Luận án Thạc sĩ Kỹ thuật Hoá học: Nghiên cứu ảnh hưởng của điatomit biến tính và hydroxit sắt mịn đến tính chất của xi măng giếng khoan

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:139

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của Luận án này nghiên cứu ảnh hưởng của hydroxit sắt mịn đến tính chất của xi măng giếng khoan và sự hình thành khoáng hydro tricanxi ferro trisunphat trong hỗn hợp vôi - hydroxit sắt - thạch cao. Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp điatomit biến tính và hydroxit sắt mịn để chế tạo xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Thạc sĩ Kỹ thuật Hoá học: Nghiên cứu ảnh hưởng của điatomit biến tính và hydroxit sắt mịn đến tính chất của xi măng giếng khoan

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -----------***----------- LƯU THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIATOMIT BIẾN TÍNH, HYDROXIT SẮT MỊN ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG GIẾNG KHOAN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội, Năm 2012
b BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------***------- LƯU THỊ HỒNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIATOMIT BIẾN TÍNH, HYDROXIT SẮT MỊN ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG GIẾNG KHOAN Chuyên ngành: Công nghệ hóa học và các chất vô cơ Mã số: 62.52.75.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TSKH. Nguyễn Anh Dũng 2. TS. Lương Đức Long Hà Nội, Năm 2012
c LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tác giả Luận án Lưu Thị Hồng
d LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn của tôi đến thầy hướng dẫn, PGS.TSKH. NGUYỄN ANH DŨNG, TS. LƯƠNG ĐỨC LONG, các thầy đã nhiệt tình, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt giai đoạn thực hiện luận án này. Tác giả luận án cũng xin bày tỏ cảm ơn đến Phòng Dung dịch Khoan và Hóa Phẩm Dầu Khí - DMC: TS NGUYỄN VĂN NGỌ; Cán bộ và nhân viên Xi nghiệp Liên Danh Vietsopetro: TSKH TRẦN XUÂN ĐÀO VÀ TS NGUYỄN HỮU CHINH; PGS, TS HOÀNG VĂN PHONG; Bộ môn công nghệ Vật liệu Silicat và Viện Đào tạo sau đại học - Trường Đại Học Bách khoa Hà nội; Các đồng nghiệp tại Trung Tâm Xi măng và Bê tông - Viện Vật liệu Xây dựng đã giúp đỡ tôi trong giai đoạn thực hiện luận án. Hà nội, ngày 15 tháng 5 năm 2012 Tác giả Luận án Lưu Thị Hồng
c MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan a Lời cảm ơn b Mục lục c Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt f Danh mục các bảng, biểu g Danh mục các hình (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị) h LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG GIẾNG KHOAN 3 VÀ PHỤ GIA VÔ CƠ ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT 1.1 Vai trò của xi măng giếng khoan trong công tác khoan thăm 3 dò và khai thác dầu khí 1.2 Ảnh hưởng môi trường đến tính chất của xi măng giếng khoan 5 1.2.1 Ảnh hưởng của điều kiện thi công bơm trám 5 1.2.2 Ảnh hưởng của môi trường làm việc giếng khoan 6 1.3 Phân loại xi măng giếng khoan 15 1.4 Phụ gia vô cơ điều chỉnh tính chất của xi măng giếng khoan 16 1.4.1 Phụ gia điều chỉnh tỷ trọng của hồ xi măng 16 1.4.2 Phụ gia điều chỉnh thời gian đông kết và thời gian đặc 22 quánh của hồ xi măng 1.4.3 Phụ gia cải thiện cường độ của đá xi măng 23 1.5 Tình hình nghiên cứu sử dụng phụ gia vô cơ trong xi măng 24 giếng khoan ở Việt Nam 1.6 Kết luận chương 25
d CHƯƠNG 2. MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP 27 NGHIÊN CỨU 2.1 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 27 2.2 Phương pháp nghiên cứu 27 2.2.1 Phương pháp phân tích hóa học 28 2.2.2 Phương pháp phân tích cơ lý vật liệu 29 2.2.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét - SEM (Scanning 33 Electronic Microscope) 2.2.4 Phương pháp nhiễu xạ Rơn ghen - XRD 34 2.2.5 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA và DTG) 35 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA 36 ĐIATOMIT BIẾN TÍNH ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG GIẾNG KHOAN 3.1 Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu 36 3.1.1 Clanhke và xi măng G 36 3.1.2 Phụ gia điatomit 39 3.2 Tính chất của điatomit sau khi biến tính nhiệt 41 3.2.1 Biến tính nhiệt điatomit 41 3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến thành phần hóa và cấu 42 trúc điatomit 3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung điatomit đến hoạt tính 46 puzzolanic 3.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung điatomit đến tính chất xi 48 măng giếng khoan 3.3 Kết luận chương 54 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA 55 HYDROXIT SẮT MỊN ĐẾN TÍNH CHẤT CỦA XI MĂNG GIẾNG KHOAN 4.1 Phụ gia hydroxit sắt 55 4.2 Ảnh hưởng của hydroxit sắt (PGF) đến tính chất của xi 58 măng giếng khoan 4.2.1 Độ chảy tỏa của hồ xi măng 58
e 4.2.2 Độ tách nước của hồ xi măng 60 4.2.3 TGBĐ đông kết và TGĐQ của HXM 61 4.2.4 Cường độ của đá xi măng 63 4.3 Nghiên cứu khả năng hình thành khoáng kết dính của PGF 67 trong hệ trong hệ vôi, thạch cao 4.3.1 Nghiên cứu khả năng hình thành khoáng hydro tricanxi 67 ferro sunphat ở nhiệt độ 750C 4.3.2 Nghiên cứu khắc phục hiện tượng suy giảm cường độ đá xi 77 măng khi tăng lượng sử dụng PGF 4.4 Kết luận chương 83 CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG KẾT HỢP 84 ĐIATOMIT BIẾN TÍNH, HYDROXIT SẮT MỊN ĐỂ CHẾ TẠO XMGK TỶ TRỌNG THẤP 5.1 Nguyên liệu sử dụng cho nghiên cứu 84 5.2 Xác định cấp phối xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp 84 5.3 Tính chất của xi măng giếng khoan 85 5.4 Sản xuất thử xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp quy mô 90 công nghiệp 5.4.1 Xi măng G 90 5.4.2 Thạch cao Lào 91 5.4.3 Phụ gia hydroxit sắt 91 5.4.4 Sản xuất điatomit biến tính nhiệt 91 5.4.5 Sản xuất xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp 94 5.5 Kết luận chương 96 KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 PHỤ LỤC Phụ lục 1 Giản đồ nhiễu xạ rơn ghen của điatomit ở các nhiệt độ nung 103 Phụ lục 2 Giản đồ đo thời gian đặc quánh của HXM 107 Phụ lục 3 Sản xuất công nghiệp điatomit biến tính nhiệt 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA 122 TÁC GIẢ
f DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT XM : Xi măng XM G : Xi măng G (xi măng loại G) XMGK : Xi măng giếng khoan HXMGK : Hồ xi măng giếng khoan GK : Giếng khoan HXM : Hồ xi măng TGĐK : Thời gian đông kết TGBĐ : Thời gian bắt đầu TGKT : Thời gian kết thúc TGĐQ : Thời gian đặc quánh KLR : Khối lượng riêng PGF : Phụ gia hydroxit sắt mịn TC : Thạch cao PGF+TC : Hỗn hợp của phụ gia hydroxit sắt và thạch cao Fe- ettringhit : Hợp chất hydro tricanxi ferro sunphat [Ca6Fe2(SO4)3(OH)12⋅ 26H2O] CTCT : Công thức cấu tạo MKN : Mất khi nung C : CaO S : SiO2 H : H 2O A : Al2O3 F : Fe2O3 ― S : SO3 ― C : CO2 CH : Ca(OH)2 ― CSH2 : CaSO4.2H2O * Chú thích: Tỷ trọng của hồ xi măng là tỷ số giữa khối lượng riêng của hồ xi măng và khối lượng riêng của nước ở cùng điều kiện môi trường
g DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1 Thành phần khoáng, hoá, tính chất cơ lý của clanhke và xi 36 măng G Bảng 3.2 Thành phần hóa học của điatomit Phú Yên 39 Bảng 3.3 Thành phần khoáng của điatomit Phú Yên 40 Bảng 3.4 Thành phần hóa học của điatomit nung ở nhiệt độ 7000C 42 Bảng 3.5 Độ hút vôi của điatomit 46 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung điatomit đến tính chất XM 48 Bảng 4.1 Thành phần hoá học của hydroxit sắt 55 Bảng 4.2 Kích thước hạt của hydroxit sắt 56 Bảng 4.3 Thành phần mẫu nghiên cứu 58 Bảng 4.4 Độ chảy tỏa của HXM G có chứa PGF 58 Bảng 4.5 Độ tách nước của HXM G chứa PGF 61 Bảng 4.6 TGBĐ và TGĐQ của HXM G chứa PGF 62 Bảng 4.7 Cường độ nén và uốn của xi măng G sử dụng PGF ở 75oC 64 Bảng 4.8 Thành phần hóa học của vôi và thạch cao sử dụng cho 67 nghiên cứu Bảng 4.9 Tỷ lệ các nguyên liệu trong các cấp phối nghiên cứu 68 Bảng 4.10 Cường độ mẫu C1 và C2 69 Bảng 4.11 Thành phần mẫu nghiên cứu bổ sung thạch cao 78 Bảng 4.12 Tính chất của XM sử dụng hỗn hợp PGF + TC 78 Bảng 5.1 Tỷ lệ cấp phối HXMGK tỷ trọng thấp sử dụng hỗn hợp 84 PGF+TC Bảng 5.2 Tính chất của XMGK tỷ trọng thấp có sử dụng hydroxit sắt 85 Bảng 5.3 Thành phần khoáng, hoá, và tính chất cơ lý của XMGK G 90 Bảng 5.4 Thành phần hóa của thạch cao Lào sử dụng cho sản xuất 91 thử nghiệm Bảng 5.5 Thành phần hoá học của hydroxit sắt dùng cho sản xuất thử nghiệm 91
h Bảng 5.6 Thành phần hóa học của điatomít sản xuất công nghiệp 93 Bảng 5.7 Tính chất của xi măng sản xuất thử công nghiệp 95 Bảng 5.8 Kết quả mẫu xi măng sản xuất thử, thí nghiệm tại viện NHIPI 95 DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Vị trí của đá xi măng trong giếng khoan 4 Hình 1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến đổi thù hình của khoáng 8 hydrát canxisilicat Hình 1.3 Cường độ nén và độ thấm của đá xi măng pooc lăng ở 2300C 9 Hình 1.4 Cường độ và độ thấm của xi măng G với 35% cát nghiền 10 Hình 1.5 Ảnh hưởng thời gian bảo dưỡng tới cường độ của đá xi 11 măng pooc lăng và phụ gia Hình 1.6 Ảnh hưởng thời gian bảo dưỡng tới độ thấm của đá xi măng 11 pooc lăng và phụ gia Hình 1.7 Cấu trúc khoáng sét 19 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo consistometer 32 Hình 2.2 Sơ đồ đường chiếu phóng đại của kính hiển vi điện tử quét (SEM) 33 Hình 2.3 Nguyên lý truyền tia rơn ghen 35 Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ rơn ghen của clanhke G 38 Hình 3.2 Ảnh chụp SEM hình dạng khoáng của clanhke xi măng G 38 Hình 3.3 Đường cong biểu diễn sự thay đổi độ nhớt của HXM G 39 theo thời gian Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ rơn ghen của điatomit Phú Yên 40 Hình 3.5 Ảnh SEM của điatomit nguyên khai 41 Hình 3.6a Giản đồ nhiễu xạ XRD của điatomit nung ở nhiệt độ 7000C 44 Hình 3.6b Giản đồ nhiễu xạ XRD của điatomit nung ở nhiệt độ 8500C 44 Hình 3.6 c Giản đồ nhiệt vi sai của điatomit nguyên khai 45 Hình 3.7 Cấu trúc của điatomit biến tính ở nhiệt độ 7000C 45 Hình 3.8 Quan hệ giữa độ hút vôi và nhiệt độ nung điatomit 46
i Hình 3.9 Ảnh hưởng nhiệt độ nung điatomit tới độ chảy tỏa của HXM 49 Hình 3.10 Ảnh hưởng nhiệt độ nung điatomit tới khối lượng riêng của HXM 50 Hình 3.11 Ảnh hưởng nhiệt độ nung điatomit tới độ tách nước của HXM 51 Hình 3.12 Ảnh hưởng nhiệt độ nung điatomit tới TGBĐ đông kết của HXM 52 Hình 3.13 Ảnh hưởng nhiệt độ nung điatomit tới TGĐQ của HXM 52 Hình 3.14 Ảnh hưởng nhiệt độ nung điatomit tới cường độ của đá XM 53 Hình 4.1 Giản đồ nhiễu xạ rơn ghen của hydroxit sắt 56 Hình 4.2 Biểu đồ phân bố cỡ hạt của hydroxit sắt 57 Hình 4.3 Ảnh SEM của hydroxit sắt 57 Hình 4.4 Quan hệ hàm lượng PGF và độ chảy tỏa của HXM chứa PGF 59 Hình 4.5 Quan hệ hàm lượng PGF và độ tách nước của HXM G chứa PGF 61 Hình 4.6 Quan hệ hàm lượng PGF với TGBD, TGĐQ của HXM 62 chứa PGF ở nhiệt độ 75oC Hình 4.7 Giản đồ quá trình hydrát hóa của xi măng 63 Hình 4.8 Quan hệ cường độ nén và hàm lượng PGF thay thế XM 64 (Nhiệt độ thí nghiệm 75oC) Hình 4.9 Quan hệ cường độ uốn và hàm lượng PGF thay thế XM 64 (Nhiệt độ thí nghiệm 75oC) Hình 4.10 Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu C2 ở tuổi 14 ngày 70 Hình 4.11 Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu C1 ở tuổi 14 ngày 71 Hình 4.12 Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu C2 ở tuổi 90 ngày 72 Hình 4.13 Giản đồ nhiễu xạ XRD của mẫu C1 ở tuổi 90 ngày 73 Hình 4.14 Giản đồ XRD mẫu oxit sắt, vôi và thạch cao ở 4,8 và 24 giờ 74 Hình 4.15 Ảnh SEM của mẫu C2 ở tuổi 14 ngày 75 Hình 4.16 Ảnh SEM của mẫu C1 ở tuổi 14 ngày 75 Hình 4.17 Ảnh SEM của mẫu C1 ở tuổi 90 ngày 76 Hình 4.18 Fe-ettringhit trong mẫu sau 4 giờ bảo dưỡng ở nhiệt độ 400C 77 Hình 4.19 Quan hệ hàm lượng hỗn hợp PGF + TC và độ chảy tỏa của HXM 79
j Hình 4.20 Quan hệ hàm lượng PGF + TC và TGĐQ của HXM 80 Hình 4.21 Quan hệ cường độ uốn, nén và hàm lượng PGF + TC 80 Hình 4.22 Giản đồ XRD của mẫu xi măng chứa 6% PGF + TC 81 Hình 4.23 Ảnh SEM mẫu XM chứa 6% PGF + TC 82 Hình 4.24 Ảnh SEM mẫu XM G 83 Hình 5.1 Quan hệ TGĐK, TGĐQ của HXM với hàm lượng PGF 86 Hình 5.2 Quan hệ độ chảy tỏa của HXM với hàm lượng PGF 86 Hình 5.3 Quan hệ cường độ - hàm lượng PGF + TC 87 Hình 5.4 Ảnh chụp SEM của đá XM G 88 Hình 5.5 Ảnh chụp SEM đá XM G chứa 23% điatomít 88 Hình 5.6 Ảnh chụp SEM đá XM G chứa 23% điatomit và 6% hỗn hợp 89 PGF + TC Hình 5.7 Đường cong nung điatomit 92 Hình 5.8 Giản đồ nhiễu xạ rơnghen điatomit sản xuất thử công nghiệp 93 Hình 5.9 Sơ đồ công nghệ chế tạo xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp 94
1 LỜI NÓI ĐẦU Xi măng giếng khoan (XMGK) là vật liệu quan trọng phục vụ cho công tác khoan thăm dò và khai thác dầu khí. XMGK được sử dụng để bơm trám giữ vững ống chống, ngăn cách các vỉa tích tụ dầu khí với các vỉa đất đá khác. Xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp là một dạng đặc biệt của xi măng giếng khoan. Có nhiều cách để giảm tỷ trọng của hồ xi măng giếng khoan, trong thực tế phụ gia vô cơ thường được sử dụng nhiều nhất là: Sét bentonít, điatomit, tro bay, xỉ lò cao,... Điatomit đã được sử dụng để chế tạo xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp ở nhiều nước, trong đó có Việt Nam. Do trong thành phần điatomit nguyên khai có chứa các tạp chất hữu cơ và sét nên việc sử dụng nó để chế tạo xi măng cường độ cao, bền lâu dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao của giếng khoan gặp khó khăn. Khi biến tính nhiệt, các hợp chất hữu cơ cháy và các khoáng sét chuyển thành dạng giả bền làm tăng hoạt tính của điatomit. Sử dụng điatomit biến tính sẽ cải thiện được cường độ và cản trở sự suy giảm các tính năng cơ lý của đá xi măng dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất cao trong giếng khoan. Tuy nhiên, điatomit biến tính nhiệt làm xấu đi tính lưu biến của hồ xi măng, như: Rút ngắn thời gian đông kết và thời gian đặc quánh, tăng độ nhớt. Phụ gia hydroxit sắt mịn chứa các hạt kích thước rất nhỏ, có khả năng phân tán cao trong nước nên có thể làm "loãng" hồ xi măng, cải thiện độ linh động của hồ xi măng, đồng thời tăng khả năng chịu nhiệt của đá xi măng trong môi trường nhiệt độ cao. Trên cơ sở khai thác các ưu điểm của từng loại phụ gia nhằm nâng cao tính chất của hồ xi măng bơm trám, Đề tài Luận án " Nghiên cứu ảnh hưởng của điatomit biến tính và hydroxit sắt mịn đến tính chất của xi măng giếng khoan" tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của điatomit biến tính và hydroxit mịn đến các tính chất của xi măng giếng khoan với mục đích sử dụng các phụ gia này chế tạo xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp. Các nội dung nghiên cứu chính bao gồm:
2 - Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ biến tính đến tính chất của điatomit. - Nghiên cứu ảnh hưởng của điatomit biến tính đến tính chất của xi măng giếng khoan. - Nghiên cứu ảnh hưởng của hydroxit sắt mịn đến tính chất của xi măng giếng khoan và sự hình thành khoáng hydro tricanxi ferro trisunphat trong hỗn hợp vôi - hydroxit sắt - thạch cao. - Nghiên cứu ảnh hưởng của hỗn hợp điatomit biến tính và hydroxit sắt mịn để chế tạo xi măng giếng khoan tỷ trọng thấp.
3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG GIẾNG KHOAN VÀ PHỤ GIA ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT 1.1. Vai trò của xi măng giếng khoan trong công tác khoan thăm dò và khai thác và dầu khí Chất lượng giếng ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ và các hoạt động khai thác, sửa chữa cũng như tỷ suất thu hồi dầu khí. Đá xi măng gắn kết tốt, cách ly vỉa tốt sẽ không có hiện tượng rò rỉ. Chân ống chống được gia cố tốt thì có thể sớm đưa giếng vào hoạt động với độ rủi ro thấp do giảm hiện tượng kẹt cần khoan vì sập lở đất đá của thành ống chống và khí phun thì việc bắn vỉa gọi dòng và đưa GK vào khai thác sẽ đạt hiệu quả cao. Trong quá trình bắn vỉa và tiến hành khai thác dầu khí, hiệu quả công việc phụ thuộc rất nhiều vào độ gắn kết thành giếng khoan với ống chống và khả năng cách ly của vành xuyến xi măng trong GK. Vì vậy chi phí xi măng cho một GK tuy chiếm tỉ lệ không lớn trong tổng các chi phí đầu tư GK nhưng vai trò của xi măng rất quan trọng. Vị trí làm việc của đá xi măng trong giếng khoan được mô tả trong hình 1.1. Để nhận được giếng khoan có chất lượng thì công tác trám GK phải đạt các yêu cầu sau đây: - Cột hồ xi măng (HXM) trong vành xuyến giữa ống chống và thành GK phải đạt chiều cao thiết kế. - Ống chống và đá xi măng xung quanh ống chống phải đảm bảo bịt kín và có độ bền lâu dài. Công việc trám, đưa HXM vào vị trí làm việc được thuận lợi, nhất là khi trám cho khoảng thân giếng dài, trám cho địa tầng có áp suất thấp, người ta dùng hồ xi măng có tỷ trọng thấp.
4 Hình 1.1 Vị trí làm việc của đá xi măng trong giếng khoan Nguyên lý của việc chọn lựa khối lượng riêng HXM để bơm trám GK: γxm.H = Pv/1000 (1.1) ở đây: γxm là khối lượng riêng của HXM, g/cm3 H: là chiều cao của cột xi măng cần bơm trám, cm Pv : là áp suất của tầng vỉa, KG/cm2 Từ công thức (1.1) ta có: γxm = Pv / (1000* H) (1.2) Vậy nếu áp suất tầng vỉa Pv thấp thì khối lượng riêng γxm phải nhỏ tương ứng, ngược lại, nếu áp suất vỉa Pv cao thì khối lượng riêng γxm phải lớn để cân bằng. Có nhiều phương pháp để chế tạo HXMGK tỷ trọng thấp, trong đó phương pháp phổ biến là sử dụng tỷ lệ nước/xi măng lớn đồng thời kết hợp với phụ gia khối lượng riêng thấp.
5 Khi sử dụng HXM có tỷ lệ nước/xi măng lớn trám cho các GK có vùng đáy hoặc thân có nhiệt độ cao, nảy sinh một số nan giải như: độ tách nước lớn, độ bền cơ học và độ bền xâm thực giảm nhanh chóng. Vành đá xi măng như trên sẽ làm xấu đi vai trò cách ly giữa các tầng sản phẩm do để lại khoảng trống không có xi măng trong không gian vành xuyến. Do đó, việc chống ống và bơm trám xi măng cho giai đoạn tiếp theo và khai thác gặp nhiều khó khăn, thậm chí có thể sẽ gặp các sự cố rò rỉ áp suất. Nhược điểm của HXMGK tỷ trọng thấp với tỷ lệ nước/xi măng lớn được khắc phục bằng việc sử dụng các phụ gia điều chỉnh tính chất của HXM. 1.2. Ảnh hưởng môi trường làm việc đến tính chất của XMGK 1.2.1. Ảnh hưởng của điều kiện thi công bơm trám Điều kiện thi công và điều kiện làm việc của GK có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất cần có của xi măng. XMGK được thi công và sử dụng khác hẳn so với xi măng xây dựng thông thường. Xi măng xây dựng thường được sử dụng với cốt liệu để chế tạo bê tông hoặc vữa. Các cấu kiện xây dựng được tạo hình trong nhà máy (bê tông tiền chế) hoặc đúc tại hiện trường. XMGK không dùng cốt liệu mà chỉ trộn xi măng với nước và phụ gia hóa học (nếu cần). Khoảng cách từ nơi trộn hỗn hợp xi măng với nước đến vị trí tạo hình trong công tác bơm trám xi măng rất lớn, đến hàng ngàn mét. Điều kiện vận chuyển và môi trường tạo hình của XMGK cũng rất đặc biệt, khác xa với chế tạo bê tông thông thường. Những khác biệt đó được mô tả tóm tắt như sau: - Trộn xi măng với nước để chế tạo hồ xi măng: công việc này được thực hiện trên giàn khoan, tác nhân khuấy trộn là nước áp lực cao. Tỷ lệ nước/xi măng cao - tùy theo loại xi măng và điều kiện cụ thể, giao động từ 0,38 đến 1,0. - Vận chuyển hồ xi măng đến vị trí tạo hình: hồ xi măng được bơm vào trong lòng ống chống, ép với áp lực lớn để nén cột dung dịch khoan. Dưới áp lực, cột hồ xi măng sẽ đẩy dần dung dịch khoan lên phía thành ngoài của ống chống giếng và thay thế dần vị trí của dung dịch khoan.
6 - Không gian vành xuyến là khoảng không gian giữa cột ống chống và thành lớp đất đá GK. Hồ xi măng đã thay thế dung dịch khoan tạo thành cột hồ hình vành xuyến xung quanh cột ống chống và bám vào lớp đất đá nằm tại đó đóng rắn thành đá xi măng (hình 1.1). Như vậy, hồ xi măng phải thực hiện hai quá trình chuyển động ngược chiều nhau và chịu tác dụng của sự thay đổi nhiệt độ ngược chiều nhau: Khi chuyển động từ trên mặt xuống đáy giếng (trong lòng ống chống) nhiệt độ tăng dần; khi chuyển động từ đáy giếng lên phía trên miệng giếng (trong không gian vành xuyến) nhiệt độ giảm dần. Để quá trình vận chuyển này được thực hiện dễ dàng, hồ xi măng phải có độ nhớt phù hợp, có khả năng linh động và duy trì tính linh động trong suốt thời gian bơm. Khi thay thế vị trí của dung dịch khoan, hồ xi măng phải có tỷ trọng tương tự như tỷ trọng dung dịch để cân bằng với áp suất vỉa nhằm bảo vệ thành lớp đất đá không bị sập lở và hồ xi măng không chui vào các lỗ rỗng, hốc của lớp đất đá trong thành giếng. - Tạo hình và đóng rắn: khi hồ xi măng đã thay thế hoàn toàn dung dịch khoan trong không gian hình vành xuyến, quá trình bơm ép được dừng lại và giữ cố định áp suất trong ống để tạo hình. Lúc này vành xuyến xung quanh ống chống là hồ xi măng. Hồ xi măng này phải nhanh chóng chuyển thành trạng thái đá để liên kết ống chống với thành lớp đất đá, giữ vững ống chống và cách ly các tầng vỉa. Quá trình đóng rắn này diễn ra trong điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao, có các tác nhân ăn mòn. Để đảm bảo được các yêu cầu của quá trình bơm trám và đá xi măng bền vững trong giếng khoan, xi măng phải đáp ứng được nhiều yêu cầu kỹ thuật như: có tỷ trọng phù hợp, có độ nhớt thấp, duy trì tính linh động, bền trong môi trường nhiệt độ, áp suất cao, đồng thời bền vững với các tác nhân xâm thực, không tách nước, đá xi măng có độ thấm thấp. 1.2.2. Ảnh hưởng của môi trường làm việc giếng khoan Đại đa số các giếng khoan có môi trường làm việc rất khắc nghiệt: nhiệt độ và áp suất cao, tác nhân xâm thực mạnh như: khí H2S, HCO3-, xâm thực sun phát.
7 Vì vậy, môi trường làm việc của GK có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của xi măng. Ảnh hưởng đặc trưng nhất của GK đến tính chất của xi măng là môi trường nhiệt độ và áp suất cao, sau đó đến ăn mòn của nước vỉa. - Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất Nhiệt độ và áp suất làm tăng tốc quá trình hydrát và đóng rắn của xi măng. Nguyên nhân chính của hiện tượng tăng tốc độ hydrát hóa của xi măng khi tăng nhiệt độ và áp suất là do tăng khả năng hòa tan, tăng hệ số khuyếch tán của các phần tử tham gia phản ứng và làm tăng khả năng điện li của nước và các phần tử hòa tan. Để đánh giá mức độ hydrát hóa của các khoáng xi măng người ta dùng khái niệm tốc độ hydrát hóa. Theo khảo sát của [18-20, 32], tốc độ hydrát hóa của C3S ở nhiệt độ 520C tăng gấp 1,6 lần so với ở nhiệt độ 250C. Trong nghiên cứu của [27,29] kết luận: ở nhiệt độ 500C tốc độ hydrát hóa của βC2S tăng 1,5 lần và của C3S tăng gấp 3 lần so với ở nhiệt độ thường 250C. Cũng ở nhiệt độ 500C, C3A và C4AF phản ứng hydrát rất mãnh liệt và kết thúc hydrát hóa trong thời gian từ 1 –3 ngày. Tốc độ hydrát hóa của các khoáng xi măng tăng nhanh khi tăng nhiệt độ của môi trường thủy hóa, tuy nhiên theo [18-20, 32] cường độ đá xi măng ở tuổi muộn giảm rõ rệt khi nhiệt độ môi trường thủy hóa của khoáng xi măng lớn hơn 600C. Các tác giả [19, 27, 28] đã nghiên cứu tác động của nhiệt độ tạo mẫu và bảo dưỡng mẫu (từ 0 – 1000C) đến quá trình hydrát của xi măng pooc lăng và kết luận: cường độ của đá xi măng ở các tuổi 1, 3, 7, và 28 ngày tăng khi nhiệt độ tăng và đạt cực đại ở 600C. Ở nhiệt độ lớn hơn 600C có hiện tượng suy giảm cường độ của đá xi măng do sự chuyển pha của khoáng hydrát canxi silicat, hydrát canxi aluminat và hydrát canxi alumoferrit. Tác giả [31] đã nghiên cứu quá trình biến đổi của khoáng hydrát canxi silicat theo nhiệt độ và tỷ lệ phân tử gam CaO/SiO2 (hình 1.2). Ở nhiệt độ 700C – 900C khoáng C3S và C2S có tốc độ thuỷ hoá tăng, tuy nhiên cường độ ở tuổi muộn không cao. Các nghiên cứu [18-20] chỉ ra rằng: để tránh hiện tượng đông kết tức thời của
8 hồ xi măng và tránh suy giảm cường độ dưới tác dụng của nhiệt độ lớn hơn 600C, cần đưa vào hồ xi măng phụ gia giàu silic như: silicafum và cát nghiền. .. Dưới điều kiện địa nhiệt, cả silicafum và cát nghiền đều là tác nhân kiềm chế quá trình suy giảm cường độ của đá xi măng. Silicafum là loại tác nhân hoạt tính nhanh hơn vì có độ mịn cao, tuy nhiên sản phẩm này làm cho hồ xi măng đặc quánh nhanh hơn so với cát nghiền ở cùng điều kiện so sánh [23,27,28,31,32]. Hình 1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến đổi thù hình của khoáng hydrát canxi silicat [31] Theo nghiên cứu của [18,19], hồ xi măng - cát nghiền có thời gian đặc quánh dài hơn so với hồ xi măng - silicafum. Ở nhiệt độ 1000C, cường độ nén của đá xi măng - cát nghiền và xi măng - silicafum tăng trong thời gian đầu, sau đó giảm đi rồi tăng trở lại. Nguyên nhân của thay đổi này là: sự hình thành và biến đổi cấu trúc khoáng của hydrát canxi silicat do có mặt ôxít silic của silicafum và cát nghiền. Ban