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

Việc nghiên cứu thiết kế một hệ vữa xi măng trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, để nâng cao chất lượng công tác trám xi măng là một trong những công đoạn quyết định

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

Ngành: Kỹ thuật Dầu khí

Mã số: 62.52.06.04

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Khoan - Khai thác, Khoa Dầu khí, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Trần Đình Kiên - Trường Đại học Mỏ - Địa chất;

2 TS Nguyễn Hữu Chinh - LD Dầu khí Việt Nga “VietsovPetro”

Công ty Thăm dò Khai thác dầu khí trong nước

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá cấp Trường, họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, phường Đức Thắng, quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội, vào hồi giờ ngày tháng năm 2015

Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia, Hà Nội

hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bể Nam Côn Sơn là bể có triển vọng và tiềm năng dầu khí lớn đứng thứ 2 của Việt Nam sau bể Cửu Long Tuy nhiên, tại đây có các điều kiện địa chất - kỹ thuật phức tạp, nước sâu, đặc biệt tại khu vực Đông - Bắc xuất hiện các tầng chứa có nhiệt độ và áp suất cao, gradien địa nhiệt bằng

40C/100 m, 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 những sự cố nghiêm trọng, vữa xi măng không ép được vào không gian vành xuyến ngoài cột ống mà ngưng kết ngay trong cột ống hàng nghìn mét; chất lượng của vành đá xi măng trong giếng đạt tỉ lệ thấp, tiềm ẩn nguy cơ xuất hiện khí - một trong những dạng phức tạp nguy hiểm nhất và phổ biến nhất, thường dẫn đến sự cố ảnh hưởng đến công tác thăm dò và khai thác dầu khí

Trong thời gian tới, một số cấu tạo nằm trong khu vực bể Nam Côn Sơn sẽ tiến hành phát triển khai thác Việc nghiên cứu thiết kế một hệ vữa

xi măng trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, để nâng cao 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 hệ vữa xi măng tối ưu để trám các giếng khoan

trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn, bảo đảm chất lượng cách ly tốt nhất các tầng sản phẩm trong giếng khoan, ngăn chặn

sự xâm nhập khí, chống sự ăn mòn của nước dưới đất, giảm quá trình ngập

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Lựa chọn xi măng nền, phụ gia ổn định độ bền của xi măng, các chất làm nặng, các phụ gia hoá chất để lập đơn pha chế; 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 trong giếng khoan và hệ tầng đất đá 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, phân tích các đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn và ảnh hưởng đến các tính chất của xi măng trám giếng khoan; các biện pháp nâng cao chất lượng của của đá xi măng

- Nghiên cứu một số tính chất của vữa và đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

- Lựa chọn vật liệu, các phụ gia chuyên dụng, lập đơn pha chế và xác định các thông số công nghệ của vữa trám cột ống chống trong khoảng chiều sâu nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn; đánh giá chất lượng trám giếng khoan theo các biểu đồ đo địa vật lý giếng khoan

5 Phương pháp nghiên cứu

a n p p t m c Tổng hợp, phân tích tài liệu thực tế về vữa xi

măng nhiệt độ và áp suất cao các mỏ dầu khí trên thế giới và chất lượng bơm trám xi măng các giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn

b n p p t n m: Xác định các tính chất của vữa và đá xi

măng bằng phương pháp không phá hủy trên các thiết bị thí nghiệm UCA,

MPRO

c n m c n n p đơn pha chế vữa xi măng trám cột ống

chống khai thác giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn và đánh giá chất lượng trám xi măng giếng khoan

6 Những đóng góp mới của luận án

 Đã tổng kết các đặc điểm áp suất dị thường cao và nhiệt độ cao, lập bảng phân cấp nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn Phân tích ảnh hưởng của chúng đến các tính chất của vữa và hiệu quả công tác bơm trám

xi măng, 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 của đá xi măng trên các thiết bị UCA và MPRO, cho phép mô phỏng các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao 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 bền nhiệt của hệ xi măng cho điều kiện trám các giếng khoan nhiệt độ cao bể Nam Côn Sơn

 Kết hợp kinh nghiệm thực tiễn với với các kết quả thí nghiệm đã đề xuất công thức và lập đơn pha chế hệ vữa xi măng, xác định các thông số công nghệ tối ưu để trám xi măng cho các giếng khai thác trong khoảng nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn

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

 Tại bể Nam Côn Sơn, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, khi sử

bền, giảm độ thấm, cải thiện modun Young và hệ số Poisson Lựa chọn phụ gia SSA-1, loại cát nghiền có hàm lượng oxit silic cao, kích thước hạt bé, cho phép nâng độ bền nén và giảm độ thấm của đá xi măng đạt trị số tối ưu

ở nhiệt độ đến 2000

C

 Trong điều kiện bể Nam Côn Sơn, trong các điều kiện áp suất vỉa dị thường cao nhiệt độ đều cao, yêu cầu áp suất thủy tĩnh của vữa xi măng trám tương đối cao để cân bằng áp suất vỉa với khối lượng riêng của vữa trong khoảng 2,01 - 2,22 g/cm3 Bổ sung các chất làm nặng 40% Hi-Dense

4 và 25% MicroMax là hợp lý nhất, đồng thời thỏa mãn các chỉ tiêu chất lượng khác như thời gian quánh, độ thấm và 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: Báo cáo tổng kết nhiệm vụ nghiên

cứu khoa học cấp Ngành: “ ổn kết và đ n c n t c b m trám xi măn c o c c ến k oan có n t độ và p suất cao ở bể Nam C n S n”;

Báo cáo kết thúc giếng khoan: MT-2X; MT-6P; MT-1P; MT-3P; HT-1P; DN-2X, 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, 56 hình vẽ, 15 biểu bảng, 10 phụ lục, 13 danh mục các công trình khoa học đã công bố và 53 đầu mục tài liệu tham khảo

Chương 1 ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO

TẠI BỂ NAM CÔN SƠN VÀ ẢNH HƯỞNG ĐỐI VỚI CÔNG TÁC

BƠM TRÁM XI MĂNG GIẾNG KHOAN 1.1 Đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn

Bể Nam Nam Côn Sơn có diện tích gần 100.000 km2 Độ sâu nước biển trong phạm vi của bể này thay đổi rất lớn, từ vài chục mét ở phía Tây đến hơn 1.000 m ở phía Đông

Hiện tượng áp suất dị thường cao thường gặp chủ yếu trong tầng Miocen Trong một số giếng khoan, gradien áp suất đạt đến 1,6 MPa/100m, đặc biệt có những giếng khoan gradien áp suất đạt 1,9-2,04 MPa/100m Trong các tầng trầm tích trẻ như Pliocene và Miocene trên, gradien nhiệt độ tương ứng là 2,190

C/100m và 3,730C/100m, tầng Miocene giữa gradien nhiệt độ là 4,270

C/100m, đặc biệt trong tầng Miocene dưới và Oligocene gradien nhiệt độ lên tới 4,480

C/100m

Tại bể Nam Côn Sơn đã gặp những giếng có áp suất cao và đồng thời nhiệt độ cao Tại giếng 05-2-HT-2X, ở chiều sâu 3.740m nhiệt độ đo được trong giếng là 1720C và áp suất vỉa 74MPa; tại giếng 05-1c-DN-2X-ST2, ở chiều sâu 4.245m gặp nhiệt độ 1850C, áp suất trên đáy là 98,7MPa, hoặc tại giếng HT-1X ở chiều sâu 4.548m nhiệt độ đo được là 2100C và áp suất vỉa 91MPa

Trên cơ sở phân tích, các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn, tác giả phân thành hai cấp (hình 1): Cấp I: Nhiệt độ và áp suất cao (nhiệt độ 1500C-1750C và áp suất 69 MPa-103 MPa) và Cấp II: Nhiệt

độ và áp suất rất cao (nhiệt độ 1750

C-2000C và áp suất 103-138 MPa)

Hình 1 Bản p ân cấp n t độ và p suất cao bể Nam C n S n

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

Các tính chất của vữa xi măng có ý nghĩa lớn nhất, ảnh hưởng đến quá

trình bơm trám là khối lượng riêng vữa, độ chảy tỏa (độ quánh, tính chất

lưu biến), độ thải nước, vận tốc ngưng kết

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

tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng trong quá trình pha trộn và bơm

ép vào giếng khoan Khi khoan các giếng gặp các vỉa có áp suất dị thường cao yêu cầu áp suất thủy tĩnh của vữa xi măng phải đảm bảo đủ cân bằng áp suất của vỉa, nhưng đồng thời không để gây ra nứt vỉa và mất dung dịch

Thời gian quánh là chỉ tiêu công nghệ quan trọng, yêu cầu vữa không

được quánh và đóng rắn trước thời hạn thực hiện quá trình công nghệ bơm trám Nhiệt độ đáy cao (đạt đến 1600C-2000C) làm cho vữa xi măng ngưng

kết nhanh Nhiệt độ và áp suất tăng đồng thời sẽ đẩy nhanh thời gian ngưng kết của vữa xi măng

Nhiệt độ tăng lên sẽ ảnh hưởng đến tốc độ thải nước Vữa xi măng có

độ thải nước cao có thể là nguyên nhân gây ra phức tạp trong quá trình gia

cố giếng khoan

Để gia cố vững chắc các cột ống chống và bịt kín vành xuyến giếng

khoan, yêu cầu sau khi đóng rắn kích thước xi măng không co ngót, ngăn

ngừa sự tạo ra các khe hở giữa các cột ống và thành hệ, tạo thành kênh dẫn cho khí xâm nhập vào không gian vành xuyến

1.3 Chất lƣợng 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: vữa xi măng bị ngưng kết sớm trong cột ống chống; chất lượng vành đá xi măng trong một số giếng khoan đạt hiệu quả không cao

Một trong những nguyên nhân chủ yếu ảnh hưởng đến chất lượng bơm trám xi măng trong giếng khoan là do lựa chọn vật liệu, các phụ gia vữa xi măng, các thông số công nghệ của vữa không phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao và áp suất cao trong giếng khoan

1.4 Các công trình nghiên cứu về xi măng trám giếng khoan 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

Các nhà khoa học như Erik B.Nelson, George Birch, Michael Richebourg, Jacques Jutten (Schlumberger Dowell); Benjamin Iverson và Joe Maxson (Halliburton) đã có các công trình nghiên cứu về sự suy giảm

độ bền của xi măng portland, 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

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

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

Tại Liên bang Nga và các nước SNG đã sản xuất các chủng loại xi măng xỉ - cát thạch anh, các loại xi măng chuyên dụng để trám xi măng các giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao

Công ty Schlumberger sản xuất hệ xi măng FlexSTONE HT kết hợp với công nghệ CemCRETE để trám giếng khoan có nhiệt độ đến 250o

C Công ty Halliburton đã thử nghiệm loại xi măng HDEC để trám giếng trong điều kiện nhiệt độ tĩnh trên đáy 227o

C với khối lượng riêng vữa đến 2,26g/cm3 Các hệ xi măng nặng chịu nhiệt khác như ximăng ThermaSTONE, DenseCEM

Tại bể Nam Côn Sơn, các nhà thầu Nowsco, Dowell/ Schlumberger,

BJ, Halliburton thường sử dụng xi măng portland mác G, một số giếng có nhiệt độ 130-155oC có thêm chất phụ gia silica Để trám xi măng các cột ống chống có nhiệt độ khá cao, đã sử dụng loại xi măng mác, các phụ gia bền nhiệt và các hóa phẩm khác

1.6 Định hướng nghiên cứu

Nghiên cứu hoàn thiện hệ xi măng bền nhiệt; Lựa chọn chất làm nặng

và các phụ gia chuyên dụng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao Xác định các thông số công nghệ của vữa và đá xi măng phù hợp với các điều kiện giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn

Kết luận Chương 1

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

độ và áp suất cao Nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn có thể phân thành hai cấp: Cấp I (nhiệt độ và áp suất cao) và Cấp II (nhiệt độ và áp suất rất cao)

- Nhiệt độ và áp suất cao làm giảm chất lượng của vữa, giảm chất lượng gắn kết của vành đá xi măng trong giếng khoan, 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 Sự suy giảm độ bền của xi măng trong điều kiện nhiệt độ cao

Hiện nay, tại bể Nam Côn Sơn ximăng mác G tiêu chuẩn API được

dùng để trám giếng khoan Trong điều kiện nhiệt độ cao, xi măng sẽ diễn

ra quá trình tạo pha khoáng mới

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, có cấu trúc tinh thể, tỉ khối cao, tính thấm cao và độ bền nén thấp

Ở nhiệt độ >160oC có thể tạo thành hydrosilicat C3SH2 Ở nhiệt độ khoảng 2020

C chuyển thành  hydrat C2S, là hỗn hợp các silicat hydrat calcium-chrondodit và kilchoanit Tăng nhiệt độ lên đến 2500C, gyrolit biến đổi thành truscottit, có độ thấm cao và bộ bền nén thấp so với tobermorit

Để ổn định thành phần C-S-H(I), C-S-H(II), Gel C-S-H yêu cầu tỉ số CaO/ SiO2 cho các khoảng nhiệt độ khác nhau như sau:

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) Trên hình 2 - biểu đồ tạo pha khoáng mới của xi măng, vói tỉ số thành phần CaO/SiO2 1,0, sẽ duy trì cấu trúc vi mô, duy trì ổn định tính chất cơ học của xi măng

Hình 2 B ểu đồ tạo p a k o n mớ của x măn tr m

2.2 Nghiên cứu độ bền nén của hỗn hợp xi măng + SSA-1

• Herianto bằng thí nghiệm cho thấy với hàm lượng 35-40% silica SSA-1 độ bền nén sẽ đạt cực đại ở nhiệt độ 1500C và áp suất 13,78 MPa (bảng 1)

Kết quả nghiên cứu độ bền nén trên đây chỉ giới hạn ở nhiệt độ 1500C

và áp suất 14MPa, trong thời gian bảo dưỡng 7 ngày, cho nên chưa phản ánh đầy đủ các điều kiện thực tế

 Tại Phòng thí nghiệm Công ty Halliburton đã tiếp tục nghiên cứu thí nghiệm độ bền nén của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1 có khối lượng riêng vữa 1,90 và 2,04 g/cm3 ở nhiệt độ từ 1430C đến 2100

C và thời gian bảo dưỡng 28 ngày (trong bảng 2 và trên hình 3)

Độ bền nén trong khoảng thời gian,( MPa)

Trong bảng 3 và trên hình 4 - Độ thấm của của xi măng + 35% SSA-1

có khối lượng riêng vữa 1,90 và 2,04 g/cm3 ở nhiệt độ từ 1430C đến 2100

Độ thấm trong khoảng thời gian,(mD)