Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu lựa chọn vữa trám cho các giếng khoan dầu khí trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

TRƯƠNG HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VỮA TRÁM

CHO CÁC GIẾNG KHOAN DẦU KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN

NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO BỂ NAM CÔN SƠN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

TRƯƠNG HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VỮA TRÁM

CHO CÁC GIẾNG KHOAN DẦU KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN

NHIÊT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO BỂ NAM CÔN SƠN

Ngành: Kỹ thuật Dầu khí

Mã số: 62.52.06.04

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS Trần Đình Kiên

2. TS Nguyễn Hữu Chinh

Hà Nội - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số

liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố

trong bất cứ một công trình nào khác ở trong và ngoài nước.

Tác giả luận án

Trương Hoài Nam

Trang LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................i MỞ ĐẦU .............................................................................................................................1 Chương 1. ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO TẠI BỂ NAM CÔN SƠN VÀ

ẢNH HƯỞNG ĐỐI VỚI CÔNG TÁC TRÁM XI MĂNG GIẾNG KHOAN..........8 1.1 Đặc điểm địa tầng và trầm tích bể Nam Côn Sơn.......................................................... 8 1.2 Đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn................................................. 12 1.2.1. Khái niệm về nhiệt độ và áp suất cao. ..............................................................12 1.2.2. Nhiệt độ và và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn..................................................14 1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất cao đến các tính chất của vữa và đá xi măng. ..... 19 1.4. Chất lượng trám xi măng các giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn................................. 27 1.5. Các công trình nghiên cứu về xi măng trám giếng khoan nhiệt độ và áp suất cao......30 1.5.1. Các công trình nghiên cứu về xi măng ở nhiệt độ và áp suất cao......................30 1.5.2. Các loại xi măng trám giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao. ........................31

Chương 2. LÝ THUYẾT VỀ ĐÔNG CỨNG VÀ TẠO ĐỘ BỀN CỦA ĐÁ XI MĂNG

TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO .........................................36 2.1. Các trạng thái vữa xi măng trong giếng khoan ............................................................36 2.2. Đặc tính của xi măng trám giếng khoan ......................................................................39 2.3. Quá trình hóa - lý đóng rắn của vữa xi măng [9,19,46,48].......................................... 41 2.4. Biện pháp chống suy giảm độ bền của xi măng trám. .................................................45 2.5. Ảnh hưởng của Silica độ bền và độ thấm của xi măng................................................ 47 2.5.1. Các loại phụ gia silica .......................................................................................47 2.5.2. Ảnh hưởng của silica đến độ bền nén và độ thấm của xi măng.........................48

Chương 3. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VỮA VÀ ĐÁ XI MĂNG

TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO .........................................56 3.1. Xác định khối lượng riêng vữa xi măng trám giếng khoan .........................................56 3.1.1. Khái niệm khối lượng riêng của vữa xi măng ...................................................56 3.1.2. Lựa chọn phụ gia làm nặng vữa xi măng..........................................................59 3.1.3. Xác định khối lượng riêng của vữa xi măng......................................................60 3.2. Thời gian quánh của vữa xi măng................................................................................61 3.2.1. Khái niệm thời gian quánh.................................................................................61 3.2.2. Thiết bị đo thời gian quánh của vữa xi măng ....................................................63 3.2.3. Xác định thời gian quánh của vữa xi măng. .....................................................64 3.3. Độ bền nén của đá xi măng..........................................................................................69 3.3.1. Ý nghĩa độ bền nén .................................................................................................... 69 3.3.2. Thiết bị đo độ bền nén của xi măng trám .................................................................. 70

MỤC LỤC

iii

3.3.3. Kết quả thí nghiệm độ bền nén của vữa xi măng đóng rắn........................................71 3.4. Xác định các tính chất đàn hồi của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao78

3.4.1. Tính chất biến dạng của đá xi măng ..................................................................78 3.4.2. Thiết bị đo các tính chất đàn hồi........................................................................79 3.4.3. Kết quả thí nghiệm.............................................................................................79 3.5. Độ rỗng và độ thấm của đá xi măng ............................................................................ 81 3.5.1. Độ rỗng của đá xi măng. ....................................................................................81 3.5.2. Độ thấm của đá xi măng ...................................................................................82

Chương 4. THỬ NGHIỆM VỮA XI MĂNG TRÁM CỘT ỐNG CHỐNG KHAI THÁC

5½” GIẾNG KHOAN TẠI BỂ NAM CÔN SƠN ...................................................86 4.1. Đặc điểm cấu trúc giếng khoan dầu khí bể Nam Côn Sơn .......................................... 86 4.2. Sơ lược công nghệ bơm trám xi măng giếng khoan ................................................... 88 4.3. Thiết kế hệ vữa xi măng trám cột ống chống khai thác 5 ½”. ..................................... 88 4.3.1. Các yêu cầu thiết kế vữa xi măng ......................................................................88 4.3.2. Xi măng nền.......................................................................................................89 4.3.3. Các phụ gia xi măng [28b].................................................................................91 4.4. Đơn pha chế vữa xi măng trám cột ống chống khai thác............................................. 94 4.4.1. Thành phần xi măng và phụ gia................................................................................. 94 4.4.2. Các thông số của vữa xi măng ................................................................................... 95 4.5. Đánh giá chất lượng vữa trám xi măng ...................................................................... 97 KẾT LUẬN.......................................................................................................................100 KIẾN NGHỊ.......................................................................................................................102 DANH MỤC MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................103 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................105 PHỤ LỤC ..........................................................................................................................111

Hệ số dị thường

API

American Petroleum Institute (Viện Dầu mỏ Hoa kỳ)

CBL

Cement Bond Log (Biểu đồ gắn kết xi măng)

CSR-100L

Cement Retarder (Phụ gia chậm ngưng kết)

CFR-3L

Cement Friction Reducer (Phụ gia giảm ma sát)

Ex-HPHT

Extreme High Pressure High Temperature (HPHT rất cao)

gps

gallon per sack (đơn vị đo thể tích/ bao)

HPHT

High Pressure High Temperature (Áp suất cao nhiệt độ cao)

h.m

hour.minute (giờ, phút)

KGVX

Không gian vành xuyến

KLXM

Khối lượng xi măng

Mét

mD MD

Mili Darcy Chiều sâu đo (Measured Depth)

MPRO

Mechanical Properties Analyzer (Máy phân tích tính chất cơ học)

Nhiệt độ và áp suất cao

NĐ&ASC

N/XM pnv

Nước/ Xi măng Áp suất nứt vỉa

Áp suất vỉa

Pounds per gallon

ppg

Specific gravity (Tỷ trọng)

SSA-1

Strength-Stabilizing Agent (Phụ gia ổn định cường độ)

UCA

Ultrasonic Cement Analyzer (Máy phân tích xi măng bằng siêu âm)

Ultra HPHT

Ultra High Pressure High Temperature (Siêu HPHT)

VDL

Variable density log (Biểu đồ độ rỗng biến thiên)

VNIIKRNEFTI

Viện nghiên cứu khoa học dầu mỏ Krasnodar (Liên bang Nga)

WOC

Wait on cement (Thời gian chờ xi măng đóng rắn)

Xi măng

YEK

Đơn vị đo độ quánh quy ước

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Trang

Bảng 1.1. Bảng phân cấp nhiệt độ và áp suất cao (theo Halliburton, Baker Hughes)

Bảng 1.2. Tỉ lệ gắn kết xi măng trong các giếng khoan bể Nam Côn Sơn

Bảng 1.3. Đặc tính kỹ thuật các loại xi măng bền nhiệt của Liên bang Nga sản xuất

Bảng 2.1. Các thành phần khoáng chính của xi măng

Bảng 2.2. Độ bền nén của đá xi măng theo hàm lượng silica

Bảng 2.3. Độ bền nén của hỗn hợp xi măng +35% SSA-1

Bảng 2.4. Độ thấm của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1

Bảng 2.5. Tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định độ bền nén

Bảng 3.1. Khối lượng riêng vữa xi măng trong các điều kiện áp suất và nhiệt độ.

10. Bảng 3.2. Đơn pha chế vữa xi măng trám giếng khoan nhiệt độ và áp suất cao.

11. Bảng 3.3. Bảng tổng hợp thời gian quánh của vữa xi măng

12. Bảng 3.4. Bảng tổng hợp độ bền nén của vữa xi măng

13. Bảng 3.5. Độ rỗng và độ thấm của đá xi măng

14. Bảng 4.1. Đơn pha chế vữa xi măng

15. Bảng 4.2. Các thông số công nghệ của vữa xi măng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Hình 1.1.Sơ đồ bể Nam Côn Sơn

Hình 1.2. Cột địa tầng tổng hợp bể Nam Côn Sơn

Hình 1.3. Bảng phân cấp nhiệt độ và áp suất cao (theo Halliburton, Baker Hughes)

Hình 1.4. Sơ đồ áp suất dị thường trong trầm tích Miocene giữa và dưới

Hình 1.5. Sơ đồ áp suất dị thường trong trầm tích Miocene trên

Hình 1.6. Biểu đồ phân bố áp suất các lô 04, 05

Hình 1.7. Biểu đồ phân bô áp suất nứt vỡ vỉa

Hình 1.8. Biểu đồ phân bố nhiệt độ áp suất lô 04, 05

Hình 1.9. Phân cấp nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn.

10. Hình 1.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến thời gian ngưng kết

11. Hình 1.11. Tỷ lệ gắn kết xi măng theo nhiệt độ

12. Hình 1.12. Chất lượng gắn kết xi măng theo từng nhà thầu dịch vụ

13. Hình 2.1. Sơ đồ trám xi măng giếng khoan dầu khí

14. Hình 2.2. Các trạng thái pha của vữa xi măng trong giếng khoan

15. Hình 2.3 Giản đồ pha khoáng vật hệ CaO-SiO2-H2O

16. Hình 2.4. Độ bền nén của đá xi măng ở các nhiệt độ khác nhau

17. Hình 2.5 Độ bền thấm khí phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian đóng rắn

18. Hình 2.6. Sơ đồ tạo pha khoáng mới của xi măng trám

19 . Hình 2.7 .Độ bền nén phụ thuộc vào cỡ hạt ở nhiệt độ khác nhau

20 . Hình 2.8. Độ thấm phụ thuộc vào cỡ hạt ở nhiệt độ khác nhau

21. Hình 2.9. Độ bền của đá xi măng phụ thuộc vào hàm lượng SSA-1 22. Hình 2.10. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,905 g/cm3 23. Hình 2.11. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04 g/cm3 24. Hình 2.12. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,905 g/cm3 25. Hình 2.13. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04 g/cm3

26 . Hình 3.1. Biểu đồ grad pv, grad pnv bể Nam Côn Sơn

27 . Hình 3.2. Khối lượng riêng vữa theo tỷ lệ Nước/ Xi măng

28 . Hình 3.3. Máy đo độ quánh Fann 290 HPHT 30. Hình 3.4. Thời gian quánh của vữa XM ở 1250C, áp suất 67 MPa.

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

vii

31. Hình 3.5. Thời gian quánh của vữa XM ở 1350C và áp suất 66,59 MPa 32. Hình 3.6. Thời gian quánh của vữa XM ở 1400C và áp suất 75,80 MPa 33. Hình 3.7. Thời gian quánh của vữa XM ở 1770C và áp suất 93,1 MPa 34. Hình 3.8. Thời gian quánh của vữa XM ở 1500C và áp suất 88,88 MPa 35. Hình 3.9. Thời gian quánh của vữa XM ở 1550C và áp suất 84,68 MPa 36. Hình 3.10. Thời gian quánh của vữa XM ở 1770C và áp suất 103,4 MPa 37. Hình 3.11. Thiết bị xác định độ bền nén bằng siêu âm UCA

38. Hình 3.12. Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị UCA 39. Hình 3.13. Độ bền nén của vữa XM ở 1700C và áp suất 20,67 MPa. 40. Hình 3.14. Độ bền nén của đá XM ở 155oC và áp suất 20,67 MPa. 41. Hình 3.15. Độ bền nén của đá XM ở 155oC và áp suất 20,67 MPa. 42. Hình 3.16. Độ bền nén của đá XM ở 170oC và áp suất 20,67 MPa. 43. Hình 3.17. Độ bền nén của đá XM ở 177oC và áp suất 93,10 MPa 44. Hình 3.18. Độ bền nén của đá XM ở 180oC và áp suất 20,67 MPa. 45. Hình 3.19. Độ bền nén của đá XM ở 190oC và áp suất 103,4 MPa. 46. Hình 3.20. Mẫu lõi xi măng theo đơn pha chế 1

47 . Hình 3.21. Mẫu lõi xi măng theo đơn pha chế 2

48 . Hình 3.22. Thiết bị đo các tính chất cơ học của đá xi măng MPRO

49 . Hình 3.23. Đồ thị các thông số đàn hồi của của đá xi măng

50 . Hình 3.24. Máy đo độ rỗng của đá xi măng.

51 . Hình 3.25. Máy đo độ thấm của đá xi măng

52 . Hình 4.1. Cấu trúc giếng khoan lô 05 bể Nam Côn Sơn

53 . Hình 4.2. Cấu trúc giếng khoan

54 . Hình 4.3. Hệ xi măng bền nhiệt cho điều kiện bể Nam Côn Sơn

56 . Hình 4.4. Biểu đồ CBL, VDL giếng khoan

viii

Phụ lục 1: Tổng hợp các kết quả thí nghiệm về sự ảnh hưởng của HPHT đến thời gian

quánh của hệ vữa trám giếng khoan

Phụ lục 2: Đơn pha chế cho thí nghiệm độ quánh ở nhiệt độ 375oF Phụ lục 3: Kết qua đo thời quánh của vữa tại 375oF Phụ lục 4: Đơn pha chế vữa xi măng số 1

Phụ lục 5: Kết quả đo thời gian quánh và độ bền nén đơn pha chế số 1

Phụ lục 6. Đơn pha chế vữa xi măng số 2

Phụ lục 7: Kết quả đo thời gian quánh và độ bền nén đơn pha chế số 2

Phụ lục 8: Đơn pha chế với chất làm nặng là Hi-Dense 4

Phụ lục 9: Đơn pha chế với chất làm nặng là Barite

Phụ lục 10: So sánh sự suy giảm xi măng khi dùng SSA-1 Silica Flour và Coarse Silica

PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Tiềm năng dầu khí của bể Nam Côn Sơn tới nay đã phát hiện khoảng

215 triệu tấn quy dầu (khí chiếm ưu thế), tiềm năng chưa phát hiện của bể

Nam Côn Sơn khoảng 60 triệu tấn quy dầu (chủ yếu là khí), chiếm hơn 40%

trữ lượng tiềm năng còn lại của thềm lục địa Việt Nam. Trong giai đoạn tới,

phần lớn gia tăng trữ lượng sẽ phải dựa vào tài nguyên của bể Nam Côn Sơn,

đây là bể có triển vọng và có tiềm năng dầu khí lớn đứng thứ 2 của Việt Nam

sau bể Cửu Long và chứa khí nhiều hơn dầu.

Công tác tìm kiếm thăm dò dầu khí tại bể Nam Côn Sơn đã bắt đầu từ

những năm 1970 của thể kỷ trước. Trải qua 40 năm, đến nay trên 150 giếng

khoan thăm dò, thẩm lượng và phát triển khai thác đã được thi công tại khu

vực này.

Bể Nam Côn Sơn có các điều kiện địa chất - kỹ thuật phức tạp, nước

sâu, đặc biệt tại khu vực Đông - Bắc của bể xuất hiện các tầng chứa có nhiệt độ cao và áp suất cao, gradien địa nhiệt bằng 40C/100m, hệ số áp suất dị thường đạt 1,7-2,0.

Tại bể Nam Côn Sơn, trong quá trình bơm trám xi măng, đã xảy ra sự

cố nghiêm trọng, vữa xi măng trám không ép được vào không gian vành

xuyến ngoài cột ống mà ngưng kết ngay trong cột ống khai thác. Nghiêm

trọng nhất là sự cố trám xi măng cột ống chống 7 5/8”, vữa xi măng không thể

ép ra ngoài vành xuyến, toàn bộ lượng xi măng nằm trong ống chống từ

1.743m - 4.510m. Ngoài ra, chất lượng gắn kết của vành đá xi măng với cột

ống chống và với thành hệ địa chất trong một số giếng khoan đạt tỉ lệ thấp.

Những sự cố trên đã ảnh hưởng đến chất lượng thi công giếng, tốn kém thời

gian và vật tư thiết bị, giảm tuổi thọ của giếng, tiềm ẩn nguy cơ xâm nhập khí

- một trong những dạng phức tạp nguy hiểm nhất và phổ biến nhất, thường

dẫn đến sự cố nghiêm trọng,

Một trong những nguyên nhân làm giảm chất lượng trám xi măng là

thiết kế đơn pha chế vữa xi măng trám chưa hợp lý, thiếu các phụ gia chuyên

dụng, và công thức pha chế chưa phù hợp đối với điều kiện áp suất cao nhiệt

độ cao.

Trong thời gian tới, một số cấu tạo nằm trong khu vực có nhiệt độ cao

và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn như Hải Thạch - Mộc Tinh, Thiên Ưng -

Mãng Cầu, Đại Nguyệt - Sao Vàng sẽ tiến hành phát triển khai thác. Vì vậy,

việc phân tích và đánh giá hiệu quả công tác bơm trám xi măng các giếng

khoan đã thi công và tiến hành nghiên cứu thiết kế một hệ vữa xi măng trám

giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn, góp

phần nâng cao hiệu quả và chất lượng công tác trám xi măng là một trong

những công đoạn quyết định đến việc thi công các giếng khoan khai thác dầu

khí, là nhiệm vụ cấp thiết, với ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn phục vụ cho

chiến lược thăm dò khai thác dầu khí tại bể Nam Côn Sơn.

2. Mục đích, yêu cầu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu thiết kế (lập đơn pha chế) hệ vữa xi măng để trám các

giếng khoan thăm dò khai thác trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam

Côn Sơn - thềm lục địa Việt Nam, bảo đảm chất lượng trám giếng khoan,

nâng cao độ ổn định của giếng, an toàn và tuổi thọ các giếng khai thác.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là lựa chọn xi măng nền, phụ gia ổn

định độ bền của xi măng, chất làm nặng và các phụ gia hoá chất để lập đơn

pha chế và xác định các thông số công nghệ của vữa xi măng để trám xi măng

cho khoảng không vành xuyến giữa cột ống chống khai thác 5½” trong giếng

khoan và hệ tầng chứa vỉa sản phẩm có nhiệt độ đến 1800C và gradien áp suất vỉa 2MPa/100m tại bể Nam Côn Sơn.

4. Các nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

- Tổng hợp và phân tích các đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam

Côn Sơn và phân tích ảnh hưởng đến các tính chất lý - hoá và cơ tính của vữa

xi măng trám giếng khoan; các biện pháp chống sư suy giảm độ bền và giảm

độ thấm của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ cao tại bể Nam Côn Sơn.

- Thiết kế hệ xi măng ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao và có khối

lượng riêng cao để trám trong điều kiện áp suất dị thường cao; xác định một

số tính chất của vữa và các tính chất cơ học (độ bền nén, modun đàn hồi, hệ

số Poisson, độ thấm) của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.

- Lựa chọn (phẩm chất, đặc tính công nghệ) các phụ gia chuyên dụng; lập

công thức (thành phần, hàm lượng) đơn pha chế vữa xi măng, xác định các

thông số công nghệ của vữa trám cho cột ống chống khai thác đường kính

5½” trong khoảng chiều sâu nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn;

kiểm tra, đánh giá chất lượng trám giếng khoan theo các biểu đồ CBL, VDL.

5. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế đơn pha chế vữa xi măng trám giếng khoan có

nhiệt độ và áp suất cao trong điều kiện bể Nam Côn Sơn tiến hành theo 3

bước:

a. Phương pháp thư mục: Tổng hợp, phân tích tài liệu về xi măng giếng

khoan nhiệt độ và áp suất cao các mỏ dầu khí trên thế giới. Tổng hợp và đánh

gia kết quả bơm trám XM các giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn.

b. Phương pháp thí nghiệm: Xác định các tính chất của vữa và đá xi

măng trám theo các Tiêu chuẩn API, xác định các tính chất của vữa bằng

phương pháp không phá hủy trên các thiết bị thí nghiệm hiện đại UCA,

MPRO - mô phỏng điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao trong giếng khoan

và theo thời gian thực.

c. Thử nghiệm công nghiệp: Áp dụng thử nghiệm kết quả nghiên cứu vào

đơn pha chế xi măng trám cột ống chống khai thác giếng khoan tại bể Nam

Côn Sơn và phân tích, đánh giá hiệu quả trám xi măng giếng khoan bằng đo

địa vật lý giếng CBL, VDL.

6. Những đóng góp mới của luận án

 Đã tổng kết các đặc điểm áp suất cao nhiệt độ cao bể Nam Côn Sơn,

thành lập bảng phân cấp áp suất cao nhiệt độ cao cho bể Nam Côn Sơn, phân

tích và chỉ rõ ảnh hưởng của điều kiện áp suất nhiệt độ cao đến công tác bơm

trám xi măng và hiệu quả xây dựng giếng khoan, làm cơ sở cho việc lựa chọn

xác định công thức pha chế vữa xi măng

 Nghiên cứu các tính chất công nghệ của vữa và các tính chất cơ học đá

xi măng (độ bền nén, modun Young, hệ số Poisson) trên các thiết bị UCA và

MPRO, cho phép mô phỏng các điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao và theo

thời gian thực trong các điều kiện ở giếng khoan bể Nam Côn Sơn. Đưa ra cơ

sở lý thuyết để lựa chọn thành phần và thí nghiệm về nâng cao tính chất chịu

nhiệt của hệ xi măng cho điều kiện trám các giếng khoan nhiệt độ cao bể Nam

Côn Sơn khi sử dụng phụ gia là silica nghiền.

 Đề xuất công thức và thành phần đơn pha chế bơm trám và xác định các

thông số công nghệ của vữa dựa trên tổng kết kinh nghiệm thi công các giếng

khoan, các kết quả thí nghiệm, để trám xi măng cho các giếng khai thác với

cấp ống khai thác 5½” trong khoảng nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn

Sơn và áp dụng vào một số giếng khoan khác, cải thiện được chất lượng trám

giếng khoan.

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

 Các kết quả nghiên cứu dựa trên lý thuyết về sự biến đổi tính chất hóa

lý và tái kết tinh của xi măng dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất cao, đề

xuất biện pháp chống sự suy thoái độ bền và giảm độ thấm của xi măng.

 Đơn pha chế đã được kiểm chứng và có tính thực tiễn cao, góp phần

vào việc nâng cao chất lượng bơm trám, bảo đảm độ dâng của vữa theo thiết

kế, nâng cao chất lượng gắn kết của đá xi măng giữa ống chống với thành hệ

trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn.

8. Những luận điểm khoa học

Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn, các yêu

cầu có tính quyết định của vữa xi măng phải bảo đảm ngăn ngừa sự suy thoái

độ bền của đá dưới tác động của nhiệt độ cao và khối lượng riêng của vữa

phải tương đối cao để điều hòa áp suất dị thường cao.

 Tại bể Nam Côn Sơn, nhiệt độ tĩnh trong giếng đạt 149-1800C và áp suất vỉa đạt 72,35 MPa, khi sử dụng xi măng mác G làm xi măng nền, nhất

thiết phải bổ sung phụ gia bền nhiệt silica SSA-1 (silica nghiền) để duy trì

thời gian quánh tối ưu, chống suy giảm độ bền, giảm độ thấm, cải thiện

modun Young và hệ số Poisson tối ưu. Phụ gia SSA-1 có tác dụng hóa học

với xi măng ở nhiệt độ cao, có tính tương thích với các phụ gia chậm ngưng

kết, phụ gia giảm ma sát, phụ gia giảm độ thải nước và phụ gia làm nặng.

 Trong điều kiện bể Nam Côn Sơn, trong các điều kiện áp suất vỉa dị

thường cao đồng thời nhiệt độ cao, yêu cầu áp suất thủy tĩnh của vữa xi măng

trám tương đối cao để cân bằng áp suất vỉa. Để đạt khối lượng riêng vữa trong khoảng từ 2,01g/cm3 đến 2,22g/cm3, chọn các phụ gia làm nặng Hi-Dense 4

với hàm lượng 40% và phụ gia làm nặng MicroMax với hàm lượng 25% là

hợp lý, đồng thời thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng khác như thời gian quánh,

các tính chất cơ học của đá xi măng.

9. Cơ sở tài liệu khoa học của luận án

Luận án được hình thành trên cơ sở các tài liệu:

- Báo cáo tổng kết nhiệm vụ nghiên cứu khoa học cấp Ngành: “Tổng kết

và đánh giá công tác bơm trám xi măng cho các giếng khoan có nhiệt độ và

áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn”, Mã số 01/KKT/2012/HD-NCKH.

- Báo cáo kết thúc giếng khoan: 05-3-MT-2X; 05-3-MT-6P; 05-3-MT-

1P; 05-3-MT-3P; 05-2-HT-1P; 05-2-6P; 05-1c-DN-2X, 05-1c-DN-1X.

- Các kết quả thí nghiệm về vữa xi măng tại Phòng thí nghiệm

Halliburton Vũng Tàu, Halliburton Pune (Ấn Độ).

10. Bố cục của luận án

Luận án gồm: Mở đầu, 04 chương chính, kết luận và kiến nghị, các phụ

lục, danh mục tài liệu tham khảo và các công trình khoa học. Toàn bộ nội

dung luận án được trình bày trong 119 trang A4, với 56 hình vẽ, 15 biểu bảng,

10 phụ lục, 13 danh mục các công trình khoa học của NCS đã công bố và 53

đầu mục tài liệu tham khảo.

11. Lời cảm ơn

Luận án được thực hiện tại Bộ môn Khoan - Khai thác, Trường Đại học

Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn trực tiếp của NGƯT.PGS.TS Trần Đình

Kiên và TS. Nguyễn Hữu Chinh.

Trong quá trình nghiên cứu và viết báo cáo, NCS thường xuyên nhận

được sự giúp đỡ nhiệt tình của các cán bộ giảng dạy thuộc Bộ môn Khoan -

Khai thác cùng với sự quan tâm khích lệ của tập thể cán bộ Phòng Đào tạo

sau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Sự sâu sát, cụ thể và góp những ý

kiến quý báu về bố cục, hình thức và nội dung luận án đã tạo cơ sở quan trọng

cho NCS hoàn thành luận án đúng hạn và chất lượng hơn.

Tác giả xin tỏ lỏng biết ơn vì nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các

chuyên gia Viện NCKH&TK Dầu khí biển - VietSovPetro; các cán bộ Phòng

thí nghiệm Xi măng của các Công ty Halliburton, Schlumberger, BJ Services

đã tạo điều kiện cho tác giả tiến hành các thí nghiệm.

Tác giả tỏ lòng cảm ơn Lãnh đạo Tập đoàn Dầu khí Việt Nam, Ban Tìm

kiếm Thăm dò Dầu khí - Tập đoàn Dầu khí Việt Nam, Công ty Điều hành Dầu

khí Biển Đông (Biển Đông POC), Công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí trong

nước (PVEP POC), Công ty Idemitsu Vietnam, các Ban và Phòng chức năng

thuộc Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam, Viện Dầu khí Việt Nam.

Tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo, các cơ quan và đồng

nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên và cổ vũ cho tác giả trong quá

trình triển khai thực hiện luận án tiến sĩ.

Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành cảm ơn những người

thân trong gia đình đã khích lệ, động viên và là nguồn động lực rất lớn để tác

giả yên tâm triển khai công tác nghiên cứu của mình. Nếu không có sự quan

tâm, khích lệ và động viên của gia đình, chắc chắn tác giả không thể hoàn

thành được bản luận án này.

Chương 1. ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO TẠI BỂ NAM CÔN SƠN VÀ ẢNH HƯỞNG ĐỐI VỚI CÔNG TÁC TRÁM XI MĂNG GIẾNG KHOAN

1.1 Đặc điểm địa tầng và trầm tích bể Nam Côn Sơn

Bể Nam Nam Côn Sơn (hình 1.1) có diện tích gần 100.000km2. Ranh giới phía bắc của bể là đới nâng Côn Sơn, phía Tây và Nam là đới nâng

Khorat - Natuna, về phía Đông là bể Tư Chính - Vũng Mây và phía Đông -

Bắc là bể Phú Khánh. Độ sâu nước biển trong phạm vi của bể này thay đổi rất

lớn, từ vài chục mét ở phía Tây đến hơn 1.000m ở phía Đông [4,7].

Hình 1.1. Sơ đồ bể Nam Côn Sơn

Trên cơ sở các thông số về chiều dày, thành phần và sự phân bố trầm

tích, địa tầng, trầm tích của bể Nam Côn Sơn có thể chia như sau (hình 1.2).

Thành tạo trước Kainozoi

Ở bể Nam Côn Sơn gặp đá móng không đồng nhất bao gồm: granit,

granodiorit, diorit và đá biến chất, tuổi của các thành tạo này có thể là Jura

muộn - Creta. Nằm không chỉnh hợp trên móng là lớp phù trầm tích Paleogen

- Đệ Tứ có chiều dày biến đổi từ hàng trăm đến hàng nghìn mét.

Các thành tạo Kainozoi

- Hệ tầng Cau (E3c - Paleogen, Oligocen) bao gồm chủ yếu các lớp cát

kết có màu xám xen các lớp sét bột kết. Cát kết thạch anh hạt thô đến mịn.

Chiều dày trung bình khoảng 360m. Mặt cắt hệ tầng Cau có nơi có thể đến

hàng nghìn mét, gồm phần dưới: cát kết hạt mịn đến thô, sạn kết, cuội kết, có

chứa các mảnh vụn than; phần giữa chủ yếu là các thành phần hạt mịn các tập

sét kết; phần trên, gồm cát kết hạt nhỏ, xen kẽ bột kết, sét kết.

Đặc điểm trầm tích chứng tỏ hệ tầng Cau được hình thành trong giai đoạn

đầu tạo bể. Hệ tầng Cau phủ không chỉnh hợp trên móng trước Đệ Tam và

được định tuổi là Oligocen.

- Hệ tầng Dừa (N1

1d - Neogen, Miocen dưới) phân bố rộng rãi trong bể Nam Côn Sơn bao gồm chủ yếu cát kết, bột kết màu xám sáng, xen kẽ với sét

kết. Các trầm tích hầu như mới bị biến đổi thứ sinh ở mức độ thấp. Vì vậy,

đặc tính thấm và chứa nguyên sinh của đá chứa rất bị ảnh hưởng. Một số tập

cát kết của hệ tầng được coi là tầng chứa trung bình đến tốt với độ rỗng thay

đổi từ 17÷23% và độ thấm từ vài chục mD đến vài trăm mD. Trầm tích hệ

tầng Dừa được thành tạo trong điều kiện địa hình cổ gần như bằng phẳng

hoặc có phân cắt không đáng kể. Chiều dày của hệ tầng Dừa thay đổi từ

200÷800m, cá biệt có nơi dày tới 1.000m.

- Hệ tầng Thông – Mãng Cầu (N1

2 tmc), Miocen giữa - phân bố rộng khắp bể Nam Côn Sơn. Mặt cắt của hệ tầng có thể chia làm hai phần chính:

phần dưới là cát kết, thạch anh hạt mịn đến trung; phần trên là sự xen kẽ giữa

các lớp đá có màu xám sáng hoặc màu sữa với các lớp sét, bột kết, cát kết.

Các trầm tích lục nguyên, lục nguyên chứa vôi phát triển mạnh dần về phía rìa

Bắc và phía Tây - Tây

Nam của bể. Trầm tích của hệ Thông - Mãng Cầu mới bị biến đổi thứ sinh

nên các tập cát kết có khả năng chứa tốt. Đá carbonat phát triển khá rộng rãi,

đặc biệt tại các lô 04, 05, 06…Trầm tích của hệ tầng Thông - Mãng Cầu được

thành tạo trong môi trường đồng bằng châu thổ chủ yếu ở phía Tây. Chiều

dày trầm tích thay đổi từ vài mét đến vài trăm mét và nằm chỉnh hợp trên hệ

tầng Dừa.

- Hệ tầng Nam Côn Sơn (N1

3 ncs) - Miocen trên, phân bố rộng rãi với tướng đá thay đổi mạnh các khu vực khác nhau. Ở rìa phía Bắc và Tây - Tây

Nam trầm tích chủ yếu là lục nguyên, gồm sét kết, sét vôi. Cát kết có độ lựa

chọn và mài tròn tốt. Ở vùng Trung tâm bể, mặt cắt gồm có các trầm tích lục

nguyên và carbonat xen kẽ. Hệ tầng Nam Côn Sơn có bề dày 200÷600m và

nằm bất chỉnh hợp trên hệ tầng Thông - Mãng Cầu.

- Hệ tầng Biển Đông (N2 - Qbd) - Pliocen - Đệ Tứ, không chỉ phân bố

trong bể Nam Côn Sơn mà trong toàn khu vực Biển Đông liên quan đến biển

tiến Pliocen. Trầm tích Pliocen gồm cát kết lẫn sét kết nhiều vôi chứa nhiều

gluconit. Trầm tích Đệ Tứ gồm cát gắn kết yếu, xen kẽ với sét và bùn chứa

nhiều di tích sinh vật biển. Hệ tầng Biển Đông thay đổi rất lớn từ vài trăm mét

đến vài nghìn mét, nằm bất chỉnh hợp trên hệ tầng Nam Côn Sơn.

Các tích tụ hydrocacbon

Ở bể Nam Côn Sơn, dầu khí được phát hiện đầu tiên tại giếng khoan

Dừa-1X vào năm 1975. Tập đoàn Dầu khí Việt Nam đã đưa được 3 mỏ vào

khai thác: mỏ dầu khí Đại Hùng, các mỏ khí Lan Tây và Lan Đỏ. Đang phát

triển để đưa vào khai thác mỏ khí Rồng Đôi - Rồng Đôi Tây, Hải Thạch, Mộc

Tinh…Dầu và khí được phát hiện trong tất cả các đối tượng: Móng nứt nẻ

trước Đệ Tam, cát kết tuổi Oligocen, cát kết tuổi Miocen. Ở bể Nam Côn Sơn,

chiều sâu của vỉa dầu khí trong trầm tích Đệ Tam đạt đến chiều sâu 4.600 m,

là chiều sâu lớn nhất phát hiện dầu khí trên thềm lục địa Việt Nam hiện nay.

Hình 1.2. Cột địa tầng tổng hợp bể Nam Côn Sơn

1.2 Đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn

1.2.1. Khái niệm về nhiệt độ và áp suất cao.

Áp suất vỉa (áp suất lỗ rỗng) - một trong những thông số địa chất quan

trọng nhất, tạo ra trong lỗ rỗng vỉa đá có nước, dầu hoặc khí.

Áp suất vỉa được chia ra hai loại: Áp suất vỉa trung bình và áp suất vỉa

dị thường. Áp suất vỉa trung bình (thủy áp) là áp suất của chất lưu trong các

tầng chứa nước, khí và dầu, gần bằng áp suất thủy tĩnh quy ước và có trị số

bằng áp suất của cột nước nhạt theo chiều sâu thế nằm của tầng chứa. Áp suất

vỉa dị thường (địa áp suất) là dạng áp suất xuất hiện trong những vùng không

có sự liên thông trực tiếp các tầng gần nhau.

Áp suất chất lưu trong vỉa vượt quá áp suất bình thường (gần bằng áp

suất thủy tĩnh) đến 1,3-1,6 lần và có khi đạt đến trị số của áp suất mỏ gọi là áp

suất vỉa dị thường cao [48]. Áp suất vỉa dị thường cao có giá trị tuyệt đối

càng lớn khi càng xuống sâu. Áp suất vỉa cũng có thể thấp hơn áp suất thủy

tĩnh.

Tỉ số giữa áp suất vỉa pv với áp suất cột nước ngọt pn tại một chiều sâu . nhất định gọi là hệ số dị thường a = pv/ pn

Nhiệt độ vỉa – đặc tính địa chất, do trường nhiệt đặc trưng bởi sự tiến

hóa và cấu trúc khối đá. Gradien địa nhiệt thay đổi theo từng vùng, tùy thuộc

vào dòng nhiệt và độ dẫn nhiệt của đất đá.

Trong giếng khoan khai thác dầu khí, nhiệt độ vỉa phân ra: Nhiệt độ

tĩnh và nhiệt độ động. Nhiệt độ tĩnh là nhiệt độ của đất đá nguyên trạng; nhiệt

độ đáy gần bằng nhiệt độ tĩnh nếu như dung dịch khoan không tuần hoàn

trong thời gian 2-4 ngày đêm. Nhiệt độ động là nhiệt độ đo được trong quá

trình dung dịch tuần hoàn tại một chiều sâu nhất định trong giếng. Nhiệt độ

động trên đáy thường thấp hơn nhiệt độ tĩnh.

Trong ngành công nghiệp dầu khí, nhiệt độ và áp suất cao được phân

thành 3 cấp [14,31], như trên hình 1.3 và trên bảng 1.1.

Hình 1.3. Bảng phân cấp nhiệt độ và áp suất cao (theo Schlumberger)

Bảng 1.1. Bảng phân cấp nhiệt độ và áp suất cao (theo Halliburton, Baker Hughes)

Nhiệt độ trên đáy giếng

Áp suất trên đáy giếng

HPHT

> 69 MPa -103 MPa

> 1490C – 176 0C

Ex-HPHT

>103 MPa -138 MPa

1760C – 204 0C

Ultra HPHT

> 204 0C

> 138 MPa

Sự phân cấp như trên là căn cứ vào đặc tính kỹ thuật của các vòng đệm

đàn hồi tiêu chuẩn, các vật tư kỹ thuật và điều kiện vận hành thiết bị.

Khi nhiệt độ trên 2040C và áp suất trên 138MPa, các thiết bị điện tử đang sử dụng yêu cầu phải có các bộ phận bảo vệ nhiệt hoặc lắp thiết bị điện

tử trong hộp chân không.

Trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, điều đặc biệt quan trọng là

lựa chọn các vật liệu và phụ gia hoá chất phù hợp cho dung dịch và vữa xi

măng trám giếng khoan.

1.2.2. Nhiệt độ và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn

Tại bể Nam Côn Sơn, hiện tượng nhiệt độ và áp suất cao được phát

hiện trong khu vực trầm tích có bề dày thay đổi từ Tây sang Đông, chủ yếu ở

phía phụ đới Trung Tâm trong đới trũng phía Đông với bề dày trầm tích

Kainozoi từ 5.000 đến 14.000 m.

Đến nay đã có trên trên 150 giếng thăm dò, thẩm lượng và phát triển

khai thác qua các hệ tầng có tuổi từ Miocene - Oligocen đến Pliocen - Đệ Tứ.

Trong một số giếng khoan, gradien áp suất đạt đến 1,6 MPa/100 m (các giếng

04-3A-1X, 04-3-MC-2X,…; có những giếng khoan gradien áp suất đạt 1,9-

2,04 MPa/100 m (các giếng 04-1-ST-IX, 04-SDN-IX, 05-2-HT-1X) [8, 10].

Sự phân bố áp suất dị thường cao trong trầm tích Mioccen ở bể Nam

Côn Sơn được trình bày trên hình 1.4 và 1.5.

Hình 1.4. Sơ đồ áp suất dị thường trong trầm tích Miocene giữa và dưới

Hình 1.5. Sơ đồ áp suất dị thường trong trầm tích Miocene trên

Khu vực Tây Nam trầm tích Kainozoi có chiều dày từ 3.500 m tới

4.000 m ở trũng hẹp sâu kề đứt gãy Sông Hậu. Qua đó cho thấy nhiệt độ cao

chỉ bắt gặp ở khu vực Đông Bắc bể vì trầm tích ở đây lớn và bị chôn vùi sâu

hơn nên sẽ chịu nhiệt độ cao hơn còn ở phía Tây Nam bắt gặp ít vì trầm tích ở

đây không lớn . Điều này có thể giải thích cho hiện tượng dị thường áp suất

cao bắt gặp trong lô 04 và 05 bể Nam Côn Sơn nơi các tập sét dầy Pliocene

dầy đến hàng nghìn mét (>2.000 m) (hình 1.4, hình 1.5) và giá trị gradien

nhiệt độ đo được rất cao (hình 1.8). Quá trình sinh thành hydrocarbua cũng

gây nên sự mất cân bằng và cũng có thể là nguyên nhân gây nên dị thường áp

suất tại khu vực này, cụ thể nếu đá mẹ nằm ở bên dưới các tập trầm tích kết

rắn không cân bằng đủ khả năng sinh hydrocarbua sẽ tạo ra áp suất cao và

theo đặc điểm vật lý chúng sẽ di chuyển lên các tầng trên do chênh áp.

Hình 1.6. Biểu đồ phân bố áp suất vỉa các lô 04, 05

Hình 1.7. Biểu đồ phân bố áp suất nứt vỡ vỉa

Từ chiều sâu 2500m trở xuống xuất hiện đoạn áp suất tăng cao rất nhanh,

ngay bên dưới các đới đất đá tuổi Pliocen. Sự tồn tại khoảng chênh lệch giữa

gradient áp suất vỉa và gradient áp suất nứt vỉa rất bé trong đất đá Miocen.

Nguyên nhân gây ra dị thường áp suất và nhiệt độ cao như sự thiểu nén

ép trong trầm tích sét trẻ và chôn vùi nhanh, giãn nở tương đối của chất lưu

do nhiệt so với khung đá, sự mất nước của khoáng vật smectit ở độ sâu nhất

định, sự sinh thành dầu khí từ đá mẹ giàu Kerogen, chuyển động nén ép

ngang, hệ quả của việc thay đổi nồng độ muối [2,7,10].

Căn cứ vào cột địa tầng thực tế của các giếng khoan thuộc lô 04, 05,

sau khi có hiệu chỉnh chiều sâu mực nước biển, các giá trị nhiệt độ được vẽ

phân bố theo chiều sâu trên cùng một đồ thị (hình 1.8). Từ kết quả tính toán

cho thấy rằng, tại các tầng trầm tích trẻ như Pliocene và Miocene trên, giá trị gradien nhiệt độ chỉ ở mức thấp và trung bình, tương ứng là 2,190C/100m và 3,730C/100m. Tuy nhiên, bắt đầu từ tầng Miocene giữa trở xuống, nhiệt độ vỉa bắt đầu tăng mạnh với gradien là 4,270C/100 m và giá trị này còn cao hơn tại tầng Miocene dưới và Oligocene, lên tới 4,480C/100m. Tại tầng móng, gradien lại giảm xuống mức trung bình là 3,380C/100m.

Tại bể Nam Côn Sơn, đã phát hiện nhiệt độ cao tại 30 giếng, trong đó

tập trung trong địa tầng có tuổi Miocen giữa và Miocen sớm. Tại một số giếng khoan, nhiệt độ lên tới trên 1500C ngay tại tầng Miocene giữa như giếng 04-2-SB-1X (1630C tại chiều sâu 3.983m); giếng 04-2-HT-1X (1650C tại chiều sâu 3.748m). Trong các giếng 04-2-SB-IX, 04-2-NB-1X tại chiều sâu 3.800m đến 4.000m đã gặp nhiệt độ trên đáy giếng từ 1350C đến 1700C. Cá biệt, tại chiều sâu 4548m giếng 04-2-HT-1X, nhiệt độ vỉa lên tới 2100C).

(hình 1.8).

Hình 1.8. Biểu đồ phân bố nhiệt độ lô 04, 05

Đặc biệt, tại đây đã gặp những giếng đồng thời vừa áp suất cao vừa

nhiệt độ cao. Tại giếng 05-2-HT-2X, ở chiều sâu 3.740 m nhiệt độ trên đáy giếng là 1720C và áp suất vỉa 74MPa; tại giếng 05-1c-DN-2X-ST2, ở chiều sâu 4.245 m gặp nhiệt độ 1850C, áp suất trên đáy là 98,7 MPa, hoặc tại giếng 04-2-HT-1X ở chiều sâu 4.548 m nhiệt độ trên đáy là 2100C và áp suất vỉa 91MPa.

Trên cơ sở tổng hợp và nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ và áp suất bể

Nam Côn Sơn và căn cứ vào quy tắc phân loại chung, các điều kiện nhiệt độ

và áp suất cao bể Nam Côn Sơn có thể phân hai cấp (hình 9):

- Cấp 1: nhiệt độ và áp suất cao (nhiệt độ từ 1500C đến 1750C và áp suất

từ 69MPa đến 103MPa) và

- Cấp 2: nhiệt độ và áp suất rất cao (nhiệt độ từ 1750C đến 2000C và áp

suất từ 103MPa đến 138MPa).

Hình 1.9. Phân cấp nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn.

1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất cao đến các tính chất của vữa và đá xi măng.

Các thông số công nghệ chính của vữa xi măng trám giếng khoan là: độ

chảy tỏa, khối lượng riêng, chỉ số thải nước, ứng suất trượt động, độ nhớt cấu

trúc, độ ổn định lắng đọng, thời gian quánh, thời gian ngưng kết và một số chỉ

tiêu khác. Các tính chất của đá xi măng gồm có độ bền nén, độ thấm, sự biến

đổi thể tích, độ bền chống ăn mòn và mô đun đàn hồi và hệ số Poisson [3,5,

48].

Các tính chất của vữa và đá xi măng có thể thay đổi bằng cách bổ sung

chất độn, các phụ gia hóa học hoặc xử lý bằng các hóa chất.

Khối lượng riêng của vữa xi măng là một trong những đặc tính quan

trọng nhất của vữa và là chỉ tiêu duy nhất để đánh giá chất lượng quyết định

trong quá trình pha trộn và bơm ép vào giếng khoan. Khối lượng riêng vữa

phụ thuộc vào khối lượng riêng của các vật liệu khô, phụ gia và chất lỏng pha

trộn cũng như tỉ lệ N/XM. Đối với xi măng tiêu chuẩn, với tỉ lệ N/XM = 0,5 thì khối lượng riêng của vữa đạt đến 1,81 - 1,85 g/cm3.

Khi khoan các giếng gặp các vỉa có áp suất dị thường cao yêu cầu áp

suất thủy tĩnh của vữa xi măng phải đủ lớn để cân bằng với áp suất của vỉa,

nhưng đồng thời không gây ra nứt vỡ vỉa và mất dung dịch [48,52].

Để kiểm soát sự xuất hiện dầu khí trong giếng, quan hệ giữa áp suất

thủy tĩnh, áp suất vỉa, khối lượng riêng của vữa và áp suất nứt vỉa thủy lực

như trong phương trình:

(1.1) pv ≤ gh ≤ pnv

Trong đó pv - áp suất vỉa (Pa);  - khối lượng riêng của vữa (kg/m3); h - vị trí chiều chiều sâu vỉa (m); g - gia tốc trong lực (9,8m/s2); pnv - áp suất nứt

thủy lực vỉa (Pa).

Trong điều kiện các giếng có áp suất dị thường cao, để nâng cao khối

lượng riêng vữa thường bổ sung chất làm nặng. Yêu cầu đối với các chất làm

nặng là để đạt khối lượng riêng của vữa cực đại cần có hàm lượng pha rắn tối

ưu và duy trì được các tính chất cấu trúc, độ thấm của vữa và đá xi măng.

Khi áp suất thủy tĩnh của cột vữa trám lớn hơn áp suất nứt vỉa sẽ tạo ra

các khe nứt cho vữa xâm nhập vào các tầng chứa sản phẩm. Trong thực tế,

kích thước khe nứt gây ra sự xâm nhập vữa trong khoảng 0,1-1 mm [38]. Hậu

quả của sự xâm nhập của vữa là: lấp bít tầng chứa sản phẩm, gây sự phun trào

do sự giảm áp suất thủy tĩnh lên tầng không thấm, tạo hang hốc trên thành

giếng [12].

Thời gian quánh là thời gian tính từ lúc bắt đầu trộn xi măng với nước

tới thời điểm vữa đạt được độ quánh quy định - khả năng của vữa xi măng tạo

cấu trúc. Độ quánh còn gọi là độ nhớt hiệu dụng [38,50].

Thời gian quánh là chỉ tiêu công nghệ quan trong khi thiết kế đơn pha

chế. Yêu cầu là vữa không được quánh và đóng rắn trước thời hạn thực hiện

quá trình công nghệ bơm ép. Ngược lại sẽ xảy ra sự cố xi măng đóng rắn khi

vẫn còn trong cột ống.

Khi nhiệt độ và áp suất trong giếng cao sẽ làm tăng vận tốc thủy hóa xi

măng và đẩy nhanh sự ngưng kết vữa xi măng, vì vậy cần phải sử dụng phụ

gia làm chậm ngưng kết.

Xác định thời gian quánh tương ứng với các yêu cầu tiêu chuẩn API/

ISO được sử dụng consistometer chịu áp suất [6,53].

Các tính chất lưu biến của vữa xi măng - So với các hệ dung dịch

khác(dung dịch sét, đất, v.v…) vữa xi măng là hệ rất phức tạp bởi vì các quá

trình tạo cấu trúc chủ yếu là các quá trình hóa học, liên tục thay đổi thành

phần và nồng độ các chất.

Nghiên cứu sự biến đổi tính chất lưu biến của vữa xi măng cho phép xác

định gần đúng tổn thất thủy lực khi vữa xi măng chuyển động trong không

gian vành xuyến cột ống chống, xác định chế độ để cho dòng chảy của vữa

trong không gian vành xuyến là chế độ chảy rối. Nhiệt độ đóng vai trò quan

trọng trong sự phát triển các quá trình hóa-lý trong vữa xi măng, có ảnh

hưởng lớn đến tính chất của sản phẩm mới, cuối cùng là độ nhớt của vữa.

Nhiệt độ tăng lên có hiệu ứng kép: 1) đẩy mạnh thủy hóa, thủy phân và tạo ra

cấu trúc gel và tinh thể và 2) giảm độ nhớt của pha nước cũng như lực tương

tác giữa các phân tử dẫn đến phá vỡ sự tiếp xúc đông tụ giữa các hạt [13, 52].

Phân tích phần lớn các đợt trám giếng không thành công yêu cầu phải

xác định độ nhớt và ứng suất trượt động. Để xác định độ nhớt và ứng suất

trượt động trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao được sử dụng máy đo độ

nhớt….

Nhiều công trình nghiên cứu [27,47,52] cho thấy: Nhiệt độ và áp suất

trên đáy giếng tăng cao sẽ đẩy nhanh chuyển động nhiệt của các ion, làm tăng

bề dày lớp điện thế kép làm giảm độ nhớt, ảnh hưởng đến tính chất lưu biến

của vữa và tăng độ thải nước của vữa xi măng. Nhiệt độ và áp suất cao đẩy

nhanh quá trình thủy hóa, làm thay đổi độ hòa tan các pha rắn trong pha lỏng,

từ đó ảnh hưởng đến mức độ và cơ chế bão hòa. Khi nhiệt độ tăng cao sẽ làm

biến đổi thành phần pha các sản phẩm thủy hóa của xi măng.

Nhiệt độ và áp suất trên đáy tăng cao sẽ rút ngắn thời gian ngưng kết

của vữa xi măng (hình 1.10). Áp suất cũng có tác dụng đến quá trình ngưng

kết, nhưng hiệu quả tác động thấp. Tăng nhiệt độ và áp suất đồng thời sẽ rút

ngắn nhiều thời gian ngưng kết của vữa xi măng so với từng yếu tố riêng lẻ.

Hình 1.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến thời gian ngưng kết [48]

Vữa xi măng sử dụng để trám giếng thường có hàm lượng nước cao.

Khi chuyển dịch đi lên trong khoảng không vành xuyến, pha lỏng thoát ra

xâm nhập vào vùng đá thấm trên thân giếng. Nước trong vữa thoát ra ảnh

hưởng đến độ linh động của vữa xi măng, làm cho độ quánh, độ ngưng kết

không ổn định, do đó xi măng không dâng lên đến chiều cao quy định.

Để tiến hành thí nghiệm trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

tương ứng với tiêu chuẩn API, sử dụng máy đo độ nhớt áp suất cao nhiệt độ

cao. Máy đo cho phép làm việc trong chế độ tự động tiến hành thí nghiệm vữa

xi măng, hoàn thành phân tích liên tục, tính hệ số liên kết và các thông số lưu

biến theo các mô hình như xác định độ nhớt và ứng suất trượt động [53].

Ứng suất trượt tĩnh -Sau khi xi măng được bơm vào và lấp đầy khoảng

KGVX, trong vữa bắt đầu tạo cấu trúc và quá trình ngưng kết xi măng phát

triển.

Vì vậy, việc xác định ứng suất trượt tĩnh trong cả giai đoạn từ trạng thái

lỏng qua trạng thái rắn có ý nghĩa quan trọng để tính ứng suất trượt trên thành

giếng. Ứng suất trượt tĩnh có thể dựa vào biểu thức rút gọn dưới đây để tính

)

sự giảm áp suất thủy tĩnh khi vữa xi măng tạo cấu trúc.

(  dD L 4

(1.2) SGS = P

Trong đó: SGS - ứng suất trượt tĩnh; P - độ thay đổi áp suất thủy tĩnh

theo chiều sâu thân giếng; D - đường kính giếng khoan; d - đường kính ngoài

ống chống; L - chiều dài cột xi măng,

Độ thải nước (chỉ số thấm lọc) – dưới tác động của sự chênh áp trong

vữa xi măng xảy ra quá trình phân ly nước. Vận tốc thấm lọc phụ thuộc nhiều

vào tỉ lệ N/XM: nó tỉ lệ nghịch với bình phương tỉ bề mặt của xi măng (độ

mịn), số lượng chất phụ gia và độ nhớt của pha lỏng của vữa xi măng. Do độ

thấm lọc cao vữa xi măng sẽ càng nhớt hơn, khó bơm hơn, thời gian ngưng

kết của nó được nhanh hơn; vì vậy sự thành tạo màng xi măng dày có thể gây

ra kẹt cột ống chống trong khi dạo cột ống. Sự mất nước không những làm

thay đổi tính chất của vữa, mà còn gây hiện tượng nhiễm bẩn vỉa có hại đến

tính chất thấm chứa và công tác gọi dòng.

Độ thải nước của vữa xi măng - một trong những tính chất quan trọng

của vữa xi măng - độ ổn định lắng đọng, đặc trưng cho tính lắng nước. Kết

quả của tính không ổn định là sự tách lớp, tạo thành vùng nước và vữa, tính

không liên tục của đá xi măng trong khoảng không ngoài ống trong giếng [17,

51].

Ở nhiệt độ không đổi và tăng độ chênh áp suất dưới 5MPa độ thải nước

của vữa xi măng tăng lên. Nhiệt độ ảnh hưởng đến vận tốc độ thải nước, thay

đổi độ nhớt của nước và tốc độ thủy hóa. Vì vậy, tốc độ của độ thải nước cần

phải tăng lên theo mức độ gia tăng của nhiệt độ, so với độ thải nước giảm do tăng tốc độ thủy hóa xi măng. Tăng nhiệt độ từ 20 đến 2500C tốc độ của độ thải nước của nhiều xi măng thường tăng lên [53].

Độ co ngót (shrinkage) của xi măng là một tính chất tự nhiên xảy ra

trong quá trình ngưng kết lý-hóa và đóng rắn xi măng thể hiện sự giảm thể

tích ngoài của xi măng đóng rắn [15, 21, 41].

Đối với xi măng trám giếng khoan khi vữa còn ở trạng lỏng, nó có hình

dạng và kích thước của khoảng không vành xuyến giếng. Vì vậy, để gia cố

vững chắc các cột ống chống và bịt kín vành xuyến giếng khoan, yêu cầu

trước tiên là sau khi đóng rắn kích thước xi măng không co ngót, nếu xi măng

co ngót sẽ tạo ra các khe hở giữa các cột ống và xi măng thành kênh cho khí

xâm nhập vào không gian vành xuyến.

Trong công nghiệp dầu khí hiện nay thường sử dụng chỉ tiêu “co ngót

hóa học” [16, 21, 26, 30, 33, 40] để mô tả quá trình hydrat hóa xi măng làm

giảm thể tích tuyệt đối của matrix xi măng. Độ co ngót hóa học chủ yếu bao

gồm các loại lỗ rỗng, đồng thời nước bị giữ trong lỗ rỗng và các mao mạch.

Một khoảng không được tạo ra do co ngót, xuất hiện khi thể tích của pha

hydrat thường nhỏ hơn thể tích của các vật liệu ban đầu tham gia giữa chúng

vào phản ứng. Tổng co ngót này được chia giữa co ngót thể tích ngoài - dưới

1% và độ nén khung trong là từ 4 đến 6% thể tích của vữa xi măng.

Sau khi ngưng kết, co rút làm tăng tổng thể tích các lỗ rỗng bên trong

của cấu trúc đá xi măng. Thể hiện bên ngoài của hiệu ứng co rút là sự phát

triển sức căng trên bề mặt đá xi măng đóng rắn, từ đó có thể hút nước, dầu,

khí tiếp xúc với đá xi măng. Đó chính là một trong những nguyên nhân khí

xâm nhập và chất lưu liên thông giữa các vỉa.

Co ngót hoá học xi măng được chia thành hai phần: co ngót ngoài và

co ngót toàn phần.

Co ngót hóa học toàn phần là tổng của co ngót ngoài và co ngót các lỗ

rỗng của vữa (co ngót trong). Sự hình thành của các lỗ rỗng co rút tạo ra sự

liên thông giữa các lỗ rỗng khi xi măng ngưng kết và tạo ra thấm.

Nếu như các lỗ rỗng mao dẫn của vành đá xi măng trong trạng thái bão

hoà nước thì co ngót trong sẽ không đáng lo ngại. Trong khi đó, co ngót ngoài

cần quan tâm, vì nó dẫn đến các vành vi mô

Co ngót ngoài thể hiện sự thay đổi thể tích lớn gây ra các khe hở dạng

vành khăn giữa xi măng và cột ống chống hoặc giữa vữa xi măng với thành

giếng. Co ngót hóa học bên trong sẽ tạo thành bằng giảm các lỗ rỗng, chúng

có khả năng liên kết giữa các lỗ rỗng xi măng ngưng kết, và từ đó ảnh hưởng

đến độ thấm.

Độ bền của đá xi măng được xác định bởi độ bền uốn và độ bền nén

của xi măng ngưng kết. Độ bến nén là thông số được sử dụng rộng rãi nhất để

đánh giá định lượng độ bền xi măng. Độ bền của xi măng có ý nghĩa rất lớn

đảm bảo khả năng gia cố và độ kín khoảng không vành xuyến. Xi măng có độ

bền nén 3,45 MPa coi như là thỏa mãn cho việc thi công cũng chịu ảnh hưởng

của nhiệt độ và áp suất [39, 48, 49, 52].

Độ cứng của đá xi măng thay đổi trong quá trình đông cứng và chịu

ảnh hưởng lớn của bản chất xi măng và chất độn, tỉ số XM/N, điều kiện và

thời gian đông cứng.

Độ bền cơ học của đá xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu là

thành phần hóa - khoáng, tỉ lệ N/XM, tỉ bề mặt của xi măng, có các phụ gia và

hóa chất. Áp suất và nhiệt độ có ảnh hưởng đến độ bền của đá xi măng.

Tính chất của đá có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng vành đá xi

măng được tạo thành trong giếng.

Các tính chất đàn hồi

Đá xi măng bị biến dạng như là vật thể đàn hồi - dòn: sự phá hủy chúng

được đặc trưng vào thời điểm khi ứng suất đạt đến giới hạn đàn hồi; sự biến

dạng theo định luật Hooke. Gia tăng nhiệt độ và áp suất mọi phương có thể

làm cho xi măng biến dạng giống như vật thể đàn hồi-dẻo. Hệ xi măng dẻo có

trị số modun Young thấp và hệ số Poisson cao - thường chịu tải trọng tĩnh và

chu kỳ tốt hơn so với hệ xi măng giòn có trị số modun Young cao và hệ số

Poisson thấp [25,29,42].

Modun đàn hồi của đá xi măng tăng lên theo chiều sâu thế nằm của

chúng. Modun đàn hồi của đá xi măng phụ thuộc vào thành phần vữa, nhiệt

độ, áp suất vỉa, ứng suất kiến tạo.

Để bảo đảm độ kín của khoảng không trong vùng tiếp xúc “đá xi măng

- cột ống chống” thì đá xi măng cần phải phát triển áp suất nhất định. Vì vậy,

độ kín của giếng khoan phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi thể tích đá xi măng

khi đóng rắn. Điều đó có thể đạt được nhờ sử dụng hỗn hợp trám, có thể nở

trong quá trình tạo cấu trúc. Vì vậy, trị số nở cần phải lớn hơn so với sự giảm

thể tích của hệ do co ngót, đồng thời không được vượt quá lực tới hạn ép nén

hoặc phá vỡ sự ổn định của cột ống chống, và mục đích cuối cùng là giảm

modun Young và nâng cao hệ số Poisson trong điều kiện tải trọng tĩnh và chu

kỳ làm việc tốt hơn.

1.4. Chất lượng trám xi măng các giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn

Trong quá trình trám giếng khoan ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

tại bể Nam Côn Sơn, đã xảy ra một số sự cố liên quan đến chất lượng vữa

trám [8].

- Tại giếng 05-1B-TL-2X, sau khi kết thúc khoan thân giếng đường kính

8 ½” tới chiều sâu 4.829 m và thả thành công cột ống chống đường kính 7

5/8” đến chiều sâu 4.783 m tiến hành bơm ép vữa xi măng với khối lượng riêng vữa là 2,34 g/cm3. Và sự cố đã xảy ra, vữa xi măng không ép đẩy được

vào vành xuyến ngoài cột ống chống. Hậu quả là hơn 3.000 m vữa xi măng

còn nằm lại trong cột ống chống 7 5/8”. Đã tiến hành các biện pháp khắc phục

như khoan phá xi măng trong cột ống chống, bơm nhét xi măng ngoài cột ống tại một số đoạn để cách ly vùng chân đế ống chống 95/8”. Mặc dù đã sử dụng

tất cả các biện pháp cứu chữa, tốn kém chi phí và kéo dài thời gian thi công,

nhưng vẫn không khắc phục được sự cố và bắt buộc phải kết thúc khoan ở độ

sâu 4.829m, so với chiều sâu thiết kế (5.029m).

- Một sự cố tương tự đã xảy ra tại giếng 05-3-MT-1RX. Trong quá trình

ép xi măng, do thời gian quánh của vữa không phù hợp, nên xi măng đông kết

sớm, dẫn đến mất tuần hoàn, xi măng không ép được ra ngoài không gian vành xuyến và đông ngưng kết trong cột ống chống 133/8” tại chiều sâu từ

2.097m đến 2.882m.

- Nghiên cứu tài liệu CBL, VDL của 10 giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn

về chất lượng trám xi măng cột ống khai thác cho thấy: tỉ lệ chất lượng tốt

thường từ 42-50% (các giếng 05-3-MT-3P, 05-3-MT-6P), cá biệt giếng 05-3-

MT-1P đạt 77%, nhưng cũng có giếng chỉ đạt 17% (giếng 05-2-1X); liên kết

một phần chiếm trên 50%, đặc biệt có giếng chiếm 83% (giếng 05-2-HT-1X).

Trên hình 1.11. Chất lượng gắn kết xi măng (%) phụ thuộc vào nhiệt

độ tại bể Nam Côn Sơn.

Hình 1.11. Tỉ lệ gắn kết xi măng theo nhiệt độ.

Trên hình 1.12. Chất lượng gắn kết xi măng trong các giếng khoan

theo nhiệt độ đối với mỗi nhà thầu.

Hình 1.12. Chất lượng gắn kết xi măng theo từng nhà thầu dịch vụ

Trong bảng 1.2. Tỉ lệ gắn kết xi măng theo kết quả minh giải tài liệu đo

địa vật lý CBL/VDL cho từng giếng khoan [7].

Độ sâu giếng

Khoảng chiều dày chất lượng vành đá xi măng, m (%)

Giếng khoan

Chiều dày, m (100%)

Đường kính ống, mm

Tôt

Kém

Từ (m)

Một phần

Đến (m)

04-3-DB-2X

177,8

2.385

3.344

959

67 (7)

892 (93)

04-3-TU-4X

177,8

2.899

3.737

838

135 (16)

183 (22)

521(62)

04-3-TU-5X

177,8

2.949

4.404

1.454

280 (19)

700 (480)

474 (33)

04-ST-2X

139,75

2.639

3.728

1.089

653 (60)

40 (36)

05-2-HT-2X

244,5

72.725

3.278

553

174 (31)

379 (69)

05-2-HT-1X

177,8

2.940

3.724

784

131 (17)

563 (83)

05-3-MT-1P

139,7

2.798

2.982

184

141 (77)

42 (23)

05-3-MT-3P

139,7

3.722

3.903

181

76 (42)

104 (58)

05-3-MT-6P

139,7

3.310

4.082

772

384 (50)

280 (36)

Bảng 1.2. Tỉ lệ gắn kết xi măng trong các giếng khoan bể Nam Côn Sơn

Chất lượng trám xi măng giếng khoan kém hiệu quả có thể là nguyên

nhân làm cho sự đánh giá không đúng triển vọng thăm dò khu vực, gây hiện

tượng liên thông các tầng sản phẩm, sự xâm nhập dầu khí, v.v... Sự xâm nhập

dầu khí là một trong những dạng phức tạp nguy hiểm nhất và thường gặp và

dễ chuyển thành sự cố nghiêm trọng.

Vành đá xi măng ở ngoài không gian vành xuyến còn bị tác động cơ

học trong lòng ống gây ra sự phá hủy mối liên kết giữa xi măng - ống chống

hoặc do tác động của bơm ép thử độ kín của ống chống, bắn đạn đục lỗ khi

gọi dòng, kích thích vỉa, xử lí hóa học, khoan phá cốc, kéo thả cần.

Một trong những nguyên nhân cơ bản ảnh hưởng đến chất lượng trám

giếng khoan là do lựa chọn vật liệu, các phụ gia để pha chế vữa xi măng

không phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao trong giếng khoan.

1.5. Các công trình nghiên cứu về xi măng trám giếng khoan nhiệt độ và áp suất cao.

1.5.1. Các công trình nghiên cứu về xi măng ở nhiệt độ và áp suất cao.

Năm 2012 trên toàn thế giới đã khoan khoảng 107000 giếng khoan dầu

và khí, trong đó có khoảng 1600 giếng có nhiệt độ và áp suất cao, chiếm

khoảng 1,6% trong tổng số giếng trên. Đã gặp những giếng khoan nhiệt độ trên đáy lên đến 260 0C tại mỏ dầu Arthit, trên vịnh Thái Lan [22].

Sau sự cố cháy nổ trên giàn khoan Deepwater Horizon xảy ra ngày 20

tháng 4 năm 2010 tại mỏ Marcondo trên vịnh Mexico [14], đã để lại hậu quả

cực kỳ nghiêm trọng cho ngành dầu khí, du lịch của Hoa Kỳ. Một trong

những nguyên nhân gây ra sự cố là do chất lượng vành đá xi măng cách ly

không tốt gây hậu quả khí và condensat phun trào, tràn lên giàn khoan gây

cháy nổ.

Hiện nay trong ngành công nghiệp dầu khí chưa có loại xi măng được

tiêu chuẩn hóa để trám các giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao. Theo dự

báo [14] đến năm 2016 sẽ khoan khoảng 238 giếng khoan sâu trong điều kiện

nhiệt độ và áp suất cao và đến năm 2020 số giếng có nhiệt độ và áp suất cao

có thể trên 1200 giếng. Do đó, các nhà khoa học đang đẩy mạnh công tác

nghiên cứu hoàn thiện công tác trám xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp

suất cao.

Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học Liên bang Nga như

A.I.Bulatov, E.K. Machinsky, B.I.Esman, I.A Karamanov, A.N.

Stafinkopulo¸V.C. Danhiuchevskyi,...đã có nhiều công trình về xi măng trong

các điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao [48,49,52].

Các nhà khoa học và chuyên gia như Erik B.Nelson. George Birch,

Michael Richebourg, Jacques Jutten (Schlumberger Dowell) [24,25];

Benjamin Iverson và Joe Maxson (Halliburton) [17] đã có các công trình

nghiên cứu về sự suy thoái độ bền của xi măng , biện pháp duy trì và nâng cao

độ bền, các tính chất của vữa và công nghệ trám, đặc biệt là các phương pháp

và thiết bị vữa xi măng trong điều kiện áp suất và nhiệt cao.

Trước đây, để kiểm tra độ tin cậy của đơn pha chế và quy trình trám xi

măng giếng khoan thường chỉ chú ý đến mỗi một thông số - độ bền nén đơn

trục. Nhưng trong trường hợp trong các giếng có nhiệt độ và áp suất cao xuất

hiện trong thời gian dài, thì sự cần thiết phải nghiên cứu rất kỹ càng các tính

chất cơ học của đá xi măng và mô hình hóa các tính chất của cột ống chống

và đất đá trên thành giếng. Việc sử dung phần mềm CemTRESS [31,35, 36]

cho phép phân tích tính chất của vành đá xi măng bên ngoài cột ống chống và

dự báo các điều kiện giếng khoan. Chương trình máy tính phân tích các ứng

suất tiếp tuyến và pháp tuyến xuất hiện trong vành đá xi măng khi thử nghiệm

thủy lực cột ống chống, sự thay đổi các thông số lưu biến và biến đội của vữa.

Phần mềm CemSTRESS ngoài việc xác định độ bền nén còn có thể xác định

các thông số khác như modun Young, hệ số Poisson và độ bền kéo [12].

1.5.2. Các loại xi măng trám giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao.

Tại Liên bang Nga và các nước SNG, phần lớn xi măng trám chuyên

dụng do Viện nghiên cứu và thiết kế về gia cố Krasnoda, Đại học dầu khí

Gupkin-Moskva…đã nghiên cứu và sản xuất các chủng loại xi măng xỉ - cát

thạch anh để khoan trong điều kiện nhiệt độ cao. Loại xi măng chuyên dụng

được sản xuất trộn nền chất kết dính, chất làm nặng, các phụ gia hoạt tính. Xi

măng chuyên dụng khác với các hỗn hợp là thành phần hạt đồng nhất, các tính

chất hóa-lý được nâng cao, độ bền nhiệt cao [44,45]. Theo tiêu chuẩn xi măng

bền nhiệt của Nga ТУ39-00147001-170-97 đã sản xuất loại xi măng chuyên

dụng như trong bảng 1.3 [48] để trám xi măng các giếng khoan có nhiệt độ và

áp suất cao.

Bảng 1.3. Đặc tính kỹ thuật các loại xi măng bền nhiệt của Liên bang Nga sản xuất.

Độ bền sau 2 ngày (MPa)

Phụ gia chậm ngưng kết, %

Điều kiện thí nghiệm

Thời gian ngưng kết (giờ)

Tỉ lệ N/XM

Loại xi măng

Khối lượng riêng, g/cm3

Gypan Cromit

Nén

Uốn

Kết thúc

Nhiệt độ,0C

Bắt đầu

Áp suất, MPa

1,78-1,81

0,4-0,6

15- 25

160

4– 6

5 – 8

5–7

0,43

ШПЦС-120

1,8-1,82

0,15

4- 6

5- 8

4- 6

13-20

160

1,8-1,82

0,2-0,3

0,1-0,3

160

4-7

6-10

4-5

10-15

1,8-1,82

0,5-0,6

0,3-0,5

220

4-7

6-10

5-8

15-25

ШПЦС-200

0,5-1

0,40

1,8-1,82

235

4-7

6-10

5-9

15-30

250

3-5

0,6-1

0,5-1

1,8-1,82

6-9

6-10

25-35

0,4-0,8

160

4-6

5-8

5,0-7

15-25

0,34

2,1-2,13

УШЦ1-120

0,15

170

4-6

5-8

4,0-6

12-20

0,4-0,8

160

4-6

5-8

5-7

15-25

0,32

2,2-2,22

УШЦ2-120

0,1-,15

0,1

160

4-6

5-8

4-6

12-20

0,3-0,5

160

3-6

5-8

5-6

12-16

0,1-0,25

0,1-0,15

160

4-7

6-10

4-5

10-14

УШЦ1-200

0,5-0

0,6

0,34

2,1-2,12

220

4-7

6-10

5-6

13-20

0,6-1

0,5-1

250

100

3-5

6-9

6-8

18-25

0,3-0,5

160

3-5

5-8

5-6

12-16

0,2-0,3

0,1-0,3

160

4-7

6-10

4-5

10-14

УШЦ-200

0,6-1

0,32

2,10-2,22

220

4-7

6-10

5-6

13-25

0,6-1

250

100

3-5

6-9

6-8

13-15

Công ty Schlumberger sản xuất hệ xi măng FlexSTONE HT kết hợp với công nghệ CemCRETE để khoan giếng nhiệt độ đến 250oC. Loại vữa xi măng này, sau khi đóng rắn xi măng có thể giãn nở nhiều hơn so với xi măng thông

thường, nâng cao kết dính giữa cột ống chống và vỉa trong các điều kiện nhiệt

độ và áp suất biến đổi lớn [6,7].

Xi măng DensCRETE có khối lượng riêng 2,88 g/cm3 được sử dụng trong giếng có nhiệt độ đến 2320C. Đá xi măng có độ bền cao và độ thấm

thấp. Tính chất lưu biến của xi măng DensCRETE rất phù hợp với cột ống

lửng.

Công ty Halliburton đã thử nghiệm loại xi măng HDEC khối lượng

riêng cao, có tính đàn hồi để khoan trong điều kiện nhiệt độ tĩnh trên đáy 2270C với khối lượng riêng vữa đến 2,26 g/cm3 [17]. Ngoài ra, còn có các hệ

xi măng nặng chịu nhiệt khác như ximăng ThermaSTONE, DenseCEM. Gần đây, đã thử nghiệm hệ xi măng ElasticCemTM có khối lượng riêng vữa 0,84 g/cm3 đến 2,64 g/cm3 và trong điều kiện nhiệt độ đến 315oC [32,38].

Đến nay, Xí nghiệp LDDK Vietsovpetro đã khoan 368 giếng trong các

đối tượng chính tầng Miocen hạ, Oligocen và móng phong hóa. Căn cứ vào

đặc điểm địa tầng các giếng khoan qua, đã từng bước hoàn thiện công tác

bơm trám gia cố giếng khoan. Trong công tác trám xi măng, Vietsovpetro đã

xây dựng tiêu chuẩn riêng về vữa xi măng mác OWC, OWC-S, OWCL,

OWCL-S được sản xuất trong nước, để trám các giếng khoan có nhiệt độ cao 1200C và áp suất trên đáy 40 MPa trên thềm lục địa Việt Nam [1,3,4,11].

Tại bể Nam Côn Sơn, các nhà thầu trám xi măng là Nowsco, Dowell/

Schlumberger, BJ, Halliburton thường sử dụng xi măng mác G, một số giếng có nhiệt độ 130-155oC có thêm chất phụ gia bền nhiệt Silica, khối lượng riêng vữa từ 1,75 - 2,22 g/cm3. Để trám xi măng các cột ống chống có nhiệt độ khá cao, đã sử dụng loại xi măng G thông thường, một số ít sử dụng xi măng G +

35% silica với các hóa phẩm bền nhiệt như R-57, SR-30, D110, HR-25, LS-1

(chậm ngưng kết); LD-24, FL-52-D73, D600, HaLad 413 (giảm độ thải

nước); SSA-2, D135, LS-1, LS-2 [8].

Thực tế cho thấy xi măng G theo tiêu chuẩn API không bao hàm hết

các tính chất của xi măng trong khoảng nhiệt độ và áp suất cao. Các tiêu

chuẩn chỉ thể hiện phương pháp phân loại xi măng để sử dụng trong giếng

khoan theo một số tính chất được yêu cầu.

Mỗi nhà thầu sử dụng hệ các chất phụ gia khác nhau, tuy nhiên hầu hết

chỉ sử dụng các phụ gia ứng dụng cho nhiệt độ thông thường mà không sử dụng các phụ gia có tác dụng trong điều kiện nhiệt độ cao trên 1200C.

Nói tóm lại, hiện nay chưa có các loại xi măng trám giếng khoan được

tiêu chuẩn hóa trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Trong thực tế, các điều

kiện giếng khoan của mỗi vùng khác nhau, cho nên việc thiết kế vữa xi măng

cần phải tính đến đặc thù của mỗi giếng khoan: chiều sâu giếng khoan, nhiệt

độ tĩnh và nhiệt độ động, loại dung dịch khoan và áp suất thủy tĩnh tạo ra, khả

năng xuất hiện mất tuần hoàn hoặc xuất hiện khí, cũng như nhiều yếu tố khác.

1.6. Định hướng nghiên cứu.

Các điều kiện địa chất - kỹ thuật của bể Nam Côn Sơn rất phức tạp, đặc

biệt là nhiệt độ và áp suất cao. Công tác trám xi măng tại hầu hết các giếng

khoan cho thấy việc chọn và sử dụng các phụ gia, tính toán công thức đơn pha

chế, xác định các thông số vữa chưa phù hợp với điều kiện địa chất, đặc biệt

nhiệt độ cao áp suất cao.

Vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu thiết kế hệ xi măng bền nhiệt, chống

suy giảm độ bền vành đá xi măng; Lựa chọn phụ gia làm nặng và xác định

khối lượng riêng vữa tối ưu. Chọn các phụ gia chuyên dụng và lập đơn pha

chế vữa xi măng, xác định các thông số công nghệ của vữa và các tính chất

cơ-lý của đá xi măng phù hợp với các điều kiện giếng có áp suất vỉa dị thường

cao và nhiệt độ cao tại bể Nam Côn Sơn.

Kết luận chương 1

- Bể Nam Côn Sơn có điều kiện địa chất rất phức tạp, đặc biệt là áp

suất cao nhiệt độ cao. Nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn có thể phân

thành hai cấp: 1 (nhiệt độ và áp suất cao) và cấp 2 (nhiệt độ và áp suất rất

cao).

- Nhiệt độ và áp suất cao ảnh hưởng đến các tính chất hóa - lý của vữa

xi măng, làm rút ngắn thời gian quánh, giảm độ nhớt; dễ gây ra sự cố, giảm

chất lượng gắn kết của xi măng với ống chống và thành hệ, ảnh hưởng đến độ

ổn định, tuổi thọ và an toàn giếng khoan.

- Thiết kế hệ vữa xi măng bền nhiệt, có khối lượng riêng cao đảm bảo

chất lượng bơm trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất dị

thường cao bể Nam Côn Sơn.

Chương 2. LÝ THUYẾT VỀ ĐÔNG CỨNG VÀ TẠO ĐỘ BỀN CỦA ĐÁ XI MĂNG TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO

2.1. Các trạng thái vữa xi măng trong giếng khoan

Trám xi măng các giếng khoan dầu khí là một trong những công đoạn có

ý nghĩa quyết định đến chất lượng thi công giếng.

Mục đích của trám xi măng giếng khoan nhằm cách ly lâu dài các đối

tượng sản phẩm và ngăn cản sự liên thông chất lưu qua khoảng không ngoài

cột ống chống; gia cố thân giếng không bị sụt lở; ngăn ngừa sự ăn mòn của

nước vỉa lên cột ống chống và nâng cao khả năng chịu tải của cột ống chống,

trong đó việc cách ly các tầng chứa có ý nghĩa quan trọng nhất.

Quá trình trám xi măng giếng khoan gồm: Sau khi thả cột ống chống,

vữa xi măng được bơm qua cột ống chống và dâng lên trám kín không gian

vành xuyến giữa các cột ống và thành hệ đất đá, sau đó đông cứng thành vành

đã bền vững (hình 2.1).

Hình 2.1. Sơ đồ trám xi măng giếng khoan dầu khí

Các trạng thái phát triển của vữa xi măng trong giếng [1,12] (hình 2.2).

Hình 2.2. Các trạng thái pha của xi măng trong giếng khoan

Trạng thái 1: Vữa xi măng ở trạng thái lỏng. Vữa xi măng được bơm

qua cột ống chống và di chuyển vào không gian vành xuyến giữa cột ống

chống và thành giếng. Trong điều kiện giếng khoan, cột vữa xi măng ở thể

lỏng sẽ tạo nên tác động áp suất thủy tĩnh và thủy động lên thành và đáy

giếng. Khối lượng riêng của vữa cần được kiểm soát chặt chẽ, để không quá

lớn sẽ gây nứt vỉa, vữa xi măng có thể xâm nhập vào thành giếng, ngược lại

nếu khối lượng riêng thấp sẽ gây sự cố mất an toàn, phun trào.

Trạng thái vữa xi măng 2: Vữa xi măng đặc quánh. Khi kết thúc giai

đoạn bơm ép, vữa xi măng ngoài ống là huyền phù chứa các hạt rắn có khả

năng truyền áp suất thủy tĩnh. Nếu áp suất lỗ rỗng trong vỉa không lớn hơn áp

suất thủy tĩnh này thì khí không thể xâm nhập. Nhưng, ngay sau đó áp suất

trong không gian vành xuyến giảm do sự kết hợp của tạo cấu trúc, độ thải

nước và độ co ngót thể tích của xi măng.

Theo tiến độ ngưng kết của vữa xi măng tăng thì ứng suất trượt tĩnh

tăng lên đều đặn, và vận tốc ngưng kết gia tăng phụ thuộc vào tính chất của

vữa. Khi bắt đầu tạo cấu trúc, vữa xi măng được xem như là môi trường giả

xốp, vì vậy, nếu như một phần cấu trúc được hình thành và cột xi măng tự nó

không duy trì tính linh động, thì vữa có thể coi là có tính thấm.

Trạng thái xi măng 3: Vật liệu hai pha. Khi cột xi măng đạt đến trạng

thái tự ổn định, nó làm việc như là khung liên kết các hạt rắn chứa trong pha

lỏng. Sự ngưng kết xi măng tiếp tục và sự thủy hóa được đẩy nhanh. Áp suất

(nay là áp suất lỗ rỗng) tiếp tục giảm theo mức độ tiêu hao nước do thủy hóa

xi măng. Điều đó làm cho thể tích giảm đến mức nhỏ nhất hoặc sự co rút

khung bên trong của xi măng đạt đến 6%. Đồng thời, xảy ra sự co ngót mạnh,

gây ra ứng suất tiếp tuyến trong không gian vành xuyến, chúng có thể tạo ra

tác động bổ sung vào các khe nứt và phá vỡ sự liên kết giữa xi măng và cột

ống chống và thành giếng.

Sự co rút bên trong của vữa tạo ra độ rỗng thứ sinh trong xi măng, kết

hợp với các lỗ rỗng có sẵn trong xi măng. Đồng thời do sự thủy hóa liên tục

làm giảm thể tích nước, và khả năng chảy qua các lỗ rỗng giảm do tác động

của lực hóa học và mao dẫn. Sự co rút và giảm thể tích nước làm giảm mạnh

áp suất thủy tĩnh của xi măng lên thành giếng.

Trạng thái xi măng 4: Vật liệu cứng - đàn hồi. Sau khi kết thúc quá

trình thủy hóa, xi măng trở nên đàn hồi và dòn - đẳng hướng, đồng nhất và

không thấm.

Độ bền của đá xi măng ổn định lâu dài là điều rất quan trọng trong cả

thời kỳ giếng khai thác. Trong suốt thời gian đó, vành đá xi măng trong không

gian vành xuyến có thể chịu tác động của nhiệt độ trong phạm vi rộng và các

tải trọng khi tiến hành bơm ép, sửa chữa giếng và các công việc khác trong

các điều kiện vận hành giếng.

Trong nhiều trường hợp, vữa xi măng đã lấp đầy không gian vành

xuyến và chất lượng cách ly các vỉa sản phẩm thời gian đầu tương đối tốt,

nhưng theo thời gian các điều kiện trong giếng thay đổi đã tạo ra các ứng suất,

chúng đe doa sự ổn định của vành xi măng. Dưới tác động của ứng suất kiến

tạo và sự gia tăng rất mạnh áp suất hoặc nhiệt độ trong giếng cũng làm cho

vành đá có thể nứt hoặc vỡ thành cục. Sự chuyển dịch cột ống chống về

hướng xuyên tâm sẽ làm cho đá xi măng co ngót, hoặc nhiệt độ và áp suất

trong giếng giảm có thể làm mất liên kết giữa vành đá xi măng với cột ống

chống hoặc thành giếng và tạo ra khe rất nhỏ. Sự giảm khối lượng riêng của

dung dịch trong quá trình khoan và hoàn thiện giếng cũng gây ra sự phá hủy

liên kết. Việc hoàn thiện giếng bằng các phương pháp bắn vỉa hoặc nứt thủy

lực vỉa cũng ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ của vành đá xi măng.

Trong nhiều trường hợp vành đá xi măng bị phá hủy là do các khe hở

rất bé, không dễ phát hiện, rất khó khắc phục và đó cũng là nguyên nhân xâm

nhập khí vào vành xuyến giếng khoan.

2.2. Đặc tính của xi măng trám giếng khoan

Hiện nay, xi măng mác G tiêu chuẩn API là loại xi măng được dùng chủ

yếu để trám các giếng khoan sâu dầu khí [26,37]. Các thành phần khoáng

chính như trong bảng 2.1.

Bảng 2.1. Các thành phần khoáng chính của xi măng

Thành phần Công thức Ký hiệu Hàm lượng, %

Tricalci silicat (Alit) 50% - 70% 3CaO.SiO2 C3S

Bicalci silicat (Belit) 15% - 30% 2CaO.SiO2 C2S

Tricalci aluminat 5% - 10% 3CaO.Al2O3 C3A

Tetracalci aluminoferit 5% - 15% 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF

Thạch cao 4% - 6% CaSO4.2H2O CSH2

C3S có vận tốc thủy hóa cao nhất, tạo ra độ bền và tăng nhanh độ bền

trong thời hạn đóng rắn sớm, cũng như duy trì vữa xi măng ngưng kết chống

ăn mòn sulfat. Thành phần C2S đóng rắn chậm sẽ kéo dài đóng rắn của đá xi

măng. C3A quyết định sự ngưng kết ban đầu và tăng nhanh độ bền trong thời

hạn đóng rắn sớm do hoạt tính thủy hóa cao hơn. Vai trò của C4AF trong quá

trình ngưng kết giống như C3A, nhưng ảnh hưởng của C4AF phụ thuộc nhiều

vào nhiệt độ và chất lượng phụ gia.

Sự thuỷ hoá phần silicat của clinke diễn ra cùng với sự tạo ra các sản

phẩm khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ, hàm lượng nước trong thể tích phản

ứng, sự tham gia của các phụ gia và một số điều kiện khác.

Đá xi măng là loại đá nhân tạo, không ổn định nhiệt động học, liên

quan chủ yếu đến hai quá trình diễn ra khi đóng rắn xi măng là sự giải phóng

năng lượng và tính hỗn độn của động học tạo cấu trúc. Khi vữa xi măng được

lấp đầy xung quanh cột ống chống, vữa sẽ chịu tác động của sự chênh áp suất

cao hướng về phía đất đá xung quanh thành giếng, và nước trong vữa thấm

lọc vào vỉa trong quá trình thủy hóa. Trong quá trình đóng rắn, nước thấm lọc

đi vào vào vỉa, các hỗn hợp hydrat tạo cấu trúc và hình thành vành đá xi măng

giữa cột ống chống và đất đá xung quanh thành giếng khoan.

Trong điều kiện nhiệt độ giếng khoan dưới 1100C, xi măng tiếp tục thủy hóa và đạt độ bền trong thời gian dài (từ vài ngày cho đến vài năm) cho đến khi đạt độ bền tới hạn. Nhưng khi nhiệt độ trên 1100C, xi măng đạt độ bền

cực đại trong khoảng vài tuần đầu tiên, sau đó độ bền bắt đầu giảm dần. Đây

là hiện tượng suy giảm độ bền (The strength retrogression) [28,34,45]. Trong

một số trường hợp sự suy giảm độ bền đến điểm phá hủy và cường độ suy

giảm càng tăng khi nhiệt độ tăng lên.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới độ bền và độ thấm của đá xi

măng liên quan mật thiết tới thành phần và đặc tính khoáng vật có trong đá xi

măng. Mỗi sản phẩm hidrat hóa chỉ hình thành và tồn tại bền vững cùng các

yếu tố nhiệt động học nhất định (ở đây chủ yếu là nhiệt độ). Khi đưa ra khỏi

điều kiện tối ưu, tổ hợp khoáng sẽ biến đổi và dẫn tới biến đổi cấu trúc đá.

2.3. Quá trình hóa - lý đóng rắn của vữa xi măng [9,19,46,48]

Khi nhiệt độ dưới 1100C, sản phẩm thủy hóa của xi măng là calcium

silicat hydrat ký hiệu C-S-H(II) hoặc (C2SH2) và vôi (Ca(OH)2.

C-S-H(II) thuộc loại silicat hydrat đồng dạng tobermorit, cấu trúc tinh

thể của chúng giống như khoáng vật tobermorit tự nhiên có thành phần

5CaO.6SiO2·5H2O.

Các hạt C-S-H có dạng hình phiến mỏng hoặc dạng lá, bề dày hai ba

lớp. Những phiến này trong phương ngang có thể xoắn lại thành sợi. Silicat hydrat có tỉ bề mặt lớn đạt đến (13-14).103 m2/kg. Ở nhiệt độ dưới 90-110oC, C-S-H (II) có hàm lượng canxi oxit cao hơn. Ở nhiệt độ 80oC tỉ số CaO/SiO2

đạt đến trị số giới hạn, bằng 2.

Khi nhiệt độ trong khoảng 1100C và 1200C, quá trình tái kết tinh calcium silicat hydrat đóng vai trò quyết đinh. C-S-H(II) sẽ bắt đầu tái kết

tinh thành hệ -diacalcium silicat (-C2S) hoặc C2SH(A) có thành phần

Ca2(HSiO4)OH. Chúng có cấu trúc tinh thể, tỉ khối cao, tính thấm cao và độ

bền nén thấp.

Nguyên nhân làm cho độ bền giảm và tính thấm cao là do những đặc

điểm trong quá trình hình thành và biến đổi của pha α-C2SH như sau:

+ -C2SH được hình thành từ các khoáng trung gian (C-S-H(I), C-S-

H(II) và gel C-S-H) theo cơ chế tái kết tinh, hình thành pha khoáng mới;

+ - C2SH có khả năng nổi trội về kết tinh thứ cấp (kích thước lớn lên

nhưng số lượng tinh thể giảm) làm suy giảm mạnh liên kết giữa các tinh thể

và tăng nhanh độ thấm;

+ Quá trình kết tinh -C2SH gắn liền với sự co rút cục bộ trong cấu trúc

vật liệu (tạo thêm độ rỗng);

+ -C2SH kém về khả năng tạo các liên kết cầu nối (tính kết dính yếu);

+ -C2SH là loại khoáng xuất hiện nhanh nhưng lại tồn tại lâu trong một khoảng nhiệt độ tương đối rộng (1001800C), nên vừa có ảnh hưởng trong

thời gian ngưng kết, vừa có ảnh hưởng lâu dài.

Ở nhiệt độ >160oC có thể tạo thành hydrosilicat C3SH2 có công thức đầy đủ là Ca3(Si2O7(OH)6. Ở nhiệt độ khoảng 2020C nó chuyển thành

C2HS(C) -  hydrat C2S, là hỗn hợp các silicat hydrat calcium-chrondodit

Ca(SiO4)2(OH)2 và kilchoanit Ca3(SiO7) .

Khi tăng nhiệt độ lên, sản phẩm mới xảy ra ở nhiệt độ 1500C từ

tobermorit thành xonotlit (Ca6Si6O17(OH)2 và/ hoặc gyrolit (Ca8(Si4O10)3

(OH)46H2O), là những pha có độ thấm và sức kháng nén tương tự như tobermorit. Tăng nhiệt độ lên đến 2500C, gyrolit biến đổi thành truscottit

(Ca7(Si4O10)(Si8O19(OH)4H2O, nó có độ thấm cao và sức kháng nén thấp so

với tobermorit.

Trên hình 2.3. Giản đồ pha khoáng vật hệ CaO-SiO2-H2O, mô tả ảnh

hưởng của nhiệt độ và thành phần hóa học của xi măng tới sự hình thành và

tồn tại của các khoáng sản phẩm hydrat hóa chính có trong đá xi măng.

Hình 2.3. Giản đồ pha khoáng vật hệ CaO-SiO2-H2O [18,47].

Ở nhiệt độ chưa cao (thường là < 70 0C), tính không ổn định nhiệt động học không gây tổn hại đáng kể tới độ bền của đá xi măng. Nhưng, ở nhiệt độ cao, đặc biệt là cao hơn 1000C (như trong điều kiện giếng khoan sâu), quá trình biến đổi cấu trúc xảy ra nhanh tới mức ta có thể nhận biết được qua các

thí nghiệm thông thường và gây tác hại rất lớn.

Trên hình 2.4. Biểu đồ độ bền nén phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian

đóng rắn [9].

Hình 2.4. Độ bền nén của đá xi măng ở các nhiệt độ khác nhau [52]

Trên hình 2.5. Độ thấm khí của đá xi măng phụ thuộc vào nhiệt độ và

thời gian đóng rắn [47, 52].

Hình 2.5. Độ thấm khí phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian đóng rắn

2.4. Biện pháp chống suy giảm độ bền của xi măng 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 pha khoáng 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 ÷ 120 0C : (CaO / SiO2) < 0,8 (2.1) 120 ÷ 180 0C : (CaO / SiO2) < 0,83 (2.2) > 180 0C : (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/SiO2 đạt  1,0. Điều đó sẽ hạn chế sự biến đổi pha và duy trì

cấu trúc vi mô, duy trì ổn 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 trình đóng 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 Silica đến độ bền và độ thấm của xi măng

2.5.1. Các loại phụ gia 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 425m (3,3%), 150m

(85%), 75m (10%).

- Cát nghiền (Silica flour) có khối lượng riêng: 2,60÷ 2,63 g/cm3; các cỡ

hạt 105m (3%), 75m (10%), 45m (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 hàm lượng 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 của silica đến độ bền nén và độ thấm của xi 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 nhau đến 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. Độ bền nén phụ thuộc vào cỡ hạt ở nhiệt 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

Độ bền nén (MPa)

Thành phần hỗn hợp Xi măng và Silica

1 ngày

2 ngày

3 ngày

7 ngày

10,29

8,79

8,73

5,82

Xi măng G + 0 % Silica

17,63

11,65

10,12

4,65

Xi măng G + 10% Silica

17,67

8,62

26,38

14,48

Xi măng G + 20% Silica

26,42

34,67

46,53

46,10

Xi măng G + 30% Silica

11,69

11,57

28,93

37,76

Xi măng G + 40% Silica

Hình 2.9. Độ bền của đá xi măng phụ 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 lục 10).

Trong bảng 2.3. Độ bền nén của Xi măng + 35% SSA-1 có khối lượng

riêng 1,90 g/cm3 và 2,04 g/cm3 phụ thuộc nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng.

Bảng 2.3. Độ bền nén của hỗn hợp xi măng +35% SSA-1

Độ bền nén trong khoảng thời gian (MPa)

Nhiệt độ, 0C

1 ngày

3 ngày

7 ngày

28 ngày

Khối lượng riêng vữa, g/cm3

1,90

66,86

76,73

73,77

73,70

143

2,04

85,90

94,63

88,66

97,56

1,90

73,91

53,26

49,47

37,34

160

2,04

103,42

95,15

77,67

88,80

1,90

91,70

65,73

58,98

57,05

176

2,04

100,83

103,35

92,90

103,42

1,90

53,39

33,27

56,05

56,43

210

2,04

103,35

101,25

78,94

51 51 51

Hình 2.10. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa Hình 2.10. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa Hình 2.10. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,905 g/cm3 1,905 g/cm3 1,905 g/cm3

Hình 2.11. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa Hình 2.11. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa Hình 2.11. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04 g/cm3 2,04 g/cm3 2,04 g/cm3

52 52 52

Trong bảng 2.4. Độ thấm xi măng + 35% SSA-1 với khối lượng riêng Trong bảng 2.4. Độ thấm xi măng + 35% SSA-1 với khối lượng riêng Trong bảng 2.4. Độ thấm xi măng + 35% SSA-1 với khối lượng riêng

1,90 g/cm3 và 2,04 g/cm3 phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng. 1,90 g/cm3 và 2,04 g/cm3 phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng. 1,90 g/cm3 và 2,04 g/cm3 phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng.

Bảng 2.4. Độ thấm của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1 Bảng 2.4. Độ thấm của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1 Bảng 2.4. Độ thấm của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1

Độ thấm (mD) Độ thấm (mD) Độ thấm (mD)

Nhiệt độ, 0C Nhiệt độ, 0C Nhiệt độ, 0C

Khối lượng riêng Khối lượng riêng Khối lượng riêng vữa, g/cm3 vữa, g/cm3 vữa, g/cm3

1 ngày 1 ngày 1 ngày

3 ngày 3 ngày 3 ngày

7 ngày 7 ngày 7 ngày

28 ngày 28 ngày 28 ngày

1,90 1,90 1,90

0,030 0,030 0,030

0,022 0,022 0,022

0,033 0,033 0,033

0,028 0,028 0,028

143 143 143

2,04 2,04 2,04

0,021 0,021 0,021

0,006 0,006 0,006

0,013 0,013 0,013

0,006 0,006 0,006

1,90 1,90 1,90

0,014 0,014 0,014

0,009 0,009 0,009

0,007 0,007 0,007

0,035 0,035 0,035

160 160 160

2,04 2,04 2,04

0,040 0,040 0,040

0,026 0,026 0,026

0,003 0,003 0,003

0,040 0,040 0,040

1,90 1,90 1,90

0,003 0,003 0,003

0,010 0,010 0,010

0,007 0,007 0,007

0,012 0,012 0,012

176 176 176

2,04 2,04 2,04

0,001 0,001 0,001

0,006 0,006 0,006

1,90 1,90 1,90

0,007 0,007 0,007

0,017 0,017 0,017

0,023 0,023 0,023

0,030 0,030 0,030

210 210 210

2,04 2,04 2,04

0,010 0,010 0,010

0,007 0,007 0,007

0,020 0,020 0,020

Hình 2.12. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,904 Hình 2.12. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,904 Hình 2.12. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,904 g/cm3 g/cm3 g/cm3

53 53 53

Hình 2.13. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04 Hình 2.13. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04 Hình 2.13. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04 g/cm3 g/cm3 g/cm3

Từ kết quả trên cho thấy: Từ kết quả trên cho thấy: Từ kết quả trên cho thấy:

Độ bền nén của xi măng + 35% SSA-1 đạt được độ bền nén cực đại trong Độ bền nén của xi măng + 35% SSA-1 đạt được độ bền nén cực đại trong 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. điều kiện nhiệt độ từ 160-2100C và ổn định trong khoảng 28 ngày. 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. Khi thời gian đóng rắn của xi măng + silica tăng lên thì độ thấm giảm. 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 Nói chung độ thấm tất cả các mẫu thí nghiệm đều nhỏ hơn 0,1mD, hoặc có Nói chung độ thấm tất cả các mẫu thí nghiệm đều nhỏ hơn 0,1mD, hoặc có

mẫu bé hơn 0,01mD. mẫu bé hơn 0,01mD. mẫu bé hơn 0,01mD.

Để xác định ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và áp suất cao (tương tự Để xác định ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và áp suất cao (tương tự 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 điều kiện bể Nam Côn Sơn) đến độ bền của đá xi măng, đã tiến hành thí 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 nghiệm xác định độ bền nén bằng phương pháp không phá hủy UCA với 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 thành phần xi măng mác G + 35% silica SSA-1. Kết quả thí nghiệm trình bày thành phần xi măng mác G + 35% silica SSA-1. Kết quả thí nghiệm trình bày

trong bảng 2.5 và phụ lục 1. trong bảng 2.5 và phụ lục 1. 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)

24giờ 00

48giờ00

Áp suất, (MPa)

0,345 MPa

0,689 MPa

3,45 MPa

6,89 MPa

Nhiệt độ,(0C)

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 gia 35% 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 kiện nhiệt 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 định khối lượng riêng vữa xi măng trám giếng khoan

3.1.1. Khái niệm khối lượng riêng của vữa xi 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 trám và có thể dẫn đến sự phức

tạp, đặc biệt sẽ làm tăng áp suất khi trám xi măng. Tỷ lệ nước - xi măng còn

phụ thuộc vào các tính chất lý - hóa khác, cho nên cần kiểm soát thường

xuyên khối lượng riêng vữa và không cho phép vượt trị số quy định, nếu vượt

sẽ làm giảm chất lượng của đá xi măng. Sai số của khối lượng riêng vữa cho phép trong khoảng 0,02 g/cm3.

Trong điều kiện các vỉa có áp suất dị thường cao, thân giếng có đường

kính nhỏ thì cửa sổ giữa áp suất vỉa và áp suất nứt thủy lực vỉa rất bé. Để

ngăn ngừa sự xâm nhập dầu khí trong giếng, áp suất thủy tĩnh của cột vữa

trám phải tương đối cao để cân bằng với áp suất lỗ rỗng của vỉa, nhưng đồng

thời cũng phải tương đối thấp để không gây ra nứt vỉa. Khi khối lượng riêng

của vữa xi măng cao và độ chảy tỏa thấp có thể làm cho vữa xâm nhập vào

đất đá trên thành giếng trong quá trình trám và vữa không dâng cao đến chiều

cao thiết kế. Trong điều kiện giếng khoan, khi độ thải nước cao sẽ rút ngắn

thời gian quánh và có thể gây ra những phức tạp trong quá trình bơm trám.

Trong các điều kiện địa chất - kỹ thuật bể Nam Côn Sơn thường gặp

các vỉa có áp suất dị thường cao. Để trám giếng khoan và cách ly các tầng sản

phẩm, yêu cầu đầu tiên là phải tạo ra trên vỉa một phản áp hệ vỉa - giếng

khoan trong quá trình tạo vành đá bền vững. Khí có thể xâm nhập vào không

gian vành xuyến và phun trào trong quá trình đóng rắn vữa xi măng do các

thông số của vữa xi măng không phù hợp với các điều kiện áp suất cao nhiệt

độ cao trong giếng khoan.

Để kiểm soát sự xuất hiện dầu khí trong giếng, quan hệ giữa áp suất

thủy tĩnh, áp suất vỉa, khối lượng riêng của vữa và áp suất nứt vỉa thủy lực

như trong phương trình 1.

(3.1) pv ≤ gh ≤ pnv

Trong đó: pv – áp suất vỉa (Pa);  – khối lượng riêng của vữa (kg/cm3); h – chiều sâu bơm trám (m); g – gia tốc trong lực (9,8m/s2); pnv – áp suất nứt thủy lực vỉa (Pa).

Trên hình 3.1 biểu đồ áp suất vỉa (pv ), áp suất nứt vỡ vỉa (pnv) tại các khu

vực thuộc bể Nam Côn Sơn cho thấy cửa số giữa pv và pnv rất hẹp, điều đó đòi

hỏi phải kiểm soát thường xuyên các dạng áp suất trên.

Trong điều kiện bể Nam Côn Sơn, trong các vỉa có áp suất cao yêu cầu khối lượng riêng vữa xi măng phải đạt đến 1,9-2,2 g/cm3 hoặc cao hơn. Trong điều kiện bình thường, đối với xi măng mác G tiêu chuẩn API, tỉ lệ N/XM = 0,5 thì khối lượng riêng của vữa đạt 1,81-1,85 g/cm3.

Hình 3.1. Biểu đồ grad pv, grad pnv bể Nam Côn Sơn

Mọi sai số về khối lượng riêng, xảy ra khi đóng rắn vữa xi măng trên bề

mặt có thế dẫn đến sự biến đổi lớn các thông số quan trọng, như thời gian

quánh và thời gian ngưng kết. Sự dịch chuyển không đều đặn trên bề mặt

cũng có thể hình thành ngoài cột ống cột vữa không đồng nhất, từ đó dẫn đến

sự lắng đọng pha rắn, xuất hiện nước tự do. Vì thế, trong quá trình bơm trám

phải theo dõi và kiểm tra khối lượng riêng của vữa xi măng.

Khối lượng riêng của vữa xi măng có thể nâng lên yêu cầu bằng cách

chọn chất làm nặng có khối lượng riêng cao đồng thời giảm tỉ số nước-xi

măng hoặc nâng cao khối lượng riêng chất lỏng pha trộn. Trong điều kiện

trám xi măng bể Nam Côn Sơn, việc nâng cao khối lượng riêng vữa xi măng

bằng cách sử dụng các chất làm năng có khối lượng riêng cao là hiệu quả

nhất.

3.1.2. Lựa chọn phụ gia làm nặng vữa xi măng

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 gia làm nặng của 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 của vỉa.

- MicroMax có tỉ trọng 4,7-4,9 được chế biến từ khoáng magan hausmanit, cỡ hạt 5µm, sử dụng rất có hiệu quả trong khoảng 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 vữa vữa 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 thức 3.2:

ố ượ

(

ướ

ụ

)

ể í

(

ướ

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 suất và nhiệt độ.

Tính chất của vữa xi măng

Hàm lượng các thành phần của vữa, % KLXM

Điều kiện thí nghiệm

Số TT

MicroMax

Hi- Dense

SSA- 1

Áp suất, MPa

Xi măng

Nhiệt độ, 0C

Khối lượng riêng vữa, g/cm3

Hiệu suất vữa, (ft3/sack)

Nước trộn, (gal/sack)

Tổng lượng nước trộn, (gal/sack)

2,04

100

2.16

7,97

9,09

66,65

155

2,10

100

2,09

6,68

8,53

93,02

176

2,13

100

1,99

6,28

7,78

75,79

170

2,19

100

1.86

4,81

6.84

84,68

180

2,19

100

1,86

5,03

6,81

84,685

180

2,19

100

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. Thời gian 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 khác nhau.

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:

(3.3) TQ = TCM + TP + TV + TPL + TDT

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

(3.4) TCM = Vxm / vxm

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

(3.5) TV = Vdd / vv

Trong đó Vdd – Thể tích chất lỏng để ép nút trên; vv – vận tốc ép.

Vì vậy, thể tích của cốc xi măng trong cột ống không tính vào thể tích

của vữa xi măng.

Cũng có thể 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.

Hình 3.3. Máy đo độ quánh Fann 290 HPHT [53]

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 trong bảng 3.2.

Bảng 3.2. Đơn pha chế vữa xi măng trám giếng khoan nhiệt độ và áp suất cao.

TT

Thành phần

Hàm lượng

Công dụng

Tỷ trọng (SG)

100% KLXM

3,15

Xi măng mác G

Xi măng nền

Silica SSA-1

35% KLXM

2,63

Phụ gia bền nhiệt

Hi-Dense 4

40% KLXM

5,02

Chất làm nặng

MicroMax

25% KLXM

4,8

Chất làm nặng

WellLife 987

7% KLXM

2,1

Phụ gia tăng độ bền

Microbond-HT

3% KLXM

4,8

Phụ gia giãn nở

Halad-413

0,5 gps

1,11

Phụ gia giảm độ thải nước

CSR-25

0,25 gps

1.16

Chậm ngưng kết

6,5 gps

1,0

Nước kỹ thuật

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/cm3 trong 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

Điều kiện thí nghiệm

Thời gian quánh (giờ, phút)

Mẫu

50 Bc

70 Bc

100 Bc

Nhiệt độ (0C)

Áp suất (MPa)

Khối lượng riêng vữa, (g/cm3)

2,04

125

08giờ52phút

08giờ53phút 08giờ53phút

2,13

135

05giờ11phút

05giờ52phút 05giờ58phút

2,13

140

05giờ00 phút

06giờ53phút 06giờ54phút

2,22

155

06giờ12 phút

06giờ13phút 06giờ13phút

2,22

150

88,88

01giờ13 phút

08giờ30phút 08giờ35phút

2,10

177

10giờ05 phút

10giờ05phút 10giờ18phút

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 có khối lượng riêng

2,04g/cm3 ở nhiệt độ 125 0C, áp suất 67 MPa (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 8giờ 53phút là thời gian quánh của vữa.

Hình 3.5 - Thời gian quánh của vữa xi măng có khối lượng riêng 2,13 g/cm3 ở nhiệt độ 135 0C và áp suất 70 MPa (mẫu B).

Hình 3.6. Thời gian quánh của vữa xi măng có khối lượng riêng 2,13 g/cm3 ở nhiệt độ 140 0C và áp suất 76 MPa (mẫu C).

Hình 3.7 - Thời gian quánh của vữa xi măng có khối lượng riêng 2,22 g/cm3 ở nhiệt độ 150 0C và áp suất 89MPa (mẫu D)

Hình 3.8 - Thời gian quánh của vữa xi măng có khối lượng riêng 2,22 g/cm3 ở nhiệt độ 1550C và áp suất 85MPa (mẫu E).

Hình 3.9 - Thời gian quánh của vữa xi măng có khối lượng riêng 2,10 g/cm3 ở nhiệt độ 177 0C và áp suất 93 MPa (mẫu F).

Hình 3.10 -Thời gian quánh của vữa xi măng có khối lượng riêng 2,04 g/cm3 ở nhiệt độ 177 0C 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 độ bền 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 độ bền 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 phap siêu âm (UCA).

Hình 3.11 - Thiết bị xác định độ bền nén bằng siêu âm (UCA)

Hình 3.12 - Sơ đồ nguyên lý làm việc thiết bị UCA [24]

3.3.3. Kết quả thí nghiệm 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 măng có 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

Điều kiện thí nghiệm

Thời gian đạt đến các giá trị độ bền nén (giờ. phút))

Mẫ u

Áp suất, MPa

0,345 MPa

0,689 MPa

3,45 MPa

6,89 MPa

Độ bền nén đạt được theo thời gian (MPa) 24 12 giờ giờ

48 giờ

17,47 - 19,84 - - -

Khối lượng riêng vữa, g/cm3 2,04 2,13 2,13 2,10 2,22 2,22 2,22

A B C D E F G

Nhiệt độ, 0C 155 155 170 177 180 180 193

20,67 20,67 20,67 93,10 20,67 20.67 103,40

6.42 8.15 18.02 19.03 14.03 12.42 17.41

723 8.33 18.31 19.29 14.16 12.56 17.56

12.54 14.20 20.36 21.08 15.21 13.56 19.40

15.00 16.05 22.11 22.43 16.04 14.34 19.57

- - 8,88 - - - -

13,38 14,70 10,94 9,92 23,39 37,28 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 măng khối lượng riêng vữa 2,04 g/cm3 (mẫu A) ở nhiệt độ 155 oC và áp suất 20,67 MPa.

Hình 3.14. Độ bền nén của đá xi măng khối 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 thủy hóa và tạo cấu trúc trong vữa xi măng. Sau một khoảng thời gian ứng

suất trượt tĩnh kết thúc, độ bền nén (đường màu xanh lục) phát triển đạt đến

giá trị 3,45 MPa tại thời điểm 20giờ 36phút - đây được gọi là độ bền cực tiểu

hoặc độ bền nén sớm và sau đạt giá trị cực đại ở thời điểm 48giờ 00phút.

Trên biểu đồ còn cho phép dự báo thời gian chờ ngưng kết và dự báo ứng

suất trượt tĩnh cuả vữa xi măng.

Hình 3.16. Độ bền nén của đá xi măng khối lượng riêng vữa 2,10 g/cm3 (D) ở nhiệt độ 177oC và áp suất 93,10 MPa

Hình 3.17. Độ bền nén của đá xi măng khối lượng riêng vữa 2,22 g/cm3 (E) ở nhiệt độ 180 oC và áp suất 20,67 MPa.

Hình 3.18. Độ bền nén của đá xi măng khối lượng riêng vữa 2,22 g/cm3 (F) ở nhiệt độ 180 oC và áp suất 20,67.

Hình 3.19. Độ bền nén của đá xi măng khối lượng riêng vữa 2,22 g/cm3 (G) ở nhiệt độ 193 oC và áp suất 103,4 MPa.

Từ các số liệu trong bảng 3.1 và được minh họa trên các hình 3.14 -

3.19 cho thấy độ bền nén của đá xi măng với khối lượng riêng khác nhau đều

tăng dần và đạt các giá tri cực đại dưới tác của của áp suất cao và gia tăng của

nhiệt độ. Thực tế cho thấy hơn 90% độ bền nén của xi măng trong giếng

khoan thường phát triển trong 48 giờ sau thời gian khuấy trộn, cho nên có thể

xác định độ bền nén trong khoảng 48 giờ. Đó cũng là thời gian tối thiểu trước

khi đo địa vật lý giếng khoan.

Một giai đoạn quan trọng trong lúc đầu sau khi trám xi măng là Thời

gian chờ đông cứng xi măng. Đó là thời gian độ bền nén phát triển trong vữa

ngay sau khi độ bền tĩnh của gel. Thời gian chờ xi măng đóng rắn (WOC

wait on cement) là thời gian được chọn để xi măng có độ bền nén cực tiểu,

bằng 3,45 MPa theo tiêu chuẩn API.

Khi vữa xi măng được điều chế và bơm vào giếng, vữa xi măng bắt đầu

thay đổi trạng thái lỏng ban đầu và chuyển dần thành vật thể rắn có ứng suất

khi bắt đầu hình thành gel và chất lỏng xuất hiện áp suất thủy tĩnh biểu hiện

sự biến dạng trượt và gel có ứng suất. Độ bền tĩnh của gel xuất hiện do sự

giảm thể tích làm giảm áp suất. Sự chuyển pha có ý nghĩa rất quan trọng, bởi

vì trong cột xi măng trạng thái bắt đầu tự duy trì và phần lớn áp suất thủy tĩnh

không chuyển cho dòng chảy biến đổi pha có nhiều thời gian để giảm thể tích.

Hiện tượng này dẫn đến sự xâm nhập khí qua vành đá xi măng và làm giảm

chất lượng trám xi măng trong giếng khoan. Đề phòng sự xâm nhập khí bằng

cách giảm thời gian biến đổi pha hoặc nâng vận tốc phát triển độ bền nén của

vữa xi măng.

Trên hình 3.21. Mẫu lõi đá xi măng được thí nghiệm trên máy đo UCA trong điều kiện nhiệt độ 1770C và áp suất 93,1 MPa. Độ bền nén cực tiểu 3,44 MPa trong thời gian 21giờ 08phút, và độ bền nén 9,92 MPa trong thời gian

24giờ00phút.

Hình 3.20. Mẫu lõi xi măng theo đơn pha chế 1 (Phụ lục 4)

Trên hình 3.21. Mẫu lõi đá xi măng được thí nghiệm trên máy đo UCA trong điều kiện nhiệt độ 1930C và áp suất 103,4 MPa. Độ bền nén cực tiểu 3,45 MPa trong thời gian 19giờ04phút, và độ bền nén 16,17 MPa trong thời

gian 24giờ 00 phút.

Hình 3.21. Mẫu lõi xi măng theo đơn pha chế 2 (Phụ lục 6)

Sử dụng xi măng mác G làm xi măng nền, có bổ sung 35% silica SSA-

1 và một số chất phụ gia khác, cho thấy độ bền nén của vành đá xi măng gia

tăng rất nhanh theo nhiệt độ và áp suất. Độ bền nén non tuổi phát triển nhanh

sẽ rút ngắn thời gian biến đổi pha, làm giảm nguy cơ xâm nhập khí trong vành

đá xi măng.

3.4. Xác định các tính chất đàn hồi của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

3.4.1. Tính chất biến dạng của đá xi măng

Đá xi măng bị biến dạng như là vật thể đàn hồi - dòn: sự phá hủy chúng

được đặc trưng vào thời điểm khi ứng suất đạt đến giới hạn đàn hồi; sự biến

dạng theo định luật Hooke. Gia tăng nhiệt độ và áp suất mọi phương có thể

làm cho xi măng biến dạng giống như vật thể đàn hồi - dẻo. Hệ xi măng dẻo

có trị số modun Young thấp và hệ số Poisson cao - thường chịu tải trọng tĩnh

và chu kỳ tốt hơn so với hệ xi măng giòn có trị số modun Young cao và hệ số

Poisson thấp.

Modun đàn hồi của đá xi măng tăng lên theo chiều sâu thế nằm của

chúng. Modun đàn hồi của đá xi măng phụ thuộc vào thành phần vữa, nhiệt

độ, áp suất vỉa, ứng suất kiến tạo.

Để bảo đảm độ kín của khoảng không trong vùng tiếp xúc “đá xi măng -

cột ống chống” thì đá xi măng cần phải phát triển áp suất nhất định. Vì vậy,

độ kín của giếng khoan phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi thể tích đá xi măng

khi đóng rắn. Điều đó có thể đạt được nhờ sử dụng hỗn hợp trám, có thể nở

trong quá trình tạo cấu trúc. Vì vậy, trị số nở cần phải lớn hơn so với sự giảm

thể tích của hệ do co ngót, đồng thời không được vượt quá lực tới hạn ép nén

hoặc phá vỡ sự ổn định của cột ống chống, và mục đích cuối cùng là giảm

modun Young và nâng cao hệ số Poisson trong điều kiện tải trọng tĩnh và chu

kỳ làm việc tốt hơn.

3.4.2. Thiết bị đo các tính chất đàn hồi

Trên hình 3.23 - Thiết bị MPRO - Model 6265 được dùng để xác định

các tính chất cơ học của xi măng như hệ số Poisson, Modun Young và một số thông số khác trong nhiệt độ tối đa: 204oC và áp suất tối đa 52MPa.

Hình 3.23.Thiết bị đo các tính chất cơ học của đá xi măng MPRO [24]

Thiết bị phân tích các tính chất cơ học Model 6265 (MPRO) là một

thiết bị thí nghiệm không phá hủy, cho phép quan sát quá trình thay đổi liên

tục các tính chất cơ học của xi măng (hệ số Poisson, modun Young) modun

thể tích và độ bền nén của xi măng trong quá trình đóng rắn trong các điều

kiện áp suất cao và nhiệt độ cao trong chế độ thời gian thực. Có thể sử dụng

để dự báo thời gian đóng rắn của xi măng và đảm bảo tối ưu hóa thành phần

hóa học của xi măng, nâng cao đặc tính độ bền của xi măng.

3.4.3. Kết quả thí nghiệm

Trên cơ sở đơn pha chế vữa xi măng (xem bảng 3.2), xác định sự biến

đổi các thông số đàn hồi trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.

Trên hình 3.23 - Sự biến đổi các thông số đàn hồi theo nhiệt độ và áp

suất.

Hình 3.23. Các thông số đàn hồi của của đá xi măng

Trên đồ thị: Đường màu đỏ - hệ số Poisson; đường xanh lam -

modun Young; đường màu xanh da trời - modun thể tích; đường màu đen - độ

bền nén.

Trong đồ thị: Modun Young đạt đến giá trị 8,61 MPa trong 10 giờ đầu

tiên và ổn định ở 15,17 MPa sau 150 giờ thí nghiệm. Hệ số Poisson dao động

trong khoảng 0,30 - 0,25.

Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, yêu cầu vành đá xi măng bên

ngoài cột ống chống trong giếng khoan phải có độ mềm dẻo nhất định. Vì

vậy, cần sử dụng xi măng có trị số modun Young thấp [25]. Ngoài ra để đá xi

măng tiếp xúc tốt với cột ống chống và thành giếng xi măng cần dãn nở một ít

sau khi đóng rắn. Để đạt yêu cầu trên, trong đơn pha chế vữa đã sử dụng phụ gia giãn nở “WellLifeTM”. Kết quả thí nghiệm cho thấy cho thêm phụ gia WellLife-987 đá xi măng ít dòn, bền chắc và dẻo hơn so với xi măng thông

thường.

Khi sử dụng một trong các phương pháp trên đây, tạo cho vành đá xi

măng có tính đàn hồi tốt hơn bằng cách giảm modun Young và nâng cao hệ

số Poisson. Trong điều kiện tải trọng tĩnh và chu kỳ, xi măng có modun cao

và hệ số Poisson thấp làm việc tốt hơn. Vì vậy, ngoài việc xác định độ bền,

điều đặc biệt quan trọng là phải nghiên cứu đặc điểm biến dạng đàn hồi của xi

măng trám dưới tác động của các tải trọng cơ học.

3.5. Độ rỗng và độ thấm của đá xi măng

3.5.1. Độ rỗng của đá xi măng.

Độ rỗng (m) hoặc độ rỗng thể tích được xác định bằng tỉ số (tính bằng

phần trăm) giữa tổng thể tích rỗng PV trên thể tích thực khối đá xi măng BV,

được tính theo công thức 3.1:

(3.1) Độ rỗng (%) =

Độ rỗng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như hình dạng, kích × 100

thước và các phụ gia và sự phân bố lẫn nhau của các hạt xi măng, tính không

đồng nhất kích thước của các hạt, quá trình đóng rắn của đá xi măng, điều

kiện nhiệt độ và áp suất.

Thực tế cho thấy thành phần hạt của xi măng, phụ gia bền nhiệt, phụ

gia tăng trọng càng nhỏ thỉ độ rỗng càng tăng. Các hạt không đồng đều về

kích thước càng lớn thì độ rỗng càng nhỏ (hạt nhỏ nằm xen lẫn trong khe hở

lớn). Độ rỗng của đá xi măng được xác định bằng máy đo độ rỗng (hình

3.24).

82 82 82

Hình 3.24. Máy đo độ rỗng của đá xi măng [53]. Hình 3.24. Máy đo độ rỗng của đá xi măng [53]. Hình 3.24. Máy đo độ rỗng của đá xi măng [53].

3.5.2. Độ thấm của đá xi măng 3.5.2. Độ thấm của đá xi măng 3.5.2. Độ thấm của đá xi măng

Độ thấm của đá xi măng là khả năng của đá xi măng cho chất lỏng và Độ thấm của đá xi măng là khả năng của đá xi măng cho chất lỏng và Độ thấm của đá xi măng là khả năng của đá xi măng cho chất lỏng và

chất khí đi qua dưới độ chênh áp nhất định. Để bảo đảm sự cách ly tốt các vỉa chất khí đi qua dưới độ chênh áp nhất định. Để bảo đảm sự cách ly tốt các vỉa chất khí đi qua dưới độ chênh áp nhất định. Để bảo đảm sự cách ly tốt các vỉa

thì đá xi măng trong không gian vành xuyến cần có độ thấm tối thiểu đối với thì đá xi măng trong không gian vành xuyến cần có độ thấm tối thiểu đối với thì đá xi măng trong không gian vành xuyến cần có độ thấm tối thiểu đối với

chất lưu vỉa. chất lưu vỉa. chất lưu vỉa.

Trong những điều kiện nhất định độ thấm của đá xi măng tăng có thể là Trong những điều kiện nhất định độ thấm của đá xi măng tăng có thể là Trong những điều kiện nhất định độ thấm của đá xi măng tăng có thể là

nguyên nhân ngập nước giếng khoan, lưu thông dòng dầu và khí trong các nguyên nhân ngập nước giếng khoan, lưu thông dòng dầu và khí trong các nguyên nhân ngập nước giếng khoan, lưu thông dòng dầu và khí trong các

tầng sản phẩm. Khi nước hoặc khí xâm nhập vào vành đá, vành đá xi măng dễ tầng sản phẩm. Khi nước hoặc khí xâm nhập vào vành đá, vành đá xi măng dễ tầng sản phẩm. Khi nước hoặc khí xâm nhập vào vành đá, vành đá xi măng dễ

bị phá hủy. bị phá hủy. bị phá hủy.

Đá xi măng đóng rắn chặt sít, không thấm, có độ ổn định cao chống lại Đá xi măng đóng rắn chặt sít, không thấm, có độ ổn định cao chống lại Đá xi măng đóng rắn chặt sít, không thấm, có độ ổn định cao chống lại

sự ăn mòn của nước vỉa, cách ly tốt, chống sập lở. Trong một số điều kiện sự ăn mòn của nước vỉa, cách ly tốt, chống sập lở. Trong một số điều kiện sự ăn mòn của nước vỉa, cách ly tốt, chống sập lở. Trong một số điều kiện

nhất định, độ thấm của đá xi măng tăng có thể là nguyên nhân ngập nước nhất định, độ thấm của đá xi măng tăng có thể là nguyên nhân ngập nước nhất định, độ thấm của đá xi măng tăng có thể là nguyên nhân ngập nước

giếng khoan, sự xâm nhập dầu khí trong các tầng sản phẩm trong không gian giếng khoan, sự xâm nhập dầu khí trong các tầng sản phẩm trong không gian giếng khoan, sự xâm nhập dầu khí trong các tầng sản phẩm trong không gian

vành xuyến. vành xuyến. vành xuyến.

Độ thấm của đá xi măng thay đổi trong quá trình đóng rắn và phụ thuộc Độ thấm của đá xi măng thay đổi trong quá trình đóng rắn và phụ thuộc Độ thấm của đá xi măng thay đổi trong quá trình đóng rắn và phụ thuộc

nhiều vào các tính chất của xi măng và phụ gia, tỉ lệ N/XM, điều kiện và thời nhiều vào các tính chất của xi măng và phụ gia, tỉ lệ N/XM, điều kiện và thời nhiều vào các tính chất của xi măng và phụ gia, tỉ lệ N/XM, điều kiện và thời

gian đóng rắn của xi măng. gian đóng rắn của xi măng. gian đóng rắn của xi măng.

Hiện nay chưa có quy định chung về độ thấm của đá xi măng, nhưng

kinh nghiệm và tính toán cho thấy, để cách ly tốt các tầng sản phẩm thì nên sử

dụng vữa xi măng khi đóng rắn thành đá có độ thấm 0,1mD.

Để xác định độ thấm của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất

cao đã tiến hành thí nghiệm theo đơn pha chế như trong bảng 3.2 với các phụ

gia tăng trọng Barite và Hi-Dense 4. Thí nghiệm được tiến hành theo Tiêu

chuẩn API RP 10B-2 - Phiên bản 2 - Quy phạm thí nghiệm xi măng.

Hệ số thấm của môi trường lỗ hổng được xác định trên Máy đo độ thấm

(hình 3.25).

Hình 3.25. Máy đo độ thấm của đá xi măng [53]

Để tính toán độ thấm của đá xi măng trên máy đo sử dụng khí Ni tơ

theo phương trình 3.2 sau đây:

)

]

( ⨯ [(

)

(3.2) Độ thẩm K =

Trong đó: K = độ thấm, mD; B = Áp suất khí áp kế, at; Q = Lưu lượng

thể tích dòng khí đi qua ở áp suất khí áp kế, cm3/s; = Độ nhớt động lực của

khí ở nhiệt độ đo, cP; L = Chiều dài của mẫu lõi, cm; A = diện tích mặt cắt ngang của mẫu lõi, cm2; p = áp suất khí phun, at .

Trên bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm đo độ rỗng và độ thấm của đá xi măng

từ các hỗn hợp 1: xi măng Holcim + Hi-Dense 4 + MicroMax và hỗn hợp 2:

xi măng Holcim + Barite + MicroMax (phụ lục 8, 9)

Bảng 3.5. Độ rỗng và độ thấm của đá xi măng

Các mẫu Độ rỗng (%) Độ thấm (mD)

23% 0,075 Xi măng + Hi-Dense 4 + MicroMax

28% 0,0018 Xi măng + Hi-Dense 4 + MicroMax

38,166% < 0,0005 Xi măng + Barite + MicroMax

38,916% <0,0007 Xi măng + Barite + MicroMax

Kết quả thí nghiệm cho thấy, mẫu đá xi măng có các thành phần chất

làm nặng là Barite + MicroMax có độ rỗng trung bình 38,53% có độ thấm

thấp hơn so với mẫu đá xi vữa xi măng có chất làm nặng là Hi-Dense 4 và

Micro Max có độ rỗng trung bình 25%.

Độ thấm của đá xi măng đạt dưới 0,1 mD, để cách ly tốt các tầng sản

phẩm trong điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao tại bể Nam Côn Sơn như kết

quả thí nghiệm là hợp lý.

Độ thấm của đá xi măng trong thực tế trám giếng khoan thường không

quy định, nhưng theo kinh nghiệm và tính toán cho thấy để cách ly tốt các

tầng sản phẩm trong điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao tại bể Nam Côn Sơn

như kết quả thí nghiệm là hợp lý.

Kết luận Chương 3

- Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, khối lượng riêng vữa xi măng

phải đảm bảo cân bằng với áp suất vỉa và thấp hơn áp suất nứt vỉa. Các sản

phẩm Hi-Dense 4 và MicroMax là các phụ gia làm nặng rất hiệu quả và cải

thiện các tính chất khác của đá xi măng.

- Thời gian quánh của vữa xi măng phải lớn hơn tổng thời gian các

công đoạn trám xi măng giếng khoan. Lựa chọn phụ gia CSR-100, HR-25 cho

phép kéo dài thời gian quánh, ngưng kết của vữa xi măng.

- Các tính chất cơ học của đá xi măng (độ bền nén, modun Young, hệ

số Poisson) với các thành phần đơn pha chế là hợp lý, đáp ứng các yêu cầu

lâu dài của vành đá xi măng trong giếng khoan trong điều kiện áp suất cao

nhiệt độ cao.

86 86 86

Chương 4. THỬ NGHIỆM VỮA XI MĂNG TRÁM Chương 4. THỬ NGHIỆM VỮA XI MĂNG TRÁM Chương 4. THỬ NGHIỆM VỮA XI MĂNG TRÁM CỘT ỐNG CHỐNG KHAI THÁC 5 ½” GIẾNG KHOAN CỘT ỐNG CHỐNG KHAI THÁC 5 ½” GIẾNG KHOAN CỘT ỐNG CHỐNG KHAI THÁC 5 ½” GIẾNG KHOAN TẠI BỂ NAM CÔN SƠN TẠI BỂ NAM CÔN SƠN TẠI BỂ NAM CÔN SƠN

4.1. Đặc điểm cấu trúc giếng khoan dầu khí bể Nam Côn Sơn 4.1. Đặc điểm cấu trúc giếng khoan dầu khí bể Nam Côn Sơn 4.1. Đặc điểm cấu trúc giếng khoan dầu khí bể Nam Côn Sơn

Kết quả khoan tại bể Nam Côn Sơn cho thấy, các giếng khoan gặp áp Kết quả khoan tại bể Nam Côn Sơn cho thấy, các giếng khoan gặp áp Kết quả khoan tại bể Nam Côn Sơn cho thấy, các giếng khoan gặp áp

suất cao nhiệt độ cao chủ yếu tập trung tại khu vực phía Đông Bắc của bể, bao suất cao nhiệt độ cao chủ yếu tập trung tại khu vực phía Đông Bắc của bể, bao suất cao nhiệt độ cao chủ yếu tập trung tại khu vực phía Đông Bắc của bể, bao

gồm các lô 04-3, 05-1, 05-2 và 05-3. Tại bể Nam Côn Sơn các giếng khoan gồm các lô 04-3, 05-1, 05-2 và 05-3. Tại bể Nam Côn Sơn các giếng khoan gồm các lô 04-3, 05-1, 05-2 và 05-3. Tại bể Nam Côn Sơn các giếng khoan

thường có cấu trúc các cột ống chống như sau (hình 4.1): thường có cấu trúc các cột ống chống như sau (hình 4.1): thường có cấu trúc các cột ống chống như sau (hình 4.1):

Hình 4.1. Cấu trúc giếng khoan lô 05 bể Nam Côn Sơn Hình 4.1. Cấu trúc giếng khoan lô 05 bể Nam Côn Sơn Hình 4.1. Cấu trúc giếng khoan lô 05 bể Nam Côn Sơn

- Cột ống đường kính 30” để gia cố phần đất đá bở rời gần đáy biển;

- Cột ống đường kính 20” để gia cố giếng trước khi khoan vào hệ tầng

Nam Côn Sơn;

- Cột ống đường kính 13 3/8” được thả và gia cố toàn bộ hệ tầng Nam

Côn Sơn trước khi khoan vào hệ Thông - Mãng Cầu;

- Cột ống đường kính 9 5/8” được thả và gia cố toàn bộ hệ tầng Thông-

Mãng Cầu hoặc hệ tẩng Cau để cách ly tầng Oligocen với tầng Miocen có khả

năng xảy ra mất dung dịch và bảo vệ tầng sản phẩm;

- Cột ống lửng 7 5/8” hoặc 5 ½” là cột ống chống khai thác các đối tượng

chứa dầu khí trong móng hoặc cách ly tầng phong hóa nứt nẻ ở trên nóc

móng, có áp suất cao và nhiệt độ cao.

Cấu trúc ống chống

Địa tầng

PP/FG/OB

Tỉ trọng dd (ppg)

(PPGE)

~300m (based on Soil / Cond. Driving Study)

30" Conducter

8.4 - 8.5

WBM

~700m (10-3/4" x 10" XO for 5-1/2" SSSV)

OB

~1250m (based on SHA Recommendation)

8.7 - 9.1

26" Hole / 22" Surface Casing

mTVDss

~1800m (if insufficient LOT at 22" shoe)

20" Hole / 16" Contingency Liner

T100

Top

2023

PP

T100

FG

~2450m (~10m top of Press. Ramp)

9.5 - 11.5

22" Hole / 18" Surface Liner

T90

17-1/2" Hole / 13 5/8" Intermediate Casing

14.6 - 14.7

~2600m (thru Pressure Ramp)

T90 T85

Top Top

2480- 2655

SBM

UMA5

T85

UMA40

UMA5/40 MMH10

MMH10

LMH10

T30

12-1/4" Hole / 10" x 10 3/4 Production Casing

LMH20

~3560m (~10m above Primary Targets)

17.1 - 17.2

LMH10 LMH20 LMH30

LMH30

7 5/8" Contingency Liner

HT-H1 RESERVOIR TEMPERATURE RANGE

LMH40

~3800m (Faults or NDS)

MW

LMH40/45

5 1/2" Production Liner

Reservoir Targets Top Top Base Top Base Top Base Top Base Top Base

2909 3110 3209 3395 3421 3460 3510 3574 3610 3631 3890

LMH45

~4040m (~150m Below Base of Primary Targets)

17.2 - 17.3

Base on HT-1X EWR

Base on HT-H1 SOR

Hình 4.2. Cấu trúc giếng khoan

4.2. Sơ lược công nghệ bơm trám xi măng giếng khoan

Tại bể Nam Côn Sơn, công nghệ bơm trám xi măng được trang bị bằng

các hệ thống bơm trám chuyên dụng, bảo đảm bơm ép vữa xi măng theo chiều

sâu thiết kế của từng cột ống.

Công nghệ bơm trám xi măng các giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn

thường áp dụng các phương pháp sau đây:

- Trám thuận một tầng: vữa xi măng được bơm vào cột ống chống (1

liều hoặc 2 liều khác nhau) kết hợp với nút trám trên và nút trám dưới để đẩy

ép vữa xi măng vào khoảng không vành xuyến đến chiều sâu thiết kế.

- Phương pháp trám cột ống lửng: Vữa xi măng được bơm qua cần

khoan, qua chân đế ống chống vào khoảng không vành xuyến. Khi trám phân

đoạn, cột ống chống được thả làm 2 lần: lần 1 thả và trám như ống chống

lửng, sau đó thả và trám tiếp đoạn 2, tiếp theo kết nối với đầu ống chống lửng

bằng đầu nối kiểu tie-back.

Định tâm được sử dụng để giữ cho cột ống chống năm ở tâm giếng

khoan, đảm bảo cách ly vỉa và bảo vệ tốt ống chống và tăng hiệu quả thay thế

dung dịch khoan.

Để đảm bảo chất lượng trám xi măng giếng khoan cần thiết phải đẩy hết

dung dịch khoan và mùn khoan trước khi vữa tiếp xúc với ống chống, vì vậy

phải lựa chọn dung dịch đệm có độ nhớt, khối lượng riêng, ứng suất trượt tĩnh

phù hợp tạo ra lớp đệm giữa dung dịch khoan và vữa xi măng.

4.3. Thiết kế hệ vữa xi măng trám cột ống chống khai thác 5½”.

4.3.1. Các yêu cầu thiết kế vữa xi măng

Thiết kế hệ vữa xi măng là trên cơ sở dự báo sự biến đổi các tính chất

của vữa, lựa chọn các thành phần của phụ gia (công dụng, phẩm chất, hàm

lượng) theo các điều kiện của cột ống khai thác trong giếng khoan: chiều sâu

thả cột ống khai thác, nhiệt độ tuần hoàn và nhiệt độ tĩnh trên đáy giếng. Vì

vậy, nhiệm vụ của thiết kế vữa xi măng là: 1) lựa chọn tối ưu các thành phần

của vữa như xi măng nền, phụ gia chịu nhiệt cùng các phụ gia khác; 2) điều

chỉnh hàm lượng các thành phần để vữa xi măng trám có đủ các tính chất

công nghệ phù hợp với các điều kiện địa chất-kỹ thuật khoảng chiều sâu

chống ống khai thác.

Do điều kiện địa chất và đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao của bể Nam

Côn Sơn có ảnh hưởng đến các tính chất của vữa và đá xi măng, đòi hỏi phải

điều chỉnh các tính chất của vữa và đá xi măng bằng các phụ gia hóa chất.

Các thông số công nghệ của hệ xi măng đòi hỏi phải thay đổi do đặc

điểm công nghệ thi công hoặc các điều kiện giếng khoan là thời gian quánh

hoặc thời hạn ngưng kết, các tính chất lưu biến, tính ổn định chống lắng kết

đối với vữa và độ bền nén, tính đàn hồi, độ thấm đối với đá xi măng. Độ nhớt

và thời gian quánh cần phải được tối ưu hóa để vữa xi măng duy trì được thời

gian bơm ép để vữa lấp đầy không gian vành xuyến và dâng cao đến chiều

cao cần thiết trong giếng khoan.

Khi thay đổi định lượng một chỉ tiêu của vữa xi măng sẽ làm biến đổi

một hay các thông số, và có trường hợp không mong muốn. Vì vậy, các phụ

gia khi bổ sung vào các hệ xi măng, có tác dụng tổng hợp và thay đổi đồng

thời một vài thông số.

Cùng một điều kiện như nhau, một số phụ gia có tác động thuận lợi đến

các tính chất của hệ xi măng, song trong các điều kiện khác các phụ gia trên

với các liệu lượng khác nhau có thể gây ra tác dụng ngược lại.

4.3.2. Xi măng nền

Theo tiêu chuẩn API, xi măng trám giếng khoan được phân thành 9

nhóm từ nhóm A đến nhóm H phụ thuộc vào chiều sâu và các điều kiện sử

dụng trám giếng khoan.

Nhóm A- dùng để trám giếng khoan đến chiều sâu 1830 m, không yêu

cầu các tính chất đặc biệt của xi măng, là loại thông thường (tương ứng với xi

măng C 150, theo tiêu chuẩn ASTM loại I.

Nhóm B - dùng để trám giếng khoan đến chiều sâu 1.830m, có độ bền

chống sunfat ăn mòn từ vừa đến cao. Nhóm B tương đương với ASTM loại II,

và nó có hàm lượng C3A thấp hơn nhóm A.

Nhóm C - được sử dụng với chiều sâu đến 1.830m, khi yêu cầu tăng

nhanh độ bền trong thời gian ngưng kết sớm. Nhóm C có cả ba dạng có độ

bền chống sunfat và nó tương đương với ASTM loại III. Để đạt độ bền sớm

hơn thì hàm lượng C3S và diện tích bề mặt tương đối cao.

Nhóm D, E và F, còn gọi là loại xi măng chậm đông kết được sử dụng

cho những giếng khoan sâu hơn. Sự chậm đông kết là kết quả của sự giảm

khối lượng các pha hydrat hóa nhanh hơn (C3S và C3A) và do tăng kích thước

các hạt xi măng.

Nhóm D - sử dụng ở độ sâu từ 1.830 m đến 3.050 m trong điều kiện

nhiệt độ và áp suất tương đối cao.

Nhóm E - sử dụng ở độ sâu từ 3.050 m đến 4.270 m trong điều kiện

nhiệt độ và áp suất cao.

Nhóm F - sử dụng ở độ sâu từ 3.050 m đến 4.880 m trong điều kiện

nhiệt độ và áp suất cực kỳ cao.

Nhóm G và H là nhóm xi măng được sản xuất tùy thuộc vào công nghệ

đông nhanh hay chậm theo tiêu chuẩn API xi măng trám giếng khoan được

phân loại thành 8 nhóm từ nhóm A đến nhóm H phụ thuộc vào chiều sâu và

các điều kiện sử dụng trám giếng khoan.

Nhóm G và H được sử dụng làm xi măng trám giếng khoan từ bề mặt

đến độ sâu 2.440m, có thể kết hợp với các chất phụ gia chậm đông hay đông

không cần phải thêm canxi sunfat hoặc nước hay cả hai trong quá trình thực

nghiện trộn clinke sản xuất xi măng nhóm G và H.

Hiện nay, trong các điều kiện bể Nam Côn Sơn thường sử dụng xi

măng mác Holcim G-API, có các thành phần thành phần khoáng như sạu:

Tricalcium Silicat (Alit)- 3CaO.SiO2 ………….……....64,0%

Dicalcium Silicat (Belit) - 2CaO.SiO2 ………………....16,0%

Tricalcium Aluminat - 3CaO.Al2O3 ……………….……2,3%

Tetracalcium Aluminoferrit - 4CaO Al2O3.Fe2O3 …...……..6,0%

Tổng : 3CaO.Al2O3+4CaO.Al2O3.Fe2O3 ……………..20,0% .

4.3.3. Các phụ gia xi măng [28b].

- Phụ gia làm nặng Hi-Dense 4, 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. Hi-Dense 4 có thành phần hạt 45 µm chiếm 80%, độ

phân tán cao, không bị lắng đọng. Phụ gia có thể trộn để tạo ra vữa xi măng có khối lượng riêng 3,15 g/cm3.

- MicroMax là phụ gia làm nặng được chế biến từ khoáng mangan

Hausmannit có tỉ trọng 4,7-4,9, cỡ hạt bình quân 5 m. MicroMax sử dụng rất hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ 270C-2600C.

- Phụ gia ổn định độ bền SSA-1 (còn gọi là Silica nghiền) giúp chống

lại sự suy thoái độ bền nhờ tác dụng hóa học với xi măng ở nhiệt độ cao, giảm

độ thấm của xi măng. SSA-1 có tính tương thích cao với các phụ gia khác

trong vữa các chất chậm ngưng kết, giảm ma sát, giảm độ thải nước và làm

nặng.

- Phụ gia làm chậm ngưng kết và đóng rắn: CSR-100L, HR-25L, FDP-

C765.

CSR-100L có tác dụng tốt trong hỗn hợp vữa xi măng - nước kỹ thuật trong điều kiện nhiệt độ tuần hoàn trên đáy khoảng 1210C. Kết hợp với phụ

gia Halad, phụ gia CSR-100 có tính xúc biến. Khi vữa xi măng đóng rắn trong

khoảng 24 giờ với nhiệt độ tuần hoàn trên đáy, độ bền nén của vành đá xi

măng đạt trị số rất cao.

HR-25 là phụ gia làm chậm ngưng kết ở nhiệt độ cao. Phụ gia còn có tác dụng bổ trợ chọ SCR-100. HR-25 ở nhiệt độ tuần hoàn trên đáy từ 930C và 2030C. Hàm lượng HR-25 hợp lý trong vữa từ 0,5% đến 2,0%. HR-25 khả năng hòa tan cao trong nước, do tính phân bố đều và ít ảnh hưởng đến sự phát

triển độ bền nén ở phần trên của cột xi măng có chiều dài lớn.

FDP-C765 là một loại polyme bền nhiệt được sử dụng trong khoảng

nhiệt độ cao và rất cao. FPD có thể dùng chất chậm ngưng kết độc lập trong khoảng 93-1490C. Tỉ lệ trung bình từ 0.1 và 5% khối lượng xi măng. Khi nhiệt độ trên đáy giếng đạt đến 3150C, phụ gia FPD phối hợp với chất chậm

đông HR-25 rất có hiệu quả với tỉ lệ 1:1. Sử dụng FPD cho phép kéo dài thời

gian bơm và tăng thời gian quánh của vữa xi măng.

- Phụ gia giảm độ thải nước Halad-413L là một phụ gia tổng hợp không

nhớt để điều chỉnh độ thải nước và còn có tác dụng như là chất phân tán, làm

chậm ngưng kết, điều chỉnh tốt độ nhớt của chất lỏng và áp suất tuần hoàn.

Ngoài ra, phụ gia Halad-413L duy trì khối lượng riêng vữa xi măng, hạn chế

khí xâm nhập vào giếng, chống sự ăn mòn của nước vỉa, tạo sự kết dính tốt

vành đá xi măng với cột ống chống.

- Phụ gia nở - MICROBOND-HT, là phụ gia hóa học có tác dụng nở. Bổ

sung Microbond-HT sẽ phép ngăn ngừa sự tạo thành các rạn nứt rất bé, nguồn

gốc sự liên thông chất lưu giữa các vỉa. Đặc điểm của phụ gia nở Microbond

là khi nhiệt độ càng tăng thì sự giãn nở càng nhanh.

- Phụ gia tiêu bọt D-Air-4000L, được bổ sung vào vữa xi măng để triệt

tiêu lượng bọt xuất hiện trong thời gian pha trộn vữa, gây khó khăn cho công

tác trám xi măng – chủ yếu là khó xác định được thể tích bơm trám và khối

lượng riêng của vữa. Sử dụng D-Air-4000L, ít ảnh hưởng đến độ thải nước,

thời gian quánh, độ nhớt của vữa và độ bền nén của đá xi măng. Hàm lượng

D-Air 4000L cho phép trong khoảng 0,0025 đến 0,45% theo khối lượng của

xi măng.

- Chất phân tán CFR-3L cho phép giảm độ nhớt biểu kiến và nâng cao

các tính chất lưu biến của vữa xi măng, nhờ đó đạt chế độ chảy rối khi lưu

lượng bơm thấp, giảm áp suất ma sát trong thời gian bơm ép, giảm bớt công

suất thủy lực. Ngoài ra, CFR-3L có thể điều chỉnh tốt độ thải nước và có thể

bảo đảm làm chậm thêm ngưng kết.

- Phụ gia tăng cường tính cơ lý của vành đá xi măng WELLLIFE-684 là

phụ gia sợi carbon được dùng để cải thiện tính chất cơ học của vành đá xi

măng, làm cho vành đá bớt dòn, bền hơn và có tính đàn hồi so với xi măng

thông thường. WELLLIFE-684 là phụ gia đàn hồi, dạng hạt có tỉ trọng 1,80,

sử dụng ở nhiệt độ cao, giúp tăng độ bền kéo và không ảnh hưởng đến độ bền

nén. WELLLIFE-987 tỉ trọng 2,0 sử dụng cho vữa có khối lượng riêng 1,68 g/cm3 hoặc cao hơn.

- Phụ gia tạo huyền phù SA-1015TM là cho phép ngăn sự lắng kết pha rắn, giữ cho hạt rắn trong trạng thái lơ lửng và kiểm soát lượng nước tự do,

đặc biệt trong vữa có tỉ lệ xi măng nước cao. Nhờ giảm độ lắng kết vữa của xi

măng nên có thể ngăn chặn xi măng bó chèn cột ống chống lửng, hạn chế sự

thấm lọc vào tầng sản phẩm hoặc tầng chứa nước.



Xi măng pooclan Holcim tiêu chuẩn G-

Hệ XM nặng- bền nhiệt: XM (100%) + SSA-1 (35%) + HiDense (40%) + MicroMax (25%).

API

Hình 4.3. Hệ xi măng nặng bền nhiệt cho điều kiện bể Nam Côn Sơn

Trên hình 4.3. Hệ xi măng nặng bền nhiệt sử dụng cho điều kiện bể

Nam Côn Sơn: Xi măng Holcim + phụ gia silica SSA-1 + các chất làm nặng

Hi-Dense 4 + MicroMax.

4.4. Đơn pha chế vữa xi măng trám cột ống chống khai thác

4.4.1. Thành phần xi măng và phụ gia

Trên cơ sở phân tích: các đặc tính của vữa xi măng trong điều kiện áp

suất cao nhiệt độ cao, các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và tổng

hợp kinh nghiệm trám xi măng giếng khoan trên thềm lục địa nói chung và bể

Nam Côn Sơn nói riêng, nêu trong các chương 2, 3, 4 - đơn pha chế vữa xi

măng tối ưu để trám cột ống chống khai thác 5 ½” các giếng khoan trong điều

kiện nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn, trình bày trong bảng 4.1.

Bảng 4.1. Đơn pha chế vữa xi măng

Các thông tin về giếng khoan

Đường kính giếng, (mm)

Chiều dài thân giếng, (m)

Chiều sâu giếng, (m)

Nhiệt độ tĩnh trên đáy, (0C)

Nhiệt độ động, (0C)

Đường kính cột ống chống, (mm)

150

4.308

4.198

180

5 ½”

8 ½”

Thành phần vữa xi măng

Thành phần

Tỷ trọng

Công dụng

Hàm lượng

100% KLXM

3,15

XM Holcim API-G

Xi măng nền

35% KLXM

2,63

SSA-1A

Chất ổn định độ bền

40% KLXM

5,02

Hi-Dence No4

Chất tăng trọng

25% KLXM

4,48

Micromax FF

Chất tăng trọng

7% KLXM

2,10

WellLife-987 (FP)

Gia cường độ bền

3% KLXM

3,57

Microbond-HT

Chất nở

1% KLXM

1,92

FDP-C765-04

Chậm ngưng kết

0,27 gps

1,16

CSR-100L

Chậm ngưng kết

1,20

0,29 gps

HR-25L

Chậm ngưng kết

1,17

0,9 gps

CFR-3L

Chất pha loãng

1,11

0,3 gps

Halad-413L

Giảm độ thải nước

0,1% KLXM

0,796

D-Air 4000L

Phụ gia tiêu bọt

0,05% KLXM

1,43

GasStop HT (PB)

Ngăn xuất hiện khí

0,1 gps

1,47

SA-1015 (PB)

Tạo huyền phù

4.4.2. Các thông số của vữa xi măng

Trên bảng 4.2 trình bày các thông số công nghệ của vữa xi măng để

trám cho cấp ống chống khai thác đường kính 5 ½” trong khoảng nhiệt độ và

áp suất cao.

Bảng 4.2. Các thông số công nghệ của vữa xi măng

Các tính chất của xi măng

Khối lượng riêng vữa, (g/cm3) 2,22

Hiệu suất vữa ft3/sack 1,88

Nước trộn gal/sack 5,03

Tổng lượng nước trộn gal/sack 6,81

Độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh

600

300

200

100

PV/YP

Nhiệt độ (0C) 26

215

128

Hệ số K1 0.289

Hệ số K2 0.735

682/29

120

0.289

0.375

527/13

Độ thải nước API

Nhiệt độ, (0C) 88

Áp suất, (MPa) 6,89

Thời gian, (phút) 30

Độ thải nước, (cm3/30 min) 28

Thể tích đo, (cm3) 14

Thời gian đo, (phút) 30

Độ quánh

Nhiệt độ, (0C) 160

Áp suất, (MPa) 84,68

50 Bc (giờ, phút) 06.44

70 Bc (giờ, phút) 06.44

100 Bc (giờ, phút) 06.45

Độ bền nén UCA

Nhiệt độ, (0C)

180

Áp suất, (MPa) 20,67

0,345 MPa, (giờ, phút) 12,42

3,45MPa, (giờ, phút) 13,56

24 giờ (MPa) 23,47

Trong đơn pha chế cho thấy chọn hàm lượng phụ gia silia, các chất làm

nặng Hi-Dense và MicroMax là hợp lý nhất cho các điều kiện nhiệt độ và áp

suất cao tại bể Nam Côn Sơn.

Tùy theo điều kiện giếng khoan khác nhau có thể chọn hàm lượng của

các phụ gia khác để điều chỉnh các thông số của vữa cho phù hợp. Từ các

thành phần và các thông số của vữa trong đơn pha chế trên đây dựa trên cơ sở

lý thuyết, các kết quả thí nghiệm trên các thiết bị hiện đại và tham khảo các

kinh nghiệm trám giếng khoan trong thời gian qua tại bể Nam Côn Sơn.

Trên quan điểm nâng cao chất lượng trám xi măng giếng khoan cần chú

ý đến các thông số của vữa hình thành trong vữa như chế độ chảy rối. Để đạt

được chế độ dòng chảy rối có liên quan đến tăng vận tốc dòng chảy, điều đó

sẽ dẫn đến tăng áp suất trong khoảng không gian vành xuyến và dễ gây ra nứt

vỉa thủy lực. Để bảo đảm chế độ dòng chảy rối ngoài việc tăng vận tốc dòng

thoát mà bằng cách điều chỉnh các tính chất lưu biến của vữa. Trong đơn pha

chế này, sử dụng các phụ gia giảm độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh.

4.5. Đánh giá chất lượng vữa trám xi măng

Chất lượng trám xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó vữa

trám có vai trò quyết định. Vữa trám bảo đảm cách ly hoàn toàn các tầng sản

phẩm, ngăn sự liên thông dòng chất lưu theo thân giếng và độ kín của không

gian vành xuyến được lấp đầy bởi các vật liệu xi măng. Sau khi kết thúc công

đoạn trám xi măng các cột ống, việc đánh giá chất lượng thông qua các

phương pháp địa vật lý giếng khoan, trong đó thể hiện:

- Chiều cao dâng của vữa ngoài khoảng không vành xuyến;

- Mức độ lấp đầy khoảng không vành xuyến của vữa;

- Mức độ liên kết của vữa xi măng với thành ống chống và với thành

giếng khoan.

Trong quá trình đánh giá chất lượng trám xi măng giếng khoan trong

điều kiện nhiệt độ và áp suất cao chủ yếu là đánh giá chất lượng cột ống

chống khai thác - cột ống chịu nhiều điều kiện nhiệt độ cao và áp suất lớn

trong giếng.

Đánh giá chất lượng xi măng theo phương pháp CBL và VDL. Độ sâu

giếng khoan được chia ra từng khoảng 100m. Trong từng khoảng chiều dài

này, chất lượng xi măng liên kết với cột ống chống chỉ rõ bao nhiêu mét độ

dày là xi măng tốt, bao nhiêu mét có xi măng từng phần và bao nhiêu mét

không có xi măng. Cuối cùng là tính chung cho toàn mặt cắt giếng khoan. Để

so sánh, chất lượng còn được tính theo phần trăm.

Việc đánh gia chất lượng trám giếng khoan chủ yếu bằng đo địa vật lý

giếng khoan CBL (Cement Bond Log) và VDL (Variable Density Log).

Trên hình 4.4. Minh giải tài liệu CBL và VDL chất lượng vành đá xi

măng cột ống chống khai thác 5 ½”.

Nguyên lý minh giải tài liệu CBL/VDL, đối với đoạn xi măng gắn kết

từng phần cho thấy đường biên độ thấp đến trung bình. Trên biểu đồ VDL có

thể quan sát cả tín hiệu sóng và thẳng, một số điểm không có xi măng có thể

thấy rõ trên log.

Trên khoảng xi măng gắn kết tốt, đường “Amplitude” có biên độ thấp,

tín hiệu lượn sóng rõ từ đường VDL, thể hiện xi măng lấp đầy khoảng không

vành xuyến và đã đóng rắn. Tỷ lệ gắn kết xi măng ngoài ống chống khai thác

5 ½” đạt tỷ lệ tương đối tốt (từ 90% đến 100%).

Tuy vậy, để đánh giá chất lượng trám xi măng trong thời gian lâu dài,

trong đó gồm có mức độ liên kết và các tính chất cơ học của vành đá xi măng

cần tiến hành đo lặp lại các cột ống khai thác để kịp thời có biện pháp xử lý.

Hình 4.4. Biểu đồ CBL, VDL giếng khoan

100

KẾT LUẬN

1. Bể Nam Cơn Sơn - thềm lục địa Việt Nam có tiềm năng lớn về dầu

khí. Tuy nhiên, các điều kiện địa chất - kỹ thuật các lô thuộc khu vực phía

Đông và Đông Bắc bể Nam Côn Sơn rất phức tạp, đặc biệt là áp suất và nhiệt độ được coi là cao - nhiệt độ giếng trên 1500C và áp suất đáy giếng trên

69MPa. Các điều kiện áp suất và nhiệt độ cao tại bể Nam Côn Sơn có thể phân thành hai cấp: cấp I (nhiệt độ từ 1500C đến 1750C và áp suất từ 69MPa đến 103MPa) và cấp II (nhiệt độ từ 1750C đến 2000C và áp suất từ 103MPa đến 138MPa) .

2. Áp suất cao nhiệt độ cao là một trong những nguyên nhân chính đã gây

ra nhiều sự cố, phức tạp như vữa xi măng không thể ép đẩy ra ngoài khoảng

không vành xuyến, toàn bộ vữa xi măng nằm lại trong cột ống chống khai

thác (7”) dài 3.000 m (giếng khoan 05-1b-TL-2X); vữa xi măng ngưng kết

nhanh dẫn đến mất tuần hoàn (giếng khoan 05-3-MT-1RX)…Tại một số

giếng khoan mức độ liên kết xi măng với ống chống và xi măng với thành hệ

không đồng đều, tiềm ẩn sự xuất hiện khí trong không gian vành xuyến, giảm

tuổi thọ của giếng. Những yếu tố gây ra sự cố và giảm chất lượng trám xi

măng là viêc sử dụng các chất phụ gia xi măng và xác định các thông số công

nghệ chưa phù hợp với môi trường áp suất cao nhiệt độ cao.

3. Trong điều kiện bể Nam Côn Sơn, xi măng mác G tiêu chuẩn API

được sử dụng phổ biến để trám giếng khoan dầu khí, cho nên trong điều kiện nhiệt độ cao (120-180oC), xi măng sẽ bị thay đổi các tính chất lý - hóa, biến

đổi hình thái kết tinh và chuyển đổi pha, dẫn đến sự suy giảm độ bền và tăng

độ thấm của đá xi măng. Vì vậy, bổ sung 35% khối lượng phụ gia silica SSA-

1 vào hỗn hợp xi măng trám, là biện pháp hiệu quả nhất để ổn định độ bền

nhiệt của đá xi măng, cải thiện các tính chất công nghệ của xi măng trám các

giếng khoan nhiệt độ cao.

101

4. Trong khu vực Đông Bắc bể Nam Côn Sơn đã gặp nhiệt độ cao đồng

thời áp suất cao với gradien áp suất vỉa 2MPa/100m với thân giếng có đường

kính nhỏ, khe hở giữa áp suất vỉa và áp suất nứt vỉa rất bé. Do đó, để khống

chế sự xâm nhập dầu khí trong giếng đòi hỏi áp suất thủy tĩnh của vữa xi

măng phải đảm bảo cân bằng áp suất vỉa, nhưng đồng thời không gây ra nứt

vỉa. Kết quả nghiên cứu cho thấy chọn phụ gia tăng trọng Hi-Dense 4 với tỉ lệ

40% và MicroMax với 25% là tối ưu, cho phép khối lượng riêng vữa đạt yêu

cầu đối với giếng khoan áp suất cao và bảo đảm các chỉ tiêu chất lượng khác

như độ thời gian quánh, độ thấm, v.v.

5. Nghiên cứu xác định các tính chất của vữa xi măng và các tính cơ học

của đá (độ bền nén, modun đàn hồi, hệ số Poisson) bằng phương pháp không

phá hủy trên các thiết bị UCA và MPRO, cho phép mô phỏng các điều kiện

áp suất cao nhiệt độ cao trong giếng khoan và thời gian thực, bảo đảm độ tin

cậy cao đáp ứng các yêu cầu ngắn hạn và dài hạn của vữa và đá xi măng.

6. Trên cơ sở phân tích lý thuyết, các kết quả nghiên cứu trong phòng thí

nghiệm và kinh nghiệm thực tế thi công các giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn,

đã lựa chọn các vật liệu và phụ gia chuyên dụng để lập Đơn pha chế vữa xi

măng một cách hợp lý nhất và xác định các thông số công nghệ tối ưu để trám

cột ống chống khai thác 5 ½” trong khoảng giếng khoan có áp suất cao nhiệt

độ cao.

7. Kết quả áp dụng đơn pha chế vữa xi măng theo phân tích và minh giải

bằng phương pháp đo địa vật lý giếng khoan CBL và VDL cho thấy chất

lượng trám cột ống chống khai thác 5 ½” đạt kết quả tương đối tốt (90%-

100%), có thể làm cơ sở cho việc lập các Đơn pha chế vữa trám các giếng

khoan tại bể Nam Côn Sơn có các điều kiện địa chất - kỹ thuật tương tự, có sự

điều chỉnh cho phù hợp với các điều kiện cụ thể mỗi giếng khoan.

102

KIẾN NGHỊ

1. Trên cơ sở phân tích lý thuyết, các kết quả nghiên cứu trong phòng thí

nghiệm và kinh nghiệm thực tế thi công các giếng khoan tại bể Nam Côn

Sơn, khi sử dụng xi măng Holcim cũng như các loại xi măng mác G kết hợp

với các phụ gia chuyên dụng được sử dụng trong Đơn pha chế vữa xi măng là

có hiệu quả nhất để trám các cột ống trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

bể Nam Côn Sơn. Vì vậy, khuyến nghị sử dụng Đơn pha chế vữa xi măng

trám trình bày trên đây cho các giếng khoan có các điều kiện địa chất, áp suất

và nhiệt độ tương tự.

2. Trong điều kiện áp suất trên 103,4 MPa và nhiệt độ trên 1930C nên sử dụng đơn pha chế vữa xi măng với thành phần 35% SSA-1 + 40% Hi-Dense 4 + 25% MicroMax, cho phép đạt khối lượng riêng vữa 2,22 g/cm3, thời gian quánh đạt 10h30min; độ bền nén tối thiểu (3,45 MPa) trong thời gian

19h04min.

103

DANH MỤC MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

1. Trương Biên, Trương Hoài Nam (2005), Sử dụng graphit làm phụ gia cho dung dịch khoan dầu khí, Tuyển tập báo cáo Hội nghị KHCN tuyển khoáng toàn quốc lần thứ II “Chế biển hợp lý và sự dụng tổng hợp tài nguyên khoáng sản Việt Nam”, Hà Nội 11/2005, tr.25-28. 2. Trương Hoài Nam (2010), Một số kết quả ban đầu trong việc ứng dụng khoan giếng khoan đa thân ở Việt Nam, Tuyển tập “Một số vấn đề cơ học đá ở Việt Nam đương đại” quyển 1, Hà Nội 2010, tr.246-258.

3. Nguyễn Hữu Chinh, Dương Văn Sơn, Phạm Quang Hiệu, Nguyễn Minh Quý, Trương Hoài Nam (2011), Nghiên cứu ứng dụng vật liệu micropherecho xi măng trám giếng khoan dầu khí, Tạp chí khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa chất số 33/01-2011, tr.1-11.

4. Trần Đình Kiên, Phạm Quang Hiệu, Nguyễn Thế Vinh, Hoàng Bá Cường, Nguyễn Khắc Bình, Trương Hoài Nam (2011). Ứng dụng giếng đa thân trong khai thác dầu tại mỏ Đại Hùng, Tạp chí Khoa học Mỏ - Địa chất, số 34/04-2011, tr.23-27.

5. Phạm Quang Hiệu, Trương Hoài Nam (2012), Nghiên cứu lựa chọn dung dịch khoan các giếng dầu khí trong điều kiện áp suất cao - nhiệt độ cao, Tạp chí Dầu khí số 7/2012, tr.25-32.

6. Le Quang Duyen, Jean-Michel Herri, Yamira Ouabbas, Truong Hoai Nam,

Le Quang Du (2012). CO2-CH4 exchange in the context of CO2 injection and gas production from methane hydrates bearing

sediments, PetroVietnam Journal 10/2012, pp.38-45

7. Phạm Trường Giang, Lê Vũ Quân, Nguyễn Minh Quý, Lê Thị Thu Hường, Đỗ Văn Hiển, Trương Hoài Nam và nnk (2013), Tổng kết và đánh giá công tác bơm trám xi măng cho các giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn, Báo cáo tổng kết nghiệm vụ nghiên cứu khoan học cấp ngành, Mã số 01/KKT(EPC)/2012/HĐ-NCHK, Hà Nội 7/2013

104

8. Phạm Quang Hiệu, Nguyễn Văn Thành, Nguyễn Thế Vinh, Nguyễn Trần Tuân, Vũ Thiết Thạch, Trương Hoài Nam, Nguyễn Khắc Bình (2013), Nghiên cứu hiện trạng và các giải pháp công nghệ - kỹ thuật nâng cao hiệu quả hoàn thiện giếng khai thác dầu tại mỏ Đại Hùng, Báo cáo tổng kết thực hiện đề tài thuộc Đề án đổi mới và hiện đại hóa công nghệ trong ngành công nghiệp khai khoáng đến năm 2015, tầm nhìn đến 2025, Bộ Công thương. Mã số ĐT.10.11/ĐMCNKK.

9. Phạm Trường Giang, Lê Vũ Quân, Nguyễn Minh Quý, Lê Thị Thu Hường, Đỗ Văn Hiển, Trương Hoài Nam (2014), Tổng kết và đánh giá công tác bơm trám xi măng cho các giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn, Tạp chí Dầu khí số 7/2014, tr.21-29 10. Trương Hoài Nam, Trần Đình Kiên, Nguyễn Thế Vinh, Nguyễn Hữu hinh (2014), Thiết kế hệ vữa xi măng trám giếng khoan trong điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao bể Nam Côn Sơn , Tạp chí Địa kỹ thuật số 3/2014, tr.60-71.

11. Nguyễn Hữu Chinh, Trương Hoài Nam, Lê Vũ Quân (2014), Làm nặng vữa xi măng và sử dụng chúng để bơm trám các giếng khoan dầu khí bể Nam Côn Sơn, Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học lần thứ 21 Trường Đại học Mỏ - Địa chất 11/2014, tr.84-90.

12. Hoàng Thanh Tùng, Trịnh Văn Lâm, Trương Hoài Nam (2014). Giải pháp công nghệ gian khoan hỗ trợ khoan khai thác dầu khí cho vùng nước sâu, xa bờ thềm lục địa Việt Nam , Tạp chí Dầu khí số 11/2014, tr.57-65

13. Trương Hoài Nam (2014), Các tính chất cơ học của đá xi măng trám giếng khoan trong điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao bể Nam Côn Sơn, Tạp chí Dầu khí số 12/2014, tr.33-39.

105

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Hữu Chinh (2003), Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ trám xi

măng ngậm khí các giếng khoan dầu khí ở thềm lục địa miền Nam,

Luận án tiến sĩ địa chất, Hà Nội.

2. Nguyễn Hữu Chinh (2010), Những vấn đề về sử dụng xi măng bơm trám

trong gia cố và kết thúc các giếng khoan dầu khí, Tuyển tập Báo cáo

Hội nghị KH&CN quốc tế - Dầu khí Việt Nam 2010, Tăng tốc phát

triển, Quyển I, NXB Khoa học & Kỹ thuật, tr.837-842.

4. Nguyễn Giao, Nguyễn Trọng Tín (2008), Bể Trầm tích Nam Côn Sơn và

tài nguyên dầu khí. Địa chất và Tài nguyên dầu khí Việt Nam. NXB

Khoa học & Kỹ thuật, tr.317-360.

5. Nguyễn Đình Hà (2005), Phương pháp phát hiện và dự báo dị thưởng áp

suất ở bể Nam Côn Sơn, Tuyển tập báo cáo Hội nghị KHCN “30

năm Dầu khí Việt Nam - Cơ hội mới, thách thứ mới”, Quyển I, NXB

Khoa học & Kỹ thuật, tr 39-604.

6. Hoàng Quốc Khánh (2000), Hoàn thiện công nghệ gia cố giếng khoan ở

Xí nghiệp Liên doanh Dầu khí Việt-Xô. Luận án tiến sĩ địa chất. Hà

Nội.

7. Nguyễn Xuân Hòa, Nguyễn Hữu Trung, Nguyễn Minh Quý (2003), Một số

kết quả nghiên cứu tính chất công nghệ của xi măng ngậm khí.

Tuyển tập báo cáo Hội nghị KHCN - Viện Dầu khí 25 năm xây dựng

và trưởng thành, NXB Khoa học & Kỹ thuật, tr.502-509.

8. Nguyễn Xuân Hòa, Đinh Hữu Kháng, Nguyễn Văn Toàn, Hoàng Quốc

Khánh, Hoàng Bá Cường (2005), Các yếu tố ảnh hưởng và giải pháp

nâng cao chất lượng trám xi măng giếng khoan ở bể Cửu Long,

Tuyển tập báo cáo Hội nghị KHCN “30 năm Dầu khí Việt Nam - Cơ

106

hội mới, thách thức mới, Quyển I, NXB Khoa học & Kỹ thuật,

tr.822-831.

9. Phạm Trường Giang, Lê Vũ Quân, Nguyễn Minh Quân, Lê Thị Thu

Hường, Đỗ Văn Hiển, Trương Hoài Nam (2014), Tổng kết và đánh

giá công tác bơm trám xi măng cho các giếng khoan có nhiệt độ và

áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn, Tạp chí Dầu khí tháng 7-2014,

tr.21-29.

10. Tạ Đình Vinh, Nguyễn Văn Ngọ, Phạm Anh Tuấn (2000), Bản chất và

thành phần của xi măng bền nhiệt. Tuyển tập Hội nghị khoa học

công nghệ 2000 “Ngành Dầu khí Việt Nam trước thềm thế kỷ 21”,

Tập II, NXB Thanh Niên, Hà Nội, tr.128-138.

11. Trần Hồng Nam, Lê Trần Minh Trí, Nguyễn Kiên Cường, Trịnh Ngọc

Bảo, Mike Nguyễn (2010). Thiết kế giếng phát triển mỏ áp suất cao

và nhiệt độ cao - Những điều cần lưu ý, Tuyển tập báo cáo Hội nghị

KH&CN quốc tế - Dầu khí Việt Nam 2010 Tăng tốc phát triển,

Quyển I, NXB Khoa học & Kỹ thuật, tr.620-633.

12. Võ Thanh (1993), Nghiên cứu các tính chất của vữa xi măng trám giếng

khoan dầu khí ở thềm lục địa phía Nam bằng vật liệu trong nước,

Luận án Phó Tiến sĩ địa chất, Hà Nội.

13. Art Bonett, Demos Pafitis (1996), Getting to the Root of Gas Migration,

Oilfield Review. Volume: 8. Issue 1.

14. Anjuman Shahriar (2011), Investigation on Rheology of Oil well Cement

Slurries. The University of Western Ontario, Canada, pp.28-29.

15. Arash Shadravan, Mahmod Aman HPHT 101 (2012), What Petroleumm

Engineers and Geoscientists Should Know HPHT Wells

Environment, Energy Science and Technology, Vol.4, No.2, 2012,

pp.36-54.

107

16. Backe K.R., Skalle P., Lile O. B., Lyomov S.K., Justnes H., Seveen J.

(1991), Shrinkage of Oil well cement slurries. JCPT, 7, No.26.

17. Backel K.R., Lile O.B., Lyomov S.K. (1999). Characterizing Curing-

Cement Slurries by Permeabiliity, Tensile Strength and Shrinkage,

SPE & Completion 14, September.

18. Barry Wray (2009), High-density elastic cement applied to solve HPHT

challenges in South Texas - Halliburton.

19. Bezerra U.T.A., Martinelli E., Melo D. M. A., Melo M.A.F., Oliveira

V.G. (2011), The strength retrogression of special class oil cement.

Cerâmica vol.57 no.342 São Paulo Apr./June 2011.

20. Bensted, J., (1992), Thickening behaviour of oilwell cement slurries with

silica flour and silica sand additions. Chemistry & Industry

September 21, pp.702-704.

21. Catala G., De Montmollin V.,(1991), Modernzing well Cementation

Design and Evalution. Oilfield Review 3, No 2, pp. 51-71.

22. Chenevert M.E., Shrestha B.K., (1991), Chemical Shrinkage Properties

of Oilfield Cements. SPE Drilling Engineering.Volume 6, No1,

March.

23. Chisavand Saifon Daung Kaen, Bijaya K. et al.,(2012),Testing the Limits

in Extreme Well Conditions. Oilfield Review 2012, No 3, pp 4-19.

24. Darbe, R., Gordon, C., and Morgan, R., (2008), Slurry Design

Considerations for Mechnically Enhanced Cement Systems. Paper

AADE-08-DF-HO-06.

25. Chandler Engineering. Oil well Cementing - Products & Services (2001). 26. Erik B. Nelson, Dominique Guillot, (2006), Well Cementing, 2nd Edition.

Schlumberger Dowell.

108

27. Feng Lin (2006), Modeling of Hydration kinetics and Shrinkage of

cement paste, Colombia University.

28. Gunar DeBruijn, Robert Greenaway,(2008), High-Pressure, High-

Temperature Technologies, Oilfield Review, Schlumberger, Vol.20,

Issue 3, pp.46-60.

29a. Gaurina-Mendimurec Nidiljka, Matanovic Davvorin (1994), Cement

slurries for geothermal well cementing, Faculty of Mining, Geology

and Petroleum Engineering Zagreb-Croatia.

29b. Halliburton.com. Materialss, Chemicals and Additives (2012)

30. Herianto and Muhammad Taufiq Fathaddin (2005). Effects of

Additivesand Conditioning Time on Compressive and Shear Bond

Strengths of Geothermal Well Cement. Proceedings World

Geothermal Congress, Antalya, Turkey, 24-29 April 2005.

30. Justines H., Van Loo D., Reyniers B., Skalle P., Seveent J., (1995),

Chemical Shrinhage Properties of Oil well cement slurries in

Cement Reseach, 7, No 26.

31. KeelN Adamson et al., (1998). High-Pressure, High-Temperature Well

Construction, Oilfield Review, Schlumberger.

32. Kris Ravi, BR. Reddy, Dennis Gray, Phil Pattillo,(2006), Procedures to

Optimize Cement Systems for Specific Well Conditions, AADE-06-

DF-HO-35.

33. Mohammed Tellisi, Phillip Pattillo (2005), Characterizing Cement Sheath Properties For Zonal Isolation, 18th World Petroleum

Congress, 25-29 September, Johannesburg, South Africa.

34. Nediljka Gaurina-Medimurec et al., (1994), Cement slurries for

geothermal wells cementing, Rudarsko-geosko zbornik. Vol.6.

109

35. North J., Brangetto M.P., Gray E. (2000). Central Graben Extreme

Offshore High-Pressure/ High-temperature Cementing Case Study,

SPE 59169, Presented at IADC/SPE Drilling Conference, in New

Orleans, Louisiana, 23-25 February 2000.

36. Pattillo Phillip, Kris Ravi, Reddy BR, Dennis Gray (2006),

Optimizingcement systems for Specific well offshore. AADE Fluids

Conference held in Houston, April 11-12, 2006.

37. Pedam, S.K. (2007), Determining Strength Parameters of Oil Well

Cement. M.Sc. Thesis, the Universtity of Texas, U.S.A.

38. Prisca Salim, Mahmood Amani, (2013). Special Considerations in

Cementing high pressure high temperature wells. International

Journal of Engineering and Applied Sciences, January 2013. Vol. 1,

No.4

39. Rabia H., (1989), Oilwell Drilling Engineering - Principles and

Practice. University of Newcastle upon Tune. Graham & Trotman.

40. Reddy B.R., Ying Xu, Kris Ravi, Dennis W.Gray, (2009), Cement-

Shrinkage Measurement in Oilwell - Cementing - A CoMParative

Study of Labolatory Methods and Procedures, SPE-103610-PA.

41. Shadizadeh S.R., Kholghi, M., Salehi Kassael M.H., (2010),

Experimental Investigation of Silica Fume as a Cement Extender for

Liner Cementing in Iraniian Oil/ Gas Wells. Iranian Joural of

chemical Engineering Vol.7, No.1.

42. Shadizadeh S.R., Kholghi, M., Salehi Kassael (2010), Early-age

compressive strength assessment of oil well class G cement due to

borehole pressure and temperature changes.

http://americanscience.org.

110

43. Shadizadeh S.R., Kholghi, M., Salehi Kassael M.H.

(2010), Experimental Investigation of Silica Fume as a Cement Extender for Liner Cementing in Iraniian Oil/Gas Wells, Iranian Joural of chemical Engineering Vol.7, No.1.

(2011), 44. Агзамов Ф.А., Каримов И.Н., Цыцымушкин П.Ф.

Проектирование и разработка термостойкого тампонажного материала, Бурение и нефть - Декабрь 2011.

45. Белей И. И., Щербич Н. Е., Цыпкин Е. Б., Вялов В. В.,(2007), Специальные тампонажные материалы для цементирования обсадных колонн в скважинах с различными термобарическими условиям. Бурение и нефть 2007. № 6.

(1987), Тампонажные

46. Белей И.И., Щербич Н.Е., Штоль В.Ф и др (2006), Тампонажные растворы с повышенной термостойкостью./ ЕНТПЖ Газовая промышленность. №4., c.51-54. 47. Булатов, А.И., Данюшевский В.С. материалы. М., Недра. с. 280.

48. Булатов А.И., Макаренко П.П., Проселков Ю.М., (1999), Буровые промывочные и тампонажные растворы. Учеб. пособие для вузов, М.: ОАО Изд. "Недра".

49. Булатов А.И. (2013), Качественное разобщение пластов определяет здоровую жизнь скважин, или Поэзия крепи, Бурение и нефть №12 Декабрь 2013.

50. Данюшевский В.С., 1987, Проектирование оптимальных составов

тампонажных растворов. М., “Недра”, с.280.

51. Киколашвили И.В.(1984), Разработка состава и исследование войств тампонажного цемента специального назначения: Дис.к.т.н: Москва.

52. Мищевич В.И., Сидоров H.A., (1973), Справочник инженера по

бурению, том II, Москва, "Недра", с.138.

53. Ofite.com (2012), Испытания тампонажных цементов

в соответствии со стандартами API/ISO: аппаратная реализация методов.

111

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Tổng hợp các kết quả thí nghiệm về sự ảnh hưởng của HPHT đến thời gian quánh của hệ vữa trám giếng khoan

Mẫu vữa xi măng

Diễn giải

Đơn vị

D (6P)

E(6P)

Xi măng Holcim G

%KLXM

100,00

%KLXM

35,00

40,00

%KLXM

25,00

%KLXM

3,00

%KLXM

7,00

%KLXM

Chất ổn định độ bền - SSA-1 Chất tăng trọng - Hidense-4 Chat tă ng trọ ng MicroMax FF Chất giãn nở Microbond HT Chất tăng cơ tính - WellLife 897

g

n

SA-1015 (PB)

0,15

0,10

%KLXM

ă

m

i

x

0,70

1,00

%KLXM

a

ữ

v

0,05

0,10

gps

n

ầ

h p h n à h T

0,50

0,55

0,50

0,40

0,04

0,50

gps

Tăng độ bền kéo FDP- C765 Chất chống tạo bọt - D-Air 4000L Chất giảm độ thải nước Halad-413

0,29

0,27

gps

Phụ gia chậm ngưng kết- HR-25L

0,02

0,10

0,20

0,70

0,02

0,35

0,26

0,22

0,26

gps

0,25

0,30

0,20

0,30

0,90

gps

Phụ gia chậm ngưng kết SCR-100 Phụ gia pha loãng - CFR- 3L

Nước trộn

10,05

5,19

5,35

4,46

5,18

7,97

4,81

gps

Khối lượng riêng vữa

13,50

15,80

17,00

16,00

17,00

18,50

pgp

ờ

Nhiệt độ thí nghiệm

190

205

239

230

237

257

302

356

302

o F

T h

Áp suất thí nghiệm

5,382

5,482

7,005

8,601

7,324

9,674

9,624

12,900

psi

Độ quánh ban đầu

Độ quánh 30Bc

7h55’

8h29’

8h48’

i g i a 12,900 n q u á n h c ủ a v ữ a

Độ quánh 50Bc

7h57’

6h56’

8h43’

7h43’

8h52’

8h48’

7h37’

Độ quánh 70Bc

8h7’

8h50’

5h59’

8h05’

8h53’

8h52’

7h39’

5h38’

8h30’

Độ quánh 100Bc

8h15’

7h7’

8h54’

8h00’

8h08’

8h53’

7h46’

5h42’

8h35’

giờ, phút giờ, phút giờ, phút giờ, phút

112

Phụ lục 2: Đơn pha chế cho thí nghiệm độ quánh ở nhiệt độ 375oF

113

Phụ lục 3: Kết qua đo thời quánh của vữa tại 375oF

114

Phụ lục 4: Đơn pha chế vữa xi măng số 1

115

Phụ lục 5: Kết quả đo thời gian quánh và độ bền nén đơn pha chế số 1

116 116 116

Phụ lục 6. Đơn pha chế vữa xi măng số 2 Phụ lục 6. Đơn pha chế vữa xi măng số 2 Phụ lục 6. Đơn pha chế vữa xi măng số 2

117

Phụ lục 7: Kết quả đo thời gian quánh và độ bền nén đơn pha chế số 2

118

Phụ lục 8: Đơn pha chế với chất làm nặng là Hi-Dense 4.

119

Phụ lục 9: Đơn pha chế với chất làm nặng là Barite