Cơ sở khoa học để ức chế sét và ổn định thành giếng khoan

Cơ sở khoa học để ức chế sét và ổn định thành giếng khoan

Cơ sở khoa học để ức chế sét và ổn định thành giếng khoan

Đ có nhiều công trình nghiên cứu và đưa vào áp dụng các chất ức chế khác nhau vào dung dịch khoan trên nền nước Các chất phụ gia ức chế này có tác dụng:

( hydration )

- Biến tính bề mặt khoáng sét nhờ quá trình hấp phụ các oxit kim loại đa hóa trị

gây ức chế quá trình thủy hóa và trương nở sét Montmorillonite đồng thời còn ngăn ngừa phân rữa mùn sét khoan Trong một số trường hợp khác, khi gặp khoáng sét gốc canxi, các cation Na+ có thể thế các cation Ca2+ đa hóa trị và chuyển sét canxi thành sét Natri dễ trương nở và thủy hóa mạnh Từ đó dẫn đến hậu quả ngược lại là làm ảnh hưởng đến các tính chất thấm chứa tầng sản phẩm

Trong các phụ gia ức chế đơn hóa trị, hợp chất Kali được đề cập nhiều nhất Theo Mondshine đ chứng minh rằng

theo trọng lượng ) Tuy nhiên theo Clark, nồng độ K+ cần thiết để ức chế trương nở sét có thể thay thế tùy thuộc vào thành phần các khoáng sét trên thành hệ Đối với đá sét ở mỏ Bạch Hổ, theo các kết quả phân tích Ronghen các mẫu sét ở chiều sâu 1800m đến 3300m mỏ và qua phương pháp xác định trao đổi cation, nồng độ Kali tối ưu để ức chế sét là 7% đến 10%

cation K+ linh động có thể xâm nhập rất sâu vào bên trong cấu trúc ô mạng sét và tạo lực hút tĩnh điện trái dấu giữa các lớp sét và làm giảm sự trương nở sét ( hình 2.12 ) Như vậy nhờ kích thước nhỏ và khả năng tạo lớp màng thủy hóa rất mỏng, các ion kali có thể đi tự do, rất sâu vào các khoảng không vô cùng hẹp giữa các lớp của cấu trúc sét để ngăn ngừa quá trình trương nở và phân tán sét

Hình 2.12 Sơ đồ trao đổi cation có kích thước khác nhau với khoáng sét

ức chế bằng các ion đa hóa trị

Đây là một trong những nguyên lý ức chế nhằm biến tính bề mặt khoáng sét nhờ quá trình hấp phụ các kim loại đa hóa trị từ các muối CaSO4, CaCl2, hoặc các hydroxit kim loại đa hóa trị như Ca(OH)2,K2SO4Al2(SO4).24

H2O…

Khi tiếp xúc với sét Montmorillonite- Natri, các cation Ca2+ có thể thay thế các cation Na+ trong màng khuếch tán của khoáng sét nhằm làm giảm bề dày màng khuếch tán và làm cho các lớp sét xích lại gần nhau hơn, từ đó làm giảm

khoảng cách giữa các phiến để hạn chế sự trương nở của sét ức chế sét bằng cation canxi đ được áp dụng trong suốt thời gian thi công các giếng khoan có các lớp sét kém ổn định Tuy nhiên khả năng bền nhiệt của dung dịch ức chế bằng canxi chỉ có thể đạt từ 100 đến 110˚C, nếu lớn hơn nhiệt độ này dung dịch sẽ bị keo đặc

Khác với cation canxi, các cation nhôm, crôm và sắt hấp phụ vào khoáng sét bằng các liên kết chặt hơn, làm cho bề dày màng khuếch tán trong khoáng sét giảm đi Tuy nhiên, các cation nói trên chỉ tồn tại trong môi trường axit ( pH < 4 ) Khi tăng tính kiềm, các muối nhôm, crôm và sắt sẽ chuyển thành các hydroxit kim loại tương ứng và hấp phụ rất mạnh lên

bề mặt sét mùn khoan, làm ức chế sự phân tán của sét vào dung dịch khoan

Trong các hệ ức chế bằng muối nhôm, các hydroxit nhôm hấp phụ lên bề mặt đá sét thành giếng khoan, gây ngăn cản các cấu tử sét chuyển dịch vào dung dịch, đồng thời khi sa lắng vào các khe nứt, hydroxit nhôm sẽ bít chúng, làm giảm hiện tượng ngậm nước của đá sét thành hệ và làm tăng độ bền chắc thành giếng khoan

Tuy nhiên khi hình thành các hydroxit, xung quanh chúng tạo ra lớp màng thủy hóa và làm suy giảm lực điện tích dương của nhôm Nếu đá sét bị thấm ướt xung quanh nó đồng thới tạo ra lớp màng thủy hóa dày, các cấu tử sét sẽ mất đi khả năng hấp phụ các hydroxit nhôm nên không giảm được lớp nước bao quanh và từ đó thành hệ sét trở nên kém bền

acgilit có độ thấm ướt thấp ( độ ẩm nhỏ hơn 10% )

Cơ chế ức chế sét của các hóa phẩm làm long

Perricone và Browing đ đề cập đến khả năng bền vững của thành hệ sét và sét mùn khoan khi tiếp xúc với dung dịch trong một khoảng thời gian dài ở các chiều sâu lớn có nhiệt độ đáy giếng cao Browing cho rằng độ ổn định điện

động và hóa lý ( hoặc cơ học ) đóng một vai trò quyết định đối với khả năng ức chế của hệ dung dịch Độ ổn định lý hóa kéo theo sự hình thành lớp màng chắn hấp phụ lý học bởi các chất cao phân tử trên bề mặt cấu tạo của đá sét Các hợp chất này có độ nhớt cao nhờ tính không linh động trong môi trường phân tán, hấp phụ và tạo lớp nhớt trên bề mặt khoáng sét Các hóa phẩm có khả năng như vậy được sử dụng trong hệ dung dịch gốc nước, vì chúng khá bền vững khi có mặt các chất nhiễm bẩn trong dung dịch khoan Vì thế các hợp chất Ligonsulfonate đ được áp dụng rất phổ biến

Khi giải thích hiện tượng hấp phụ ligonsulfonate lên bề mặt sét, người ta cho rằng ở các ô mạng khác nhau trên bề mặt cấu tử sét luôn luôn có mặt các cation H+, để tạo liên kết hydro bền vững với các nhóm OH- có trong phân tử lignosulfonate Do đó các phân tử lignosulfonate được gắn chặt và hấp phụ vào bề mặt khoáng sét thông qua các liên kết hydro Như vậy nhờ hình thành các lớp hấp phụ lignosulfonate có kích thước phân tử lớn và có tính nhớt trên bề mặt cấu tử sét, nên lignosulfonate có khả năng ức chế sự trương nở của sét, làm phân tán sét mùn khoan, giảm độ nhớt và độ bền gel Tuy nhiên, do có kích thước phân tử lớn nên khi xâm nhập vào các lớp giữa các mặt phẳng phiến sét , hợp chất Lignosulfonate dễ gây tách vỡ, làm phân tán sét thành tạo, vì thế thành giếng kém ổn định

Hình Công thức cấu tạo của phân tử Ferocrom Lignosulfonate

Cơ chế ức chế của các polime cao phân tử

Đ có nhiều công trình nghiên cứu đề cập khả năng ức chế của một số hợp chất polime cationic và polime anionic Polime cation có xu hướng hấp thụ lên bề mặt các khoáng sét mạnh hơn so với các polime anion, do trong khoáng sét điện tích âm chiếm ưu thế so với điện tích dương Sự hấp thụ mạnh này tạo ra màng chắn tăng khả năng bao bọc, ngăn cản trương nở và quá trình phân rữa, phân tán các phiến sét, do đó polime cation ức chế sét rất hiệu quả Ngoài ra các polime cationic còn có khả năng tạo lớp hấp phụ trên bề mặt kim loại điện tích âm, làm hạn chế hiện tượng bó choòng gây ra bởi các mảnh sét trong thời gian khoan

Ngày nay nhờ áp dụng các polime cationic phù hợp có các tính chất hoàn toàn tương hợp với một số thành phần trong dung dịch khoan, nên hợp chất này đang được đưa vào sử dụng làm chất phụ gia ức chế sét trong các hệ dung dịch

ức chế Tuy nhiên, bên cạnh những mặt ưu điểm nói trên, mặt hạn chế cơ bản của polime cationic là khả năng bền nhiệt của chúng rất thấp ( đến 100-110˚C ) Vì vậy chúng chỉ được áp dụng để thi công các giếng khoan có nhiệt độ đáy giếng không cao Mặt khác, do bề mặt sét tích điện âm nên để bao bọc các bề mặt này cần phải tiêu tốn một lượng lớn polime cation làm giá thành tăng cao

Ngược lại với polime cationic, polime anionic chỉ hút vào các cạnh sét tích điện dương, nên lượng hóa phẩm tiêu tốn

ít hơn nhiều Polimeacrilamit thủy phân từng phần PHPA thuộc loại polime anionic ( cấu trúc phân tử PHPA được mô tả theo hình 2.14 ) Trong môi trường phân tán, hợp chất PHPA hấp thụ ở các góc cạnh tích điện dương của các phiến sét tạo

ra lớp màng ngăn cách nước Lớp màng hấp thụ PHPA trên bề mặt khoáng sét ( sét mùn khoan hoặc sét thành tạo ) không làm ảnh hưởng đến thay đổi lực dính kết bên trong cấu trúc ô mạng sét, nhưng làm cho chúng kết lại với nhau để dễ dàng chuyển lên miệng giếng khoan Sơ đồ hấp phụ của PHPA lên bề mặt các cấu tử sét được biểu diễn trên hình 2.15

CH2 CH2 CH2 CH3

CH 2 CH CH CH | | | | C=O C=O C=O C=O | | | |

NH 2 ONa+ ONa+ NH 2

Hình Sơ đồ cấu trúc phân tử của PHPA/KCl

Hình Sơ đồ hấp phụ của PHPA lên bề mặt các cấu tử sét

Cơ chế ức chế của các polime silic hữu cơ kị nước KR-22

Polime silic hữu cơ KR-22 là polime có cấu trúc phân tử thấp thuộc dạng Alumometylsiliconal hữu cơ Các liên kết cơ bản trong cấu trúc phân tử siliconat hữu cơ bao gồm: nhóm liên kết anion silocxan ( SiO-Na ), nhóm liên kết silocxan

Công thức phân tử của KR-22

Ngoài ra trong hợp chất siliconat hữu cơ còn có các nhóm

Hydrocacbon no ( R = CH3, C2H5, OC2H5 ) Nhờ có các đuôi này mà khi hấp phụ lên các bề mặt vật thể rắn hoặc các pha, lớp màng hấp phụ polime silic hữu cơ có tính kỵ nước có tác dụng làm ngăn cản nước xâm nhập vào khoáng sét

hữu cơ kị nước sẽ phân li và cho ra polime có dạng anion, chúng sẽ tương tác với điện tích dương ở góc cạnh phiến sét, để tạo lớp vỏ bọc bảo vệ không cho nước xâm nhập

KR-22 ức chế sét nhờ quá trình hấp thụ hóa học Trong đó mối liên kết giữa KR-22 và khoáng sét dựa trên mối liên kết tĩnh điện trái dấu bền vững Do có cấu trúc đặc thù và khả năng tạo ra những liên kết phối trí giữa Silic, nhôm với gốc oxygen trong phân tử siliconat hữu cơ và phân tử nước mà polime này thể hiện như một dạng chất có cấu trúc hóa học khá phức tạp

Mặt khác, các liên kết phân cực SiưOưSi và AlưOư đồng thời cùng với hơi nước phân cực thuộc lớp nước bám dính

tự nhiên trên bề mặt vật thể tham gia vào quá trình hấp phụ hóa học, tạo ra lớp màng bao bọc thông qua các liên kết phối

chặt lên bề mặt vật thể nhờ có lực hóa trị dư trong các liên kết, ở đó các gốc oxygen bị hút bởi các nguyên tử silic hữu cơ

hướng về phía môi trường phân tán Do đó lớp màng hấp phụ polime tạo ra trên bề mặt vật thể có tính kỵ nước Hiện tượng hấp phụ hóa học này xảy ra liên tục, tạo lớp hấp phụ polime quá bền trên bề mặt vật thể

Từ những quan điểm trên chúng tôi cho rằng, có thể giải thích tương tác giữa siliconat hữu cơ với sét theo một cơ chế tương tự Sơ đồ mô tả sự hấp phụ của KR-22 lên bề mặt khoáng sét được biểu diễn trên hình 2.17 Lớp màng hấp phụ polime silic hữu cơ trên bề mặt cấu tử sét có tác dụng như một lớp ngăn cách không cho nước xâm nhập vào bên trong cấu trúc ô mạng sét, mặt khác chúng còn làm mỏng lớp màng khuếch tán bao quanh cấu tử sét và trên bề mặt mao dẫn, từ đó

sẽ góp phần ngăn cản quá trình hydrat hóa

Hình Sơ đồ mô tả màng phân tử polime siliconat hấp thụ lên bề mặt vật thể

Bên cạnh đó KR-22 còn có tác dụng bảo vệ nhiệt rất tốt Cơ chế bảo vệ nhiệt của KR-22 như sau:

Trong thành phần của KR-22 có ba nguyên tử cơ bản tạo nên chúng gồm: cacbon của chất hữu cơ, silic và nhôm của chất hữu cơ Sự có mặt đồng thời của chúng đảm bảo cho phản ứng hóa học với các chất hữu cơ và vô cơ luôn tương

thích Các liên kết của silicxan ( SiưOưSi ) và alumo (AlưO) rất chắc chắn và bền nhiệt, chúng hình thành lớp màng bảo

vệ nhiệt bao quanh các mạch polime giúp hệ ổn định cả ở nhiệt đến 150˚C

Vậy polime silic hữu cơ không những làm tăng khả năng ức chế sét, tính kị nước, giảm độ bền gel mà còn cải thiện hàng loạt các tính chất của dung dịch khoan như: tạo khả năng ion hóa trên thành giếng khoan bằng lớp vỏ sét mỏng, bền

với nước thải xâm nhập vào vỉa sẽ tạo lớp màng kị nước trên bề mặt của các nứt nẻ và lỗ rỗng mao dẫn làm giảm sức căng

bề mặt, ngăn ngừa tạo nhũ tương dầu nước

Đặc tính kỹ thuật của KR-22 được trình bày trong bảng 10

Nhờ có tính đa năng, KR-22 có thể đưa vào sử dụng để khoan qua thành hệ sét, các tầng chứa có lẫn nhiều sét, các tầng sản phẩm có tính ưu nước ở mỏ Bạch Hổ

Hình Sơ đồ mô tả sự hấp phụ của “ KRR22” lên bề mặt khoáng sét

Bảng 10 Đặc tính kỹ thuật của hóa phẩm KR-22

ức chế bằng polime cao phân tử để tạo lớp màng bao bọc như Lignosulffonate, polime sinh học, PHPA hoặc

và chúng chỉ ức chế ở các góc cạnh của cấu tử sét nên lớp màng chắn thường là không bền vững Vì vậy, trong các hệ dung dịch khoan đang sử dụng ngày nay, người ta đ đưa vào sử dụng nhiều chất phụ gia ức chế khác nhau, đó là các hệ

nhiệt độ cao Do đó điều kiện áp dụng còn hạn chế Hợp chất gốc Ferocrom Lignosulfonate tuy có khả năng ức chế sét và bền nhiệt cao, song rất độc hại đến môi trường sinh thái

Tương tự như các polime cao phân tử khác, polime silic hữu cơ KR-22 cũng có dạng anion trong môi trường kiềm Chúng đều có khả năng ức chế vào các góc cạnh phiến sét nhờ lực hút tĩnh điện trái dấu Tuy nhiên điểm khác biệt của các hợp chất polime silic hữu cơ thể hiện ở chỗ lớp màng chắn ức chế sét của nó còn được hình thành trên bề mặt cấu tử sét tồn tại khá bền vững nhờ các liên kết phối trí, đồng thời có tính kị nước và rất ổn định với nhiệt Và cũng do những ưu

điểm trên các chất phụ gia này gần đây đ được sử dụng rất phổ biến ở XNLD, đặc biệt là các tầng Miocene hạ, Oligocene

Các biện pháp nhằm nâng cao độ ổn định thành giếng khi thi công khoan, đặc biệt đối với những giếng khoan có góc nghiêng lớn

a) Tính không ổn định thành giếng do một số nguyên nhân gây ra như: ảnh hưởng của áp suất dư, áp suất lỗ rỗng,

chỉnh trọng lượng riêng của dung dịch khoan và lưu lượng khoan phù hợp, kiểm soát sự xâm nhập của nước thải hoặc dung dịch khoan vào vỉa, sử dụng các hợp chất polime hoặc các chất đặc biệt để bít nhét vào các nứt nẻ tự nhiên của thành hệ

b) Lựa chọn hệ dung dịch khoan nhằm đảm bảo ổn định tính ổn định thân giếng khoan

tính không ổn định thành giếng là một trong những vấn đề phức tạp và xảy ra nhất khi khoan qua các thành hệ sét

dễ trương nở khi tiếp xúc với dung dịch khoan Do đó khi khoan qua các thành hệ có hàm lượng sét hoạt tính cao thì hệ dung dịch khoan đòi hỏi phải có khả năng ức chế sét cao, độ thải nước nhỏ, đồng thời các thông số kỹ thuật cũng phải phù hợp với địa tầng khoan qua Thực tế thi công giếng khoan ở mỏ Bạch Hổ tại các địa tầng Miocene hạ, Oligocene thượng và Oligocene hạ cho thấy những diễn biến phức tạp đặc trưng nhất là sập lở, sụp lở, bó thành liên quan đến các lớp sét bị trương nở khi tiếp xúc với dung dịch khoan

Tóm lại, qua phân tích các lý luận và thực tiễn các vấn đề liên quan đến tính ổn định thành giếng khoan và những biện pháp cơ bản được đề xuất nhằm nâng cao độ bền thành giếng, ta có thể rút ra một số nhận xét

• Mối tương tác của sét thành hệ với dung dịch khoan là một trong những yếu tố nền tảng để lựa chọn hệ dung dịch phù hợp đảm bảo tối đa tính ổn định thân giếng khi khoan qua các hệ tầng chứa sét Hệ dung dịch có khả năng ức chế sét cao sẽ quyết định tính ổn định của thành giếng Đây chính là vấn đề then chốt trong công tác giúp ổn định thành giếng khoan

tính chất công nghệ phù hợp với từng điều kiện địa chất cụ thể của từng mỏ

Nghiên cứu lựa chọn hệ dung dịch để khoan qua tầng sét kém ổn định tại

mỏ bạch hổ

Cơ sở để lựa chọn hệ dung dịch khoan

Từ những kết quả nghiên cứu được trình bày ở chương 1, ta có thể tóm lược như sau:

ở mỏ Bạch Hổ khi khoan qua các thành hệ Miocene hạ, Oligocene thượng và Oligocene hạ tại độ sâu khoảng từ 2400m đến 4000m gặp nhiều sự cố nhất Nguyên nhân chính là tại các tầng nay có hàm lượng sét hoạt tính Montmorillonite lớn nhất, đây là nguyên nhân chính gây mất ổn định thành giếng khoan, gây ra nhiều phức tạp và sự cố trong khi khoan như: bó hẹp thành giếng, sập lở từng mảng sét với vô số các mảnh sét mùn khoan từ mịn đến thô dẫn đến

và độ ổn định của thành giếng

Qua các kết quả nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn, ta thấy rằng hệ dung dịch được lựa chọn muốn giải quyết

được các vấn đề trên thì phải dựa trên các cơ sở sau:

+ Căn cứ điều kiện địa chất, nhiệt độ, áp suất vỉa theo độ sâu tại mỏ Bạch Hổ và đặc điểm kỹ thuật thi công giếng khoan Ngoài ra, còn căn cứ vào những quy định chặt chẽ của luật môi trường và giá thành của hệ dung dịch mà đưa ra hệ dung dịch khoan thích hợp:

+ Căn cứ vào các cơ chế ức chế sét của các tác nhân ức chế và các ưu nhược điểm của các hệ dung dịch được áp dụng trong thực tế làm cơ sở lựa chọn hệ dung dịch thích hợp

Hệ dung dịch lựa chọn cần thỏa mn các yêu cầu cơ bản sau:

độ ổn định các thông số của dung dịch khoan

Vietsopetro

Ngoài các yêu cầu trên, hệ dung dịch cần có giá thành thấp và tận dụng được các nguyên vật liệu sẵn có ở địa phương

Nghiên cứu, lựa chọn hệ dung dịch khoan

Tổng quan về các hệ dung dịch khoan được sử dụng tại mỏ Bạch Hổ

Trong quá trình thi công các giếng khoan ở mỏ Bạch Hổ kể từ năm 1985 trở lại đây, XNLD Vietsopetro đ áp dụng nhiều hệ dung dịch khác nhau Các hệ dung dịch được áp dụng dựa trên cơ sở các chất phụ gia ức chế cũ như: