàn trong thời gian bơm ép; làm chậm thời gian ngưng kết của vữa xi măng; ngăn ngừa sự suy thoái độ bền của xi măng và nâng cao các tính chất cơ học của vành đá xi măng ở nhiệt độ trên đáy giếng khoan (140oC-180oC).
3.3. Độ bền nén của đá xi măng
3.3.1. Ý nghĩa độbền nén
Công tác trám xi măng các giếng khoan dầu khí thường sử dụng trị số độ bền nén như là chỉ tiêu duy nhất để đánh giá tính chất của vành đá xi măng, đảm bảo khả năng gia cố và độ kín khoảng không vành xuyến. Trong điều kiện bình thường, xi măng có độ bền nén 3,45 MPa có thể xem như thoả mãn cho công tác trám xi măng. Trong các giếng khoan nhiệt độ và áp suất cao các ứng suất luôn biến đổi do các tác động cơ học, và do áp suất và nhiệt độ thay đổi theo chế độ khai thác. Sự thay đổi các điều kiện trong giếng khoan làm phát sinh các ứng suất phá vỡ sự ổn định của vành đá xi măng ngoài cột ống chống. Các ứng suất kiến tạo và sự biến đổi về áp suất hoặc nhiệt độ trong giếng khoan có thể làm rạn nứt vành đá và sụt lún. Đường kính cột ống chống bị biến dạng do tác động của sự biến đổi nhiệt độ và áp suất cũng có thể phá vỡ sự dính kết của vành đá xi măng với cột ống chống hoặc tầng chứa, tạo thành các khe hở vi mô [1,6].
Trong công nghiệp dầu khí thường phân ra hai loại độ bền nén của xi măng.Độ bền nén non tuổi là độ bền nén của xi măng vào lúc bắt đầu sau khi chuẩn bị và di chuyển trong thân giếng và độ bền nén lâu dài là độ bền nén của xi măng sau khi hoàn tất quá trình hydrat hóa và vận hành giếng khoan cả sau vài năm khai thác [42,49].
Nghiên cứu độ bền nén non tuổi đối với các loại xi măng trám giếng khoan dầu khí là một nhiệm vụ quan trọng trong khâu thiết kế xi măng trám. Kết quả tính toán độ bền nén non tuổi của xi măng trám giếng khoan cho phép gia cố cột ống và cách ly thủy lực/ cơ học thành giếng.
3.3.2. Thiết bị đo độbền nén của xi măng trám
Hiện nay, theo tiêu chuẩn API RP 10B-2/ ISO 10426-2, tính chất cơ học của đá xi măng nói chung và độ bền nén nói riêng đều tiến hành theo phương pháp siêu âm không phá hủy.
Thiết bị UCA (Ultrasonic Cement Analyzer - Thiết bị phân tích xi măng bằng siêu âm) làm việc theo nguyên lý so sánh giữa thời gian tín hiệu siêu âm xuyên qua mẫu xi măng với độ bền nén của mẫu được đo bằng bằng phương pháp phá hủy truyền thống trong các điều kiện tương tự dưới tác động của tải trọng cơ học. Sự liên kết giữa thời gian sóng siêu âm xuyên qua và độ bền nén của xi măng cần bằng thực nghiệm. Vì vậy, “độ bền âm học” là mức độ phát triển độ bền của mẫu xi măng và đo trực tiếp vận tốc âm xuyên qua mẫu, và “độ bền nén” đo trực tiếp và xác định bởi lực cần thiết để phá hủy mẫu đá xi măng.
Phương pháp thí nghiệm siêu âm, không phá hủy xi măng trám, trước hết là thu thập các số liệu về độ phát triển của độ bền nén theo thời gian, trong các điều kiện tương tự nhiệt độ cao áp suất cao trong giếng. “Độ bền âm học” xác định theo máy UCA là trị số tính toán, còn “độ bền nén” của mẫu xi măng được đo trực tiếp khi phá hủy dưới tác động của tải trọng cơ học. Hai trị số
xác định trong các điều kiện giống nhau, nhưng với phương pháp khác nhau, trị số tuyệt đối không nhất thiết giống nhau.
Trên hình 3.11- Thiết bị và nguyên lý xác định độ bền nén bằng phương phapsiêu âm (UCA).
Hình 3.11 - Thiết bị xác định độ bền nén bằng siêu âm (UCA)
Hình 3.12 - Sơ đồ nguyên lý làm việcthiết bịUCA [24]
3.3.3. Kết quả thínghiệm độ bền nén của vữa xi măng đóng rắn
Trong bảng 3.4. Bảng tổng hợp kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất cao đến độ bền nén của vữa xi măngcó khối lượng riêng 2,04– 2,22 g/cm3(xem phụ lục 1).
Bảng 3.4.Bảng tổng hợp độ bền nén của vữa xi măng. Độ bền nén Mẫ u Khối lượng riêng vữa, g/cm3 Điều kiện thí nghiệm
Thời gian đạt đến các giá trị độ bền nén(giờ. phút))
Độ bền nén đạt được theo thời gian(MPa)
Nhiệt độ, 0 C Áp suất, MPa 0,345 MPa 0,689 MPa 3,45 MPa 6,89 MPa 12 giờ 24 giờ 48 giờ A 2,04 155 20,67 6.42 723 12.54 15.00 - 13,38 17,47 B 2,13 155 20,67 8.15 8.33 14.20 16.05 - 14,70 - C 2,13 170 20,67 18.02 18.31 20.36 22.11 8,88 10,94 19,84 D 2,10 177 93,10 19.03 19.29 21.08 22.43 - 9,92 - E 2,22 180 20,67 14.03 14.16 15.21 16.04 - 23,39 - F 2,22 180 20.67 12.42 12.56 13.56 14.34 - 37,28 - G 2,22 193 103,40 17.41 17.56 19.40 19.57 - 1645
Trên các hình từ 3.13 - 3.19: sự phát triển độ bền nén của vữa xi măng. Đường màu xanh - nhiệt độ; đường màu đỏ - thời gian suy giảm sóng siêu âm; đường màu xanh lục-độ bền nén.
Hình 3.13 -Độ bền nén của đá xi măngkhối lượng riêng vữa 2,04 g/cm3
Hình 3.14.Độ bền nén của đá xi măngkhối lượng riêng vữa 2,13 g/cm3(mẫu
B),ở nhiệt độ 155oC và áp suất 20,67MPa.
Hình 3.15. Độ bền nén của đá xi măng khối lượng riêng vữa 2,13 g/cm3(C)
ở nhiệt độ 170oC và áp suất 20,67MPa.
Từ trên biểu đồ ta có thể thấy sự phát triển độ bền nén trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao theo thời gian thực. Khi nhiệt độ từ 200C tăng dần lên lên đến nhiệt độ 1700C (áp suất không thể hiên trên biểu đồ), xảy ra quá trình