Bài giảng Dung dịch Khoan và Xi măng - Đỗ Hữu Minh Triết

ộ bền trung bình với sulfateH 0 - 8000 ft: xi măng cơ bản, có thể sử dụng với các chất phụ gia đông nhanh hoặc đông chậm để trám trong các giếng có chiều sâu và nhiệt độ khác nhau, có độ bền với sulfate từ trung bình đến cao G 10000 - 16000 ft: giếng có nhiệt độ và áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến caoF 6000 - 14000 ft: giếng có nhiệt độ và áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến caoE 6000 -12000 ft: nhiệt độ và áp suất tương đối cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến caoD 0 - 6000 ft: độ bền chịu nén ban đầu cao, độ bền với sulfate từ kém, trung bình đến caoC 0 - 6000 ft: đòi hỏi xi măng có độ bền từ trung bình đến cao đối với sulfateB 0 - 6000 ft: loại thường, giếng không đòi hỏi tiêu chuẩn đặc biệtA Điều kiện sử dụngLoại GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ SẢN XUẤT XI MĂNG ™ Clinke là thành phần chủ yếu tạo thành xi măng. ™ Clinke được sản xuất bằng cách nung nóng hỗn hợp thô đá vôi, sét trong môi trường có ôxy tới nhiệt độ 1400 – 1450oC. Do bốc hơi không đều, hỗn hợp bị vón thành cục rắn chắc, kích thước 10 – 30 mm. Sản phẩm này được làm lạnh nhanh để giữ lại tính chất phản ứng của các khoáng vật thành phần. ™ Clinke sau khi nghiền nhỏ, bổ sung thêm thạch cao (CaSO42H2O) để điều chỉnh thời gian ngưng kết (hơn 5% sẽ làm nứt xi măng) và các khoáng vật khác như xỉ kim loại, cát thạch anh, khuê tảo để điều chỉnh tính chất sẽ thành xi măng. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ SẢN XUẤT XI MĂNG ™ Quá trình sản xuất xi măng: − Đá vôi, san hô, vỏ sò, alumina, silica, ôxit sắt, được nghiền thành bột mịn và pha trộn lẫn nhau tạo thành nguyên liệu thô. Thành phần nguyên liệu pha trộn trước khi vào lò tùy thuộc yêu cầu của clinke tạo thành. − Hỗn hợp nguyên liệu thô được đưa vào lò nung để tạo thành clinke. − Clinke được làm lạnh nhanh, bổ sung thêm thạch cao (3-5%), sau đó được nghiền vụn. − Sản phẩm nghiền vụn chính là xi măng. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ SẢN XUẤT XI MĂNG Lược đồ sản xuất xi măng Máy đập Đá vôi Máy nghiền Nguyên liệu thô Lò nung Clinke Phụ gia Máy nghiền Xi măng Vật liệu khác GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ VỮA XI MĂNG Yêu cầu chung ™ Trộn và bơm dễ dàng, có tính lưu biến tối ưu cho việc thay thế dung dịch khoan, ™ Bảo đảm tính chất đồng nhất trong suốt quá trình bơm đẩy, ™ Bảo đảm được độ kín khi đông cứng, không cho khí rò rỉ vào khoảng không vành xuyến, ™ Tạo liên kết tốt giữa ống chống và thành hệ, ™ Phát triển độ bền nhanh khi bơm trám xong và độ bền của đá xi măng ổn định trong thời gian dài. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ VỮA XI MĂNG Các tính chất của vữa xi măng và điều kiện sử dụng 80 - 170 80 - 170 80 - 170 170 - 260 170 - 290 230 - 230 80 - 200 80 - 200 0 - 6000 0 - 6000 0 - 6000 6000 - 12000 6000 -14000 10000 - 16000 0 - 8000 0 - 8000 15,6 15,6 14,8 16,4 16,4 16,2 15,8 16,4 5,2 5,2 6,3 4,3 4,3 4,3 5,0 4,3 A (Portland) B (Portland) C (Đông nhanh) D (Chậm đông) E (Chậm đông) F (Chậm đông) G (Cơ bản) H (Cơ bản) Nhiệt độ tĩnh (0F) Độ sâu (ft) Tỷ trọng vữa (lbm/gal) Lượng nước trộn (gal/bao) Loại GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ VỮA XI MĂNG Tính chất của vữa xi măng ™ Tỷ số nước/xi măng ƒ Lượng nước tối thiểu để trộn với xi măng nguyên chất cho độ sệt của vữa nhỏ hơn 30 Bc. ƒ Tỷ số nước/xi măng tối đa là lượng nước thêm vào mà vẫn giữ ở trạng thái lơ lửng cho đến khi quá trình bơm trám xi măng hoàn tất. 46 46 56 38 48 38 1,18 1,18 1,32 1,02 1,15 1,05 5,2 2,5 6,3 4,3 5,0 4,3 15,6 15,6 14,8 16,4 15,8 16,4 A B C D G H Nước trộn (%) Chỉ số yield (cuft/bao) Nước trộn (gal/bao) Tỷ trọng vữa (lbm/gal) Loại Tính chất của xi măng nguyên chất GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ VỮA XI MĂNG ™ Tỷ trọng ƒ Theo tiêu chuẩn API, tỷ trọng vữa xi măng bị giới hạn bởi tỷ số nước/xi măng. ƒ Tỷ trọng thấp thường được sử dụng để tránh hiện tượng phá vỡ vỉa đối với thành hê ̣ yếu. ƒ Tỷ trọng cao được sử dụng khi thành hê ̣ có áp suất cao với lượng nước tối thiểu cho phép (17.5 - 18 lb/gal). ƒ Phu ̣ thuộc vào độ mịn của xi măng sử dụng, với độ mịn trung bình thi ̀ diện tích bê ̀ mặt của xi măng loại A và C thay đổi từ 150 - 220 m2/kg. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ VỮA XI MĂNG ™ Chống mất dung dịch ƒ Thành hê ̣ có tính thấm cao dê ̃ xảy ra hiện tượng mất nước, do đó làm giảm tỷ số nước/xi măng. ƒ Khi đó nếu áp suất bơm lớn hơn áp suất vỡ vỉa đối với những thành hê ̣ yếu thi ̀ rất dễ xảy ra hiện tượng mất tuần hoàn. ƒ Mất nước mang một phần vật liệu xi măng vào trong tầng sản phẩm, làm giảm độ thấm lọc của tầng sản phẩm. ƒ Lượng nước mất không điều khiển được trong vữa xi măng nguyên chất khoảng 800 - 1000 ml/30 phút dưới áp suất 1000 psi. Giá trị tối ưu là 100 - 200 ml/30 phút dưới áp suất 1000 psi. B Chất phu ̣ gia được dùng chủ yếu hiện nay để chống mất dung dịch là polime hữu cơ tổng hợp lỏng và dẫn suất cellulose. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ VỮA XI MĂNG ™ Tính lưu biến ƒ Khả năng vữa xi măng đi vào các khe nứt, đứt gãy phu ̣ thuộc lớn vào độ sệt của nó. ƒ Sự thành công của quá trình bơm trám xi măng phu ̣ thuộc nhiều vào việc đo và tính toán các thông số lưu biến của vữa xi măng đê ̉ tối ưu tốc độ bơm đẩy và áp suất trong điều kiện thiết bị và giếng khoan hiện có mà vẫn không làm thay đổi tính chất của vữa xi măng theo thiết kế. ƒ Được đo bằng nhớt kế tiêu chuẩn FANN 35 hoặc FANN 50 trong phòng thí nghiệm. Việc sử dụng các chất phu ̣ gia cũng làm thay đổi độ nhớt của vữa, ví du ̣ lignosulfonate làm giảm độ nhớt, còn cellulose làm tăng độ nhớt của vữa. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ VỮA XI MĂNG ™ Thời gian đông quánh ƒ Là thời gian tính từ thời điểm bắt đầu bơm vữa ở điều kiện nhiệt đô ̣ và áp suất ban đầu đến khi vữa đạt đến độ sệt (khoảng 100 Bc) không còn bơm được nữa. ƒ Xi măng thường hoặc xi măng có phu ̣ gia đều có thể sử dụng ở những điều kiện nhiệt đô ̣ và áp suất giếng khác nhau. ƒ Đê ̉thay đổi thời gian đông quánh có thể thêm vào chất phụ gia nhanh đông hay chậm đông tùy theo từng điều kiện cụ thê ̉ của giếng. ƒ Hầu hết vữa trước khi bơm đều phải được thí nghiệm ở điều kiện tương tự điều kiện giếng khoan. ƒ Thời gian đông quánh của vữa thường được thiết kế lớn hơn thời gian cần thiết để bơm trám hay thời gian hoàn tất công việc. Thời gian này thay đổi khoảng từ một giờ hay bằng 50% thời gian bơm trám. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TÍNH CHẤT CỦA ĐÁ XI MĂNG ™ Đô ̣ bền nén ƒ Giá trị độ bền nén tối ưu của đá xi măng phải tương đương với độ bền của thành hê ̣ được cách ly. ƒ Đá xi măng phải phát triển độ bền nén đủ để: • Bảo vệ ống chống trong giếng khoan, • Chịu được rung động, va chạm trong quá trình khoan và bắn mở vỉa, • Tránh hiện tượng gây nứt vỡ thành hệ khi áp suất thủy tĩnh cao. ƒ Đá xi măng đông cứng trong giếng chịu tác động bởi lực nén ngang do áp suất thành hê ̣ gây ra và ứng suất kéo do trọng lượng của cột ống chống. ƒ Độ bền xi măng phải đủ lớn để tạo sự liên kết giữa ống chống và xi măng để bảo vệ cột ống chống. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TÍNH CHẤT CỦA ĐÁ XI MĂNG ™ Tính cách ly ƒ Đô ̣ thấm và độ bền của liên kết xi măng và ống chống là hai yếu tố ảnh hưởng đến khả năng cách ly của đá xi măng. ƒ Đô ̣ thấm của xi măng đông cứng thường rất thấp (khoảng 0.01 md). Khi bơm trám xi măng ở những thành hê ̣ chứa khí có áp suất cao thì tính cách ly của xi măng đông cứng rất quan trọng. ƒ Đô ̣ thấm của xi măng thay đổi tuỳ theo tỷ lệ nước trộn trong vữa xi măng. Vữa có tỷ trọng thấp thường sử dụng bơm trám qua thành hê ̣ có đô ̣ thấm cao. ƒ Do sự co ngót của xi măng trong suốt quá trình thủy hoá cộng sự biến dạng của cột ống chống sẽ tạo các vi khe nứt trong khoảng không vành xuyến cho phép chất lưu thấm qua. Cần sử dụng vành xi măng giãn nở để khắc phục hiện tượng này. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TÍNH CHẤT CỦA ĐÁ XI MĂNG ™ Sự suy giảm độ bền ở nhiệt độ cao ƒ Ở điều kiện nhiệt đô ̣ bình thường, xi măng đông cứng tiếp tục quá trình thuỷ hoá và phát triển độ bền cho đến một giá trị xác định. ƒ Ở nhiệt độ lớn hơn 110oF xi măng sẽ đạt được độ bền tối đa trong vài tuần đầu, sau đó độ bền này bắt đầu giảm, quá trình này gọi là suy giảm độ bền của đá xi măng. ƒ Trong một vài trường hợp, độ bền của đá xi măng tiếp tục giảm cho đến khi bị phá hủy hoàn toàn. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TÍNH CHẤT CỦA ĐÁ XI MĂNG ™ Tính kháng sulfate ƒ Sulfate được xem là chất ăn mòn xi măng nhất. Nước trong thành hê ̣ chứa dầu thường chứa magnesium và sodium sulfate. Xi măng tiếp xúc với nước sulfate sẽ dần dần bị mềm đi và phân rã. Thời gian tiếp xúc càng lâu và lượng nước sulfate được bổ sung sẽ gây tổn hại và làm xi măng mất dần tính liên kết. ƒ Magnesium (Mg) hay sodium sulfate (Na2SO4) phản ứng với vôi trong xi măng tạo ra magnesium (Mg(OH)2) hay sodium hydroxit (NaOH) và calcium sulfate (CaSO4). Calcium sulfate phản ứng với C3A tạo thành calcium sulfoaluminate có thê ̉ tích lớn hơn lô ̃ rỗng của C3A làm cho lớp xi măng giãn nở gây áp lực tách lớp xi măng bảo vê ̣ ống chống. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TÍNH CHẤT CỦA ĐÁ XI MĂNG Để tăng tính kháng sulfate cho xi măng, người ta thường giảm lượng C3A có trong xi măng hay giảm lượng vôi tự do trong xi măng đông cứng bằng cách thêm vào vật liệu pozzolan. Chất này phản ứng với vôi tạo thêm một phần vật liệu xi măng. Ngoài ra, có thể thêm vào xi măng lượng calcium sulfate tương ứng với C3A để tạo thành calcium sulfoaluminate trước khi vữa xi măng đông cứng. Tuy nhiên không có phương pháp nào loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của sulfate mà chỉ hạn chế ở một mức độ nhất định. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CÁC QUÁ TRÌNH ĂN MÒN XI MĂNG Dưới tác dụng của môi trường xâm thực lỏng lên đá xi măng, các quá trình ăn mòn cơ bản bao gồm 3 dạng: - Dạng 1: các quá trình hoà tan đá xi măng mà trước hết là Ca(OH)2 do C3S thủy hoá tạo ra tan vào nước thấm qua đá xi măng, - Dạng 2: các phản ứng trao đổi giữa các thành phần của môi trường và đá xi măng tạo ra các sản phẩm tan trong nước, hoặc là các sản phẩm tơi xốp không có tính kết dính, - Dạng 3: các quá trình tạo tích tụ muối trong các lỗ hổng, vết nứt và trong các mao quản. Trong những điều kiện nhất định chúng trương nở thể tích gây ra ứng suất phá huỷ đá xi măng. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ 4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÁM XI MĂNG GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ NỘI DUNG 1. Các phương pháp trám xi măng 2. Trám xi măng ống chống đường kính lớn 3. Trám xi măng ống chống đường kính nhỏ 4. Bơm ép và đặt cầu xi măng GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÁM XI MĂNG Trám xi măng là bơm vữa xi măng thích hợp ở một chiều sâu nào đó của giếng khoan hoặc trong khoảng không hình xuyến giữa thành giếng khoan và cột ống chống, hoặc giữa các cột ống chống. Trám xi măng cột ống chống nhằm các mục đích sau: ƒ Gia cố thành giếng khoan; ƒ Liên kết cột ống chống với thành giếng khoan, chịu một phần tải trọng và đảm bảo chắc chắn về mặt cơ học cho cột ống chống; ƒ Làm kín khoảng không vành xuyến, bảo vệ cột ống chống khỏi rỉ sét, hư hại do các lưu chất có trong các tầng đất đá khoan qua; GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÁM XI MĂNG ƒ Cách ly tầng mất dung dịch, bảo đảm kiểm soát giếng và khả năng nâng cao tỉ trọng dung dịch khi khoan sâu hơn; ƒ Cách ly các tầng sản phẩm, cho phép lựa chọn tầng khai thác hoặc bơm ép thích hợp; ƒ Bảo vệ chân đế ống chống khỏi các chấn động khi khoan sâu hơn; ƒ Tạo đáy kín cho các thiết bị kiểm tra và an toàn lắp đặt ở đầu giếng; ƒ Kiểm soát giếng hoặc dập giếng. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÁM XI MĂNG Các hệ quả thường gặp khi trám xi măng kém chất lượng: - Ống chống bị ăn mòn nhanh, tuổi thọ của giếng giảm; - Lưu chất xâm nhập vào khoảng không giữa xi măng và thành hệ, tạo các kênh dẫn liên thông giữa tầng khai thác và các tầng lân cận, ví dụ: các tầng trong vỉa liên thông nhau, nước đáy xâm nhập vào vỉa dầu, - Khí từ vỉa có thể thoát lên bề mặt, gây nguy hiểm cho quá trình khai thác. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÁM XI MĂNG Có nhiều phương pháp trám xi măng, mỗi phương pháp thích hợp với một yêu cầu cụ thể. Tổng quát, trám xi măng được phân loại như sau: ™ Trám xi măng lần đầu (sơ cấp), áp dụng khi trám xi măng: - Ống chống dẫn hướng; - Ống chống bề mặt; - Ống chống trung gian; - Ống chống khai thác. ™ Trám xi măng lần hai (thứ cấp), bao gồm: - Bơm ép xi măng; - Đặt cầu xi măng. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CÁC PHƯƠNG PHÁP TRÁM XI MĂNG Trong trám xi măng sơ cấp, kỹ thuật trám lại được phân loại: ƒ Trám xi măng ống chống đường kính lớn, áp dụng cho: • Ống chống dẫn hướng • Ống chống bề mặt ƒ Trám xi măng ống chống đường kính nhỏ, áp dụng cho: • Ống chống trung gian • Ống chống khai thác GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CÁC CẤP ỐNG CHỐNG GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CHUỖI ỐNG CHỐNG Production Casing Intermediate Casing Intermediate Casing Surface Casing Conductor GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TRÁM XI MĂNG ỐNG CHỐNG ĐK LỚN Hai kỹ thuật trám xi măng ống chống đường kính lớn thông thường: - Trám bằng cần (stab-in, stinger) - Trám qua vành xuyến (top-up). Trám bằng cần và trám qua vành xuyến Cần khoan GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TRÁM BẰNG CẦN GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TRÁM XI MĂNG ỐNG CHỐNG ĐK NHỎ ™ Kỹ thuật trám xi măng đường kính nhỏ bao gồm: ƒ Trám xi măng một giai đoạn ƒ Trám xi măng nhiều giai đoạn • Trám xi măng hai giai đoạn thông thường • Trám xi măng hai giai đoạn liên tục • Trám xi măng ba giai đoạn GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TRÁM XI MĂNG MỘT GIAI ĐOẠN GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TRÁM XI MĂNG NHIỀU GIAI ĐOẠN Đầu nối phân tầng GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ TRÁM XI MĂNG ỐNG CHỐNG LỬNG Thiết bị trám xi măng ống chống lửng GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ BƠM ÉP XI MĂNG - BRADENHEAD Phương pháp này được áp dụng khi bơm ép ở áp suất thấp GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ BƠM ÉP XI MĂNG - PACKER ™ Phương pháp này cho phép bơm ép xi măng chính xác hơn và áp suất bơm ép cao hơn. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ BƠM ÉP XI MĂNG - ỐNG CHỐNG LỬNG GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ ĐẶT CẦU XI MĂNG – PP CÂN BẰNG GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ ĐẶT CẦU XI MĂNG – PP RÓT XI MĂNG ™ Thiết bị rót xi măng được điều khiển bằng điện từ bề mặt. ™ Phương pháp có độ chính xác cao và xi măng không bị nhiễm bẩn. ™ Phương pháp không thích hợp với giếng sâu. ™ Thể tích xi măng mỗi lần rót hạn chế. GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CÁC TRANG THIẾT BỊ ™ Các trang thiết bị ƒ Đầu trám xi măng ƒ Nút trám trên ƒ Nút trám dưới ƒ Giỏ trám xi măng ƒ Lồng định tâm ƒ Vòng nối lồng định tâm ƒ Chổi nạo ƒ Chân đế ống chống nổi ƒ Vòng dừng GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ ĐẦU TRÁM XI MĂNG GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ NÚT TRÁM XI MĂNG Nút trám xi măng a) bình thường b) chống xoay a) b) GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ GIỎ TRÁM XI MĂNG GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ LỒNG ĐỊNH TÂM GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ VÒNG NỐI LỒNG ĐỊNH TÂM GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CHỔI NẠO Chổi nạo quay Chổi nạo tịnh tiến GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ CHÂN ĐẾ ỐNG CHỐNG GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ VÒNG DỪNG GEOPET Dung dịch khoan và xi măng ™ KẾT THÚC