măng trong giếng khoan
Thực tế cho thấy có rất nhiều yếu tố tác động đến việc hình thành vành đá xi măng của giếng khoan, bao gồm các yếu tố kỹ thuật, địa chất, công nghệ… Trong đó, có cả các yếu tố chủ quan hay khách quan. Trong bài báo này các tác giả chỉ trình bày một số yếu tố tác động như những quy luật thuộc về bản chất của vật liệu xi măng cần làm sáng tỏ.
4.1. Sự chuyển pha và hiện tượng giảm áp suất thủy tĩnhcủa cột vữa của cột vữa
Đặc điểm cơ bản và cũng là vấn đề chủ yếu của việc dùng xi măng bơm trám là tính chất đóng rắn của vữa trám, thể hiện ở việc vữa cần ở trạng thái lỏng trong một khoảng thời gian nhất định và phải chuyển thành pha rắn sau khi thực hiện xong công đoạn bơm trám.
Khi vữa xi măng ở dạng lỏng cũng như đá xi măng ở dạng rắn, đã có nhiều phương pháp thí nghiệm và đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh để xác định các tính chất đặc trưng của chúng.
Ở điều kiện bình thường (nhiệt độ và áp suất khí quyển), như trong các công trình xây dựng thường thấy, sự chuyển pha không gây ra những vấn đề nghiêm trọng. Do đó, các tài liệu về xi măng xây dựng cũng hiếm khi đề cập đến điều này. Tuy nhiên, khi vữa xi măng được bơm xuống giếng khoan (như đã trình bày ở phần trên) tạo thành cột áp suất thuỷ tĩnh để cân bằng áp suất vỉa thì sự chuyển pha làm thay đổi cột áp suất thuỷ tĩnh cần phải đặc biệt chú ý.
Các tài liệu về công nghệ trám xi măng và các công trình nghiên cứu cho thấy, về mặt lý luận vẫn chưa giải thích được đầy đủ quy luật thay đổi áp suất này. Trên cở sở thực nghiệm và thực tiễn
trong những trường hợp cụ thể, kết luận thống nhất được rút ra là: áp suất thuỷ tĩnh của cột vữa xi măng giảm đi đáng kể trong quá trình chuyển pha. Các nhà công nghệ rất cần biết giá trị áp suất bị giảm để kiểm soát áp suất vỉa. Thực tế trong quá trình thủy hoá để chuyển pha lỏng sang rắn (vào giai đoạn trung gian mà vữa xi măng không hoàn toàn là pha lỏng cũng chưa đạt tới độ cứng để là pha rắn), hiện tượng thay đổi áp suất và truyền áp suất thuỷ tĩnh của cột vữa xảy ra rất phức tạp [6]. Các kết quả đo áp suất trong phòng thí nghiệm đối với vữa xi măng trong điều kiện mô phỏng giếng khoan đều nhận thấy áp suất giảm rất mạnh và sau khi xi măng đóng rắn, đạt tới giá trị chân không [4].
Hiện nay, quan điểm được chấp nhận rộng rãi hơn cả là áp suất thuỷ tĩnh của cột vữa xi măng giảm đến áp suất thuỷ tĩnh của cột nước dùng để pha xi măng. Điều này được giải thích: khi vữa chuyển trạng thái (xi măng thuỷ hoá) sẽ làm tăng sự liên kết giữa các hạt xi măng, tăng độ bền gel (gel strength) để tự đỡ trọng lượng của chúng, nhưng giữa các hạt vẫn còn các lỗ rỗng thông nhau (mao dẫn) chứa đầy nước, do đó cột nước trong các lỗ rỗng này sẽ là áp suất mà cột thuỷ tĩnh của vữa xi măng đạt tới trong quá trình chuyển pha.
Hiện tượng giảm áp suất thủy tĩnh trong quá trình chuyển pha của vữa xi măng là đối tượng được nghiên cứu trong công nghệ trám giếng khoan. Trên Hình 1 là sơ đồ biểu diễn hiện tượng này và hậu quả của nó.
PETROVIETNAM
Hình 1.Sự giảm áp suất và hiện tượng dòng khí xâm nhập theo mức độ chuyển trạng thái của vữa xi măng từ lỏng sang rắn
Lúc đầu (trạng thái A) toàn bộ áp suất của cột vữa xi măng truyền đến vỉa khí tạo phản áp ngăn cản dòng khí đi vào giếng khoan. Ở trạng thái B, vữa bắt đầu phát triển độ quánh thì áp suất truyền lên vỉa khí giảm đi. Khi vữa bắt đầu ngưng kết (trạng thái C) thì áp suất giảm rất nhanh đến giá trị áp suất vỉa khí và lúc này dòng khí từ vỉa đi vào vành xi măng (trạng thái D). Sau khi ngưng kết, xi măng đã là dạng chất rắn (trạng thái E), có độ cứng. Về nguyên tắc, dòng khí không thể đi qua được và bị dừng lại ở thời điểm này.
Như vậy, khi trám xi măng qua vỉa khí thì sự chuyển trạng thái của vữa xi măng kéo theo hiện tượng giảm áp suất thuỷ tĩnh truyền lên vỉa. Dòng khí đi vào vành xi măng và chỉ dừng lại sau khi xi măng đã ngưng kết. Quãng đường dòng khí đi được trong vành xi măng phụ thuộc vào tốc độ di chuyển (sự chênh lệch áp suất, kích thước kênh dẫn, loại khí) và khoảng thời gian của giai đoạn chuyển pha. Nếu khoảng thời gian chuyển trạng thái đủ lớn thì dòng khí có thể đạt tới miệng giếng khoan.
Thực tế trên thế giới và ở Xí nghiệp Liên doanh Vietsopetro (XNLD) đã có những trường hợp xuất hiện khí phun ngay sau quá trình bơm trám giếng khoan, chứng tỏ có tác động của quy luật giảm áp suất khi chuyển pha của vữa xi măng. Tuy vậy, cần phải nhận thức rằng, phần lớn các trường hợp khác không nhận thấy hiện tượng này vì dòng khí di chuyển trong vành xuyến chưa đạt tới bề mặt do xi măng ngưng kết chặn lại.
4.2. Hiện tượng co ngót và co rút trong quá trình thủyhoá xi măng hoá xi măng
Co ngót (shrinkage) được hiểu một cách khái quát
nhất là sự thay đổi kích thước của vật (giảm đi) so với lúc đầu. Với xi măng trám giếng thì lúc vữa còn là lỏng, nó sẽ có dạng và kích thước của vật (không gian) chứa nó. Như vậy để gia cố chắc và kín vành xuyến giếng khoan, thì yêu cầu trước tiên là sau khi đóng rắn kích thước xi măng không co ngót, vì nếu co ngót sẽ có khe hở và không gian vành xuyến sẽ không kín. Các tài liệu và thực tế trong phòng thí nghiệm của XNLD cho thấy các loại xi măng tiêu chuẩn và thông dụng với điều kiện đóng rắn trong môi trường kín và cách ly thì đều co ngót, giá trị co ngót đo được là 1,70 - 1,88 % sau 48 giờ. Như vậy xi măng bình thường như tiêu chuẩn là không phù hợp cho mục đích bơm trám gia cố giếng khoan. Trong [1] còn nêu ý tưởng thay xi măng bằng các loại khác phù hợp hơn.
Co rút (contraction) khác với co ngót là hiện tượng giảm tổng thể tích tuyệt đối của hệ vật chất trong các quá trình vật lý, hoá học [2], [5]. Thủy hoá xi măng là phản ứng của xi măng với nước, co rút xảy ra khi tổng thể tích các sản phẩm cuối cùng tạo thành nhỏ hơn tổng thể tích các chất ban đầu tham gia phản ứng. Sau khi ngưng kết, hiện tượng co rút xảy ra không tác động nhiều đến co ngót kích thước bên ngoài của mẫu đá xi măng, co rút chỉ làm tăng tổng thể tích (kích thước và số lượng) các lỗ rỗng bên trong của cấu trúc đá xi măng. Theo tài liệu [2] và thí nghiệm xi măng của XNLD, sự co rút được trình bày trong Bảng 3.
Có thể thấy rõ rằng, khi đo áp suất thủy tĩnh trong quá trình chuyển pha của cột vữa xi măng trong phòng thí nghiệm thì chính hiện tượng co rút và co ngót đã làm cho kết quả áp suất đo được giảm nhanh và giảm xuống dưới áp suất môi trường, tức chân không như nhận xét trong [4].
DẦU KHó
DẦ Ầ U K H Í - SỐ 4 /2 0 1 1 3 7 PET R O VI ET N AM