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

Vì vậy,việc phân tích và đánh giá hiệu quả công tác bơm trám xi măng các giếngkhoan đã thi công và tiến hành nghiên cứu thiết kế một hệ vữa xi măng trámgiếng khoan trong điều kiện nhiệt

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

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sốliệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bốtrong bất cứ một công trình nào khác ở trong và ngoài nước

Tác giả luận án

Trương Hoài Nam

MỤC LỤC

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

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

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

MD Chiều sâu đo (Measured Depth)

MPRO Mechanical Properties Analyzer (Máy phân tích tính chất cơ học) NĐ&ASC Nhiệt độ và áp suất cao

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)

YEK Đơn vị đo độ quánh quy ước

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

1 Bảng 1.1 Bảng phân cấp nhiệt độ và áp suất cao (theo Halliburton, Baker Hughes) 18

2 Bảng 1.2 Tỉ lệ gắn kết xi măng trong các giếng khoan bể Nam Côn Sơn 29

3 Bảng 1.3 Đặc tính kỹ thuật các loại xi măng bền nhiệt của Liên bang Nga sản xuất 32

4 Bảng 2.1 Các thành phần khoáng chính của xi măng 39

5 Bảng 2.2 Độ bền nén của đá xi măng theo hàm lượng silica 48

6 Bảng 2.3 Độ bền nén của hỗn hợp xi măng +35% SSA-1 49

7 Bảng 2.4 Độ thấm của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1 51

8 Bảng 2.5 Tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định độ bền nén 53

9 Bảng 3.1 Khối lượng riêng vữa xi măng trong các điều kiện áp suất và nhiệt độ 59

10 Bảng 3.2 Đơn pha chế vữa xi măng trám giếng khoan nhiệt độ và áp suất cao 62

11 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp thời gian quánh của vữa xi măng 63

12 Bảng 3.4 Bảng tổng hợp độ bền nén của vữa xi măng 70

13 Bảng 3.5 Độ rỗng và độ thấm của đá xi măng 82

15 Bảng 4.2 Các thông số công nghệ của vữa xi măng 94

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

2 Hình 1.2 Cột địa tầng tổng hợp bể Nam Côn Sơn 11

3 Hình 1.3 Bảng phân cấp nhiệt độ và áp suất cao (theo Halliburton, Baker Hughes) 13

4 Hình 1.4 Sơ đồ áp suất dị thường trong trầm tích Miocene giữa và dưới 14

5 Hình 1.5 Sơ đồ áp suất dị thường trong trầm tích Miocene trên 15

6 Hình 1.6 Biểu đồ phân bố áp suất các lô 04, 05 16

7 Hình 1.7 Biểu đồ phân bô áp suất nứt vỡ vỉa 16

8 Hình 1.8 Biểu đồ phân bố nhiệt độ áp suất lô 04, 05 18

9 Hình 1.9 Phân cấp nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn 19

10 Hình 1.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến thời gian ngưng kết 22

11 Hình 1.11 Tỷ lệ gắn kết xi măng theo nhiệt độ 28

12 Hình 1.12 Chất lượng gắn kết xi măng theo từng nhà thầu dịch vụ 28

13 Hình 2.1 Sơ đồ trám xi măng giếng khoan dầu khí 35

14 Hình 2.2 Các trạng thái pha của vữa xi măng trong giếng khoan 36

15 Hình 2.3 Giản đồ pha khoáng vật hệ CaO-SiO2-H2O 42

16 Hình 2.4 Độ bền nén của đá xi măng ở các nhiệt độ khác nhau 43

17 Hình 2.5 Độ bền thấm khí phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian đóng rắn 43

18 Hình 2.6 Sơ đồ tạo pha khoáng mới của xi măng trám 45

19 Hình 2.7 Độ bền nén phụ thuộc vào cỡ hạt ở nhiệt độ khác nhau 47

20 Hình 2.8 Độ thấm phụ thuộc vào cỡ hạt ở nhiệt độ khác nhau 47

21 Hình 2.9 Độ bền của đá xi măng phụ thuộc vào hàm lượng SSA-1 48

22 Hình 2.10 Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,905 g/cm3 50

23 Hình 2.11 Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04 g/cm3 50

24 Hình 2.12 Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,905 g/cm3 51

25 Hình 2.13 Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04 g/cm3 52

26 Hình 3.1 Biểu đồ grad pv, grad pnvbể Nam Côn Sơn 57

27 Hình 3.2 Khối lượng riêng vữa theo tỷ lệ Nước/ Xi măng 59

28 Hình 3.3 Máy đo độ quánh Fann 290 HPHT 62

30 Hình 3.4 Thời gian quánh của vữa XM ở 1250C, áp suất 67 MPa 63

31 Hình 3.5 Thời gian quánh của vữa XM ở 1350C và áp suất 66,59 MPa 64

32 Hình 3.6 Thời gian quánh của vữa XM ở 1400C và áp suất 75,80 MPa 64

33 Hình 3.7 Thời gian quánh của vữa XM ở 1770C và áp suất 93,1 MPa 65

34 Hình 3.8 Thời gian quánh của vữa XM ở 1500C và áp suất 88,88 MPa 65

35 Hình 3.9 Thời gian quánh của vữa XM ở 1550C và áp suất 84,68 MPa 66

36 Hình 3.10 Thời gian quánh của vữa XM ở 1770C và áp suất 103,4 MPa 66

37 Hình 3.11 Thiết bị xác định độ bền nén bằng siêu âm UCA 69

38 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị UCA 69

39 Hình 3.13 Độ bền nén của vữa XM ở 1700C và áp suất 20,67 MPa 70

40 Hình 3.14 Độ bền nén của đá XM ở 155oC và áp suất 20,67 MPa 71

41 Hình 3.15 Độ bền nén của đá XM ở 155oC và áp suất 20,67 MPa 71

42 Hình 3.16 Độ bền nén của đá XM ở 170oC và áp suất 20,67 MPa 72

43 Hình 3.17 Độ bền nén của đá XM ở 177oC và áp suất 93,10 MPa 72

44 Hình 3.18 Độ bền nén của đá XM ở 180oC và áp suất 20,67 MPa 73

45 Hình 3.19 Độ bền nén của đá XM ở 190oC và áp suất 103,4 MPa 73

46 Hình 3.20 Mẫu lõi xi măng theo đơn pha chế 1 75

47 Hình 3.21 Mẫu lõi xi măng theo đơn pha chế 2 75

48 Hình 3.22 Thiết bị đo các tính chất cơ học của đá xi măng MPRO 76

49 Hình 3.23 Đồ thị các thông số đàn hồi của của đá xi măng 78

50 Hình 3.24 Máy đo độ rỗng của đá xi măng 80

51 Hình 3.25 Máy đo độ thấm của đá xi măng 81

52 Hình 4.1 Cấu trúc giếng khoan lô 05 bể Nam Côn Sơn 85

54 Hình 4.3 Hệ xi măng bền nhiệt cho điều kiện bể Nam Côn Sơn 92

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 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

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 bểNam 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 Namsau 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 từnhững năm 1970 của thể kỷ trước Trải qua 40 năm, đến nay trên 150 giếngkhoan thăm dò, thẩm lượng và phát triển khai thác đã được thi công tại khuvực này

Bể Nam Côn Sơn có các điều kiện địa chất - kỹ thuật phức tạp, nướcsâu, 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 dịthường 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 vànhxuyến ngoài cột ống mà ngưng kết ngay trong cột ống khai thác Nghiêmtrọng 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 từ1.743m - 4.510m Ngoài ra, chất lượng gắn kết của vành đá xi măng với cộtống 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 thờigian 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, thườngdẫn đến sự cố nghiêm trọng,

Một trong những nguyên nhân làm giảm chất lượng trám xi măng làthiết kế đơn pha chế vữa xi măng trám chưa hợp lý, thiếu các phụ gia chuyêndụng, 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 giếngkhoan đã thi công và tiến hành nghiên cứu thiết kế một hệ vữa xi măng trámgiếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn, gópphần nâng cao hiệu quả và chất lượng công tác trám xi măng là một trongnhững công đoạn quyết định đến việc thi công các giếng khoan khai thác dầukhí, là nhiệm vụ cấp thiết, với ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn phục vụ chochiến 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 cácgiếng khoan thăm dò khai thác trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể NamCôn 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 ổnđịnh độ bền của xi măng, chất làm nặng và các phụ gia hoá chất để lập đơnpha chế và xác định các thông số công nghệ của vữa xi măng để trám xi măngcho 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 suấtvỉa 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 NamCôn 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 khốilượng 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; lậpcông thức (thành phần, hàm lượng) đơn pha chế vữa xi măng, xác định cácthông số công nghệ của vữa trám cho cột ống chống khai thác đường kính5½” 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 3bước:

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 đánhgia 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 bằngphương 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 NamCôn Sơn và phân tích, đánh giá hiệu quả trám xi măng giếng khoan bằng đođịa 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, phântích và chỉ rõ ảnh hưởng của điều kiện áp suất nhiệt độ cao đến công tác bơmtrám xi măng và hiệu quả xây dựng giếng khoan, làm cơ sở cho việc lựa chọnxác 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 vàMPRO, cho phép mô phỏng các điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao và theothời 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 chịunhiệt của hệ xi măng cho điều kiện trám các giếng khoan nhiệt độ cao bể NamCôn Sơn khi sử dụng phụ gia là silica nghiền

 Đề xuất công thức và thành phần đơn pha chế bơm trám và xác định cácthông số công nghệ của vữa dựa trên tổng kết kinh nghiệm thi công các giếngkhoan, các kết quả thí nghiệm, để trám xi măng cho các giếng khai thác vớicấp ống khai thác 5½” trong khoảng nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam CônSơn và áp dụng vào một số giếng khoan khác, cải thiện được chất lượng trámgiếng 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, đềxuất 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 phầnvào 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 hệtrong 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 yêucầu 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 vữaphải tương đối cao để điều hòa áp suất dị thường cao

 Tại bể Nam Côn Sơn, nhiệt độ tĩnh trong giếng đạt 149-1800

C và ápsuất vỉa đạt 72,35 MPa, khi sử dụng xi măng mác G làm xi măng nền, nhấtthiết phải bổ sung phụ gia bền nhiệt silica SSA-1 (silica nghiền) để duy trìthời gian quánh tối ưu, chống suy giảm độ bền, giảm độ thấm, cải thiệnmodun Young và hệ số Poisson tối ưu Phụ gia SSA-1 có tác dụng hóa họcvới xi măng ở nhiệt độ cao, có tính tương thích với các phụ gia chậm ngưngkết, 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 dịthường cao đồng thời nhiệt độ cao, yêu cầu áp suất thủy tĩnh của vữa xi măngtrám tương đối cao để cân bằng áp suất vỉa Để đạt khối lượng riêng vữa trongkhoảng từ 2,01g/cm3 đến 2,22g/cm3, chọn các phụ gia làm nặng Hi-Dense 4với hàm lượng 40% và phụ gia làm nặng MicroMax với hàm lượng 25% làhợp 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: 2X; 6P; 1P; 05-3-MT-3P; 05-2-HT-1P; 05-2-6P; 05-1c-DN-2X, 05-1c-DN-1X

05-3-MT Các kết quả thí nghiệm về vữa xi măng tại Phòng thí nghiệmHalliburton 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 phụlục, danh mục tài liệu tham khảo và các công trình khoa học Toàn bộ nộidung 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 53đầu 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 ĐìnhKiên và TS Nguyễn Hữu Chinh

Trong quá trình nghiên cứu và viết báo cáo, NCS thường xuyên nhậnđược 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 tạosau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất Sự sâu sát, cụ thể và góp những ýkiến quý báu về bố cục, hình thức và nội dung luận án đã tạo cơ sở quan trọngcho 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 cácchuyên 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 Tìmkiếm Thăm dò Dầu khí - Tập đoàn Dầu khí Việt Nam, Công ty Điều hành Dầukhí Biển Đông (Biển Đông POC), Công ty Thăm dò Khai thác Dầu khí trongnước (PVEP POC), Công ty Idemitsu Vietnam, các Ban và Phòng chức năngthuộc 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 đồngnghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên và cổ vũ cho tác giả trong quátrình triển khai thực hiện luận án tiến sĩ

Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành cảm ơn những ngườithân trong gia đình đã khích lệ, động viên và là nguồn động lực rất lớn để tácgiả yên tâm triển khai công tác nghiên cứu của mình Nếu không có sự quantâm, khích lệ và động viên của gia đình, chắc chắn tác giả không thể hoànthành 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 Ranhgiới phía bắc của bể là đới nâng Côn Sơn, phía Tây và Nam là đới nângKhorat - 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 rấtlớn, 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 trầmtích, địa tầng, trầm tích của bể Nam Côn Sơn có thể chia như sau (hình 1.2).

Thành t ạo 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 Juramuộn - 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 t ạo Kainozoi

- Hệ tầng Cau (E 3 c - 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 đếnhàng nghìn mét, gồm phần dưới: cát kết hạt mịn đến thô, sạn kết, cuội kết, cóchứa các mảnh vụn than; phần giữa chủ yếu là các thành phần hạt mịn các tậpsét 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 đoạnđầu tạo bể Hệ tầng Cau phủ không chỉnh hợp trên móng trước Đệ Tam vàđược định tuổi là Oligocen

- Hệ tầng Dừa (N 1

1

d - 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 sétkết 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 tậpcát kết của hệ tầng được coi là tầng chứa trung bình đến tốt với độ rỗng thayđổi từ 17÷23% và độ thấm từ vài chục mD đến vài trăm mD Trầm tích hệtầng Dừa được thành tạo trong điều kiện địa hình cổ gần như bằng phẳnghoặc có phân cắt không đáng kể Chiều dày của hệ tầng Dừa thay đổi từ200÷800m, cá biệt có nơi dày tới 1.000m

- Hệ tầng Thông – Mãng Cầu (N 1

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 giữacác 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 rìaBắc và phía Tây - Tây

Nam của bể Trầm tích của hệ Thông - Mãng Cầu mới bị biến đổi thứ sinhnên 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 đượcthành tạo trong môi trường đồng bằng châu thổ chủ yếu ở phía Tây Chiềudày trầm tích thay đổi từ vài mét đến vài trăm mét và nằm chỉnh hợp trên hệtầng Dừa

- Hệ tầng Nam Côn Sơn (N 1

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 - TâyNam trầm tích chủ yếu là lục nguyên, gồm sét kết, sét vôi Cát kết có độ lựachọn và mài tròn tốt Ở vùng Trung tâm bể, mặt cắt gồm có các trầm tích lụcnguyên và carbonat xen kẽ Hệ tầng Nam Côn Sơn có bề dày 200÷600m vànằm bất chỉnh hợp trên hệ tầng Thông - Mãng Cầu

- Hệ tầng Biển Đông (N 2 - Qbd) - Pliocen - Đệ Tứ, không chỉ phân bố

trong bể Nam Côn Sơn mà trong toàn khu vực Biển Đông liên quan đến biểntiến Pliocen Trầm tích Pliocen gồm cát kết lẫn sét kết nhiều vôi chứa nhiềugluconit Trầm tích Đệ Tứ gồm cát gắn kết yếu, xen kẽ với sét và bùn chứanhiều di tích sinh vật biển Hệ tầng Biển Đông thay đổi rất lớn từ vài trăm métđến vài nghìn mét, nằm bất chỉnh hợp trên hệ tầng Nam Côn Sơn

Các tích t ụ hydrocacbon

Ở bể Nam Côn Sơn, dầu khí được phát hiện đầu tiên tại giếng khoanDừa-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 pháttriển để đưa vào khai thác mỏ khí Rồng Đôi - Rồng Đôi Tây, Hải Thạch, MộcTinh…Dầu và khí được phát hiện trong tất cả các đối tượng: Móng nứt nẻtrước 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 quantrọng 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 thủytĩnh

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 thuộcvào dòng nhiệt và độ dẫn nhiệt của đất đá

Trong giếng khoan khai thác dầu khí, nhiệt độ vỉa phân ra: Nhiệt độtĩnh 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 hoàntrong thời gian 2-4 ngày đêm Nhiệt độ động là nhiệt độ đo được trong quátrình dung dịch tuần hoàn tại một chiều sâu nhất định trong giếng Nhiệt độđộng trên đáy thường thấp hơn nhiệt độ tĩnh

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

tử trong hộp chân không

Trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, điều đặc biệt quan trọng làlựa chọn các vật liệu và phụ gia hoá chất phù hợp cho dung dịch và vữa ximăng 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 pháthiện trong khu vực trầm tích có bề dày thay đổi từ Tây sang Đông, chủ yếu ởphía phụ đới Trung Tâm trong đới trũng phía Đông với bề dày trầm tíchKainozoi từ 5.000 đến 14.000 m

Đến nay đã có trên trên 150 giếng thăm dò, thẩm lượng và phát triểnkhai 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 giếng04-3A-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 NamCôn 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 tới4.000 m ở trũng hẹp sâu kề đứt gãy Sông Hậu Qua đó cho thấy nhiệt độ caochỉ bắt gặp ở khu vực Đông Bắc bể vì trầm tích ở đây lớn và bị chôn vùi sâuhơn nên sẽ chịu nhiệt độ cao hơn còn ở phía Tây Nam bắt gặp ít vì trầm tích ởđây không lớn Điều này có thể giải thích cho hiện tượng dị thường áp suấtcao bắt gặp trong lô 04 và 05 bể Nam Côn Sơn nơi các tập sét dầy Pliocenedầy đến hàng nghìn mét (>2.000 m) (hình 1.4, hình 1.5) và giá trị gradiennhiệt độ đo được rất cao (hình 1.8) Quá trình sinh thành hydrocarbua cũnggây nên sự mất cân bằng và cũng có thể là nguyên nhân gây nên dị thường ápsuất tại khu vực này, cụ thể nếu đá mẹ nằm ở bên dưới các tập trầm tích kếtrắn không cân bằng đủ khả năng sinh hydrocarbua sẽ tạo ra áp suất cao vàtheo 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 giữagradient 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 nhấtđịnh, sự sinh thành dầu khí từ đá mẹ giàu Kerogen, chuyển động nén épngang, 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 vẽphân bố theo chiều sâu trên cùng một đồ thị (hình 1.8) Từ kết quả tính toáncho thấy rằng, tại các tầng trầm tích trẻ như Pliocene và Miocene trên, giá trịgradien nhiệt độ chỉ ở mức thấp và trung bình, tương ứng là 2,190C/100m và3,730C/100m Tuy nhiên, bắt đầu từ tầng Miocene giữa trở xuống, nhiệt độvỉa bắt đầu tăng mạnh với gradien là 4,270C/100 m và giá trị này còn cao hơntại 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 đótập trung trong địa tầng có tuổi Miocen giữa và Miocen sớm Tại một sốgiếng khoan, nhiệt độ lên tới trên 1500C ngay tại tầng Miocene giữa nhưgiếng 04-2-SB-1X (1630C tại chiều sâu 3.983m); giếng 04-2-HT-1X (1650Ctại chiều sâu 3.748m) Trong các giếng 04-2-SB-IX, 04-2-NB-1X tại chiềusâu 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 vừanhiệt độ cao Tại giếng 05-2-HT-2X, ở chiều sâu 3.740 m nhiệt độ trên đáygiếng là 1720C và áp suất vỉa 74MPa; tại giếng 05-1c-DN-2X-ST2, ở chiềusâu 4.245 m gặp nhiệt độ 1850C, áp suất trên đáy là 98,7 MPa, hoặc tại giếng04-2-HT-1X ở chiều sâu 4.548 m nhiệt độ trên đáy là 2100C và áp suất vỉa91MPa

Trên cơ sở tổng hợp và nghiên cứu sự phân bố nhiệt độ và áp suất bểNam 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 ápsuất 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: độchảy tỏa, khối lượng riêng, chỉ số thải nước, ứng suất trượt động, độ nhớt cấutrúc, độ ổn định lắng đọng, thời gian quánh, thời gian ngưng kết và một số chỉtiêu khác Các tính chất của đá xi măng gồm có độ bền nén, độ thấm, sự biếnđổi 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 sungchất 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 vữaphụ thuộc vào khối lượng riêng của các vật liệu khô, phụ gia và chất lỏng phatrộn cũng như tỉ lệ N/XM Đối với xi măng tiêu chuẩn, với tỉ lệ N/XM = 0,5thì 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 ápsuất 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 suấtthủy tĩnh, áp suất vỉa, khối lượng riêng của vữa và áp suất nứt vỉa thủy lựcnhư trong phương trình:

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 racác 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] Hậuquả 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 thànhgiếng [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 tạocấu 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 phachế Yêu cầu là vữa không được quánh và đóng rắn trước thời hạn thực hiệnquá trình công nghệ bơm ép Ngược lại sẽ xảy ra sự cố xi măng đóng rắn khivẫn còn trong cột ống

Khi nhiệt độ và áp suất trong giếng cao sẽ làm tăng vận tốc thủy hóa ximăng và đẩy nhanh sự ngưng kết vữa xi măng, vì vậy cần phải sử dụng phụgia 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 quátrình tạo cấu trúc chủ yếu là các quá trình hóa học, liên tục thay đổi thànhphần và nồng độ các chất

Nghiên cứu sự biến đổi tính chất lưu biến của vữa xi măng cho phép xácđịnh gần đúng tổn thất thủy lực khi vữa xi măng chuyển động trong khônggian vành xuyến cột ống chống, xác định chế độ để cho dòng chảy của vữatrong không gian vành xuyến là chế độ chảy rối Nhiệt độ đóng vai trò quantrọng trong sự phát triển các quá trình hóa-lý trong vữa xi măng, có ảnhhưởng 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 racấu trúc gel và tinh thể và 2) giảm độ nhớt của pha nước cũng như lực tươngtác 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 phảixác 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 độnhớt….

Nhiều công trình nghiên cứu [27,47,52] cho thấy: Nhiệt độ và áp suấttrên 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 biếncủa vữa và tăng độ thải nước của vữa xi măng Nhiệt độ và áp suất cao đẩynhanh 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 làmbiến 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 kếtcủa vữa xi măng (hình 1.10) Áp suất cũng có tác dụng đến quá trình ngưngkết, nhưng hiệu quả tác động thấp Tăng nhiệt độ và áp suất đồng thời sẽ rútngắn 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 raxâm 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 kếtkhông 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 caotương ứng với tiêu chuẩn API, sử dụng máy đo độ nhớt áp suất cao nhiệt độcao 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 lưubiến 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 pháttriển

Vì vậy, việc xác định ứng suất trượt tĩnh trong cả giai đoạn từ trạng tháilỏng qua trạng thái rắn có ý nghĩa quan trọng để tính ứng suất trượt trên thànhgiếng 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

SGS = P

L

d D

4

) ( 

(1.2)

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 nhiềuvào tỉ lệ N/XM: nó tỉ lệ nghịch với bình phương tỉ bề mặt của xi măng (độmịn), số lượng chất phụ gia và độ nhớt của pha lỏng của vữa xi măng Do độthấm lọc cao vữa xi măng sẽ càng nhớt hơn, khó bơm hơn, thời gian ngưngkết 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 làmthay đổi tính chất của vữa, mà còn gây hiện tượng nhiễm bẩn vỉa có hại đếntính chất thấm chứa và công tác gọi dòng

Độ thải nước của vữa xi măng - một trong những tính chất quan trọngcủa vữa xi măng - độ ổn định lắng đọng, đặc trưng cho tính lắng nước Kếtquả của tính không ổn định là sự tách lớp, tạo thành vùng nước và vữa, tínhkhông 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 nướccủa vữa xi măng tăng lên Nhiệt độ ảnh hưởng đến vận tốc độ thải nước, thayđổi độ nhớt của nước và tốc độ thủy hóa Vì vậy, tốc độ của độ thải nước cầnphải tăng lên theo mức độ gia tăng của nhiệt độ, so với độ thải nước giảm dotăng tốc độ thủy hóa xi măng Tăng nhiệt độ từ 20 đến 2500C tốc độ của độthải 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 thểtích ngoài của xi măng đóng rắn [15, 21, 41]

Đối với xi măng trám giếng khoan khi vữa còn ở trạng lỏng, nó có hìnhdạng và kích thước của khoảng không vành xuyến giếng Vì vậy, để gia cốvững chắc các cột ống chống và bịt kín vành xuyến giếng khoan, yêu cầutrước 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 khíxâm nhập vào không gian vành xuyến

Trong công nghiệp dầu khí hiện nay thường sử dụng chỉ tiêu “co ngóthóa học” [16, 21, 26, 30, 33, 40] để mô tả quá trình hydrat hóa xi măng làmgiảm thể tích tuyệt đối của matrix xi măng Độ co ngót hóa học chủ yếu baogồm 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 phahydrat 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 - dưới1% 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 trongcủa cấu trúc đá xi măng Thể hiện bên ngoài của hiệu ứng co rút là sự pháttriển 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 khíxâm 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 sựliên 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 bãohoà nước thì co ngót trong sẽ không đáng lo ngại Trong khi đó, co ngót ngoàicần 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 thànhgiếng 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 hưởngđến 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 đểđánh giá định lượng độ bền xi măng Độ bền của xi măng có ý nghĩa rất lớnđảm bảo khả năng gia cố và độ kín khoảng không vành xuyến Xi măng có độbền nén 3,45 MPa coi như là thỏa mãn cho việc thi công cũng chịu ảnh hưởngcủa nhiệt độ và áp suất [39, 48, 49, 52]

Độ cứng của đá xi măng thay đổi trong quá trình đông cứng và chịuảnh hưởng lớn của bản chất xi măng và chất độn, tỉ số XM/N, điều kiện vàthời gian đông cứng.

Độ bền cơ học của đá xi măng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu làthành phần hóa - khoáng, tỉ lệ N/XM, tỉ bề mặt của xi măng, có các phụ gia vàhóa 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 ximăng được tạo thành trong giếng

Các tính ch ất đàn hồi

Đá xi măng bị biến dạng như là vật thể đàn hồi - dòn: sự phá hủy chúngđược đặc trưng vào thời điểm khi ứng suất đạt đến giới hạn đàn hồi; sự biếndạng theo định luật Hooke Gia tăng nhiệt độ và áp suất mọi phương có thểlàm cho xi măng biến dạng giống như vật thể đàn hồi-dẻo Hệ xi măng dẻo cótrị số modun Young thấp và hệ số Poisson cao - thường chịu tải trọng tĩnh vàchu kỳ tốt hơn so với hệ xi măng giòn có trị số modun Young cao và hệ sốPoisson thấp [25,29,42]

Modun đàn hồi của đá xi măng tăng lên theo chiều sâu thế nằm củachúng 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 măngkhi đóng rắn Điều đó có thể đạt được nhờ sử dụng hỗn hợp trám, có thể nởtrong quá trình tạo cấu trúc Vì vậy, trị số nở cần phải lớn hơn so với sự giảmthể tích của hệ do co ngót, đồng thời không được vượt quá lực tới hạn ép nénhoặc 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 caotại bể Nam Côn Sơn, đã xảy ra một số sự cố liên quan đến chất lượng vữatrám [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 75/8” đến chiều sâu 4.783 m tiến hành bơm ép vữa xi măng với khối lượngriêng vữa là 2,34 g/cm3 Và sự cố đã xảy ra, vữa xi măng không ép đẩy đượcvào vành xuyến ngoài cột ống chống Hậu quả là hơn 3.000 m vữa xi măngcòn nằm lại trong cột ống chống 7 5/8” Đã tiến hành các biện pháp khắc phụcnhư khoan phá xi măng trong cột ống chống, bơm nhét xi măng ngoài cột ốngtại một số đoạn để cách ly vùng chân đế ống chống 95/8”. Mặc dù đã sử dụngtất 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 độsâu 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 kếtsớm, dẫn đến mất tuần hoàn, xi măng không ép được ra ngoài không gianvành xuyến và đông ngưng kết trong cột ống chống 133/8” tại chiều sâu từ2.097m 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 tốtthường 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 kếtmột 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 khoantheo 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 đođịa vật lý CBL/VDL cho từng giếng khoan [7]

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

Khoảng chiều dày chất lượng

vành đá xi măng, 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) -

-Chất lượng trám xi măng giếng khoan kém hiệu quả có thể là nguyênnhân làm cho sự đánh giá không đúng triển vọng thăm dò khu vực, gây hiệntượng liên thông các tầng sản phẩm, sự xâm nhập dầu khí, v.v Sự xâm nhậpdầu 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 cơhọc trong lòng ống gây ra sự phá hủy mối liên kết giữa xi măng - ống chốnghoặc do tác động của bơm ép thử độ kín của ống chống, bắn đạn đục lỗ khigọi 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 trámgiếng khoan là do lựa chọn vật liệu, các phụ gia để pha chế vữa xi măngkhông 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, chiếmkhoảng 1,6% trong tổng số giếng trên Đã gặp những giếng khoan nhiệt độtrên đáy lên đến 2600C tại mỏ dầu Arthit, trên vịnh Thái Lan [22]

Sau sự cố cháy nổ trên giàn khoan Deepwater Horizon xảy ra ngày 20tháng 4 năm 2010 tại mỏ Marcondo trên vịnh Mexico [14], đã để lại hậu quảcực kỳ nghiêm trọng cho ngành dầu khí, du lịch của Hoa Kỳ Một trongnhững nguyên nhân gây ra sự cố là do chất lượng vành đá xi măng cách lykhông tốt gây hậu quả khí và condensat phun trào, tràn lên giàn khoan gâycháy nổ

Hiện nay trong ngành công nghiệp dầu khí chưa có loại xi măng đượctiêu chuẩn hóa để trám các giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao Theo dựbáo [14] đến năm 2016 sẽ khoan khoảng 238 giếng khoan sâu trong điều kiệnnhiệt 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 tácnghiên cứu hoàn thiện công tác trám xi măng trong điều kiện nhiệt độ và ápsuất cao

Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học Liên bang Nga nhưA.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 trongcác điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao [48,49,52]