quy trình sản xuất xi măng

Perkins giới thiệu đầu trám xi măng hai nút ở California.. Halliburton giới thiệu kỹ thuật trám xi măng giếng dầu...  Tricalcium silicate C3S - 3CaO.SiO2: thành phần chí

Trang 1

MÔN HỌC

KHOAN VÀ HOÀN THIỆN GIẾNG

XI MĂNG

Trang 2

NỘI DUNG

 Sơ lược lịch sử trám xi măng giếng dầu

 Phân loại

 Vữa xi măng

 Tính chất của đá xi măng

Trang 3

Sơ lược lịch sử trám xi măng

 Sét là vật liệu xi măng đầu tiên

 Xi măng Portland do Joseph Aspdin phát minh năm 1824 là vật liệu nhân tạo được sản xuất bằng cách nung chảy đá vôi với đất sét

 Năm 1903 lần đầu tiên xi măng được sử dụng trong một giếng dầu để cách ly tầng nước

 Năm 1910, A Perkins giới thiệu đầu trám xi măng hai nút ở California

 Đến năm 1917 xi măng Portland vẫn là thành phần cơ bản để trám giếng dầu

 Năm 1920, P Halliburton giới thiệu kỹ thuật trám xi măng giếng dầu

 Từ năm 1940, đặc biệt từ năm 1983 đến nay đã có nhiều loại xi măng và phụ gia được sản xuất và sử dụng

 Trang thiết bị phòng thí nghiệm xi măng, công nghệ bơm trám xi

Trang 4

Thành phần hoá học

 Viện dầu khí Hoa Kỳ API dựa vào tính chất và đặc điểm kỹ thuật phân làm 8 loại A, B, C, D, E, F, G và H.

1. Thành phần hoá học

 Tricalcium Aluminate (C3A - 3CaO.Al2O3): thời gian đông cứng, phát triển độ bền của xi măng.

 Tricalcium silicate (C3S - 3CaO.SiO2): thành phần chính trong xi măng Portland.

 Dicalcium Silicate (C2S - 2CaO.Si2O2): tạo độ bền cuối cùng của xi măng.

 Tetracalcium Aluminoferrite (C4AF - 4CaO.Al2O3.Fe2O3): độ bền của xi măng

Trang 5

 Ngoài ra còn có những thành phần khác: thạch cao, kali sulfate, magiê, vôi… Những nguyên liệu này không ảnh hưởng đến quá trình xi măng đông cứng nhưng tác động đến quá trình thuỷ hoá của xi măng, thay đổi tỷ trọng vữa vá tính kháng các hoá chất có hại.

Thành phần xi măng (%) Loại xi măng C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Độ mịn (cm 3 /g)

A

B

C

D & E

G & H

53 47 58 26 50

24 32 12 54 30

≥ 8

≤ 5 8 2 5

8 12 8 12 12

1500 - 1900

2000 - 2800

1200 - 2800

1400 - 1700

Trang 6

 Khi cần những tính chất đặc biệt thì có thể thực hiện theo những khuyến cáo sau:

Phát triển độ bền

nhanh

Chậm đông

Nhiệt thuỷ hoá thấp

Tính kháng sulfate

Tăng hàm lượng C3S, nghiền mịn hơn.

Khống chế C3S, C3A, nghiền thô hơn.

Giới hạn C3S, C3A.

Giới hạn C2S.

Trang 7

Phân loại xi măng

 Chọn xi măng tuỳ thuộc vào:

 Nhiệt độ tĩnh và động ở đáy giếng ảnh hưởng đến thời gian đông cứng của vữa xi măng.

 Tỷ trọng vữa được quy định với các giới hạn về áp suất vỡ vỉa của thành hệ khoan qua.

 Độ nhớt dẻo của vữa và các tính thấm lọc.

 Thời gian đông cứng và phát triển độ bền chịu nén theo thời gian.

 Độ bền của xi măng trong các môi trường ăn mòn và nhiệt độ ở đáy giếng.

Trang 8

Phân loại xi măng

 Phân loại và điều kiện sử dụng xi măng theo API 10:

A 0 - 6000 ft: loại thường, giếng không đòi hỏi tiêu chuẩn đặc biệt

B 0 - 6000 ft: đòi hỏi xi măng có độ bền từ trung bình đến cao đối với sulfate

C 0 - 6000 ft: độ bền chịu nén ban đầu cao, độ bền với sulfate từ kém, trung bình đến cao

D 6000 -12000 ft: nhiệt độ và áp suất tương đối cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao

E 6000 - 14000 ft: giếng có nhiệt độ và áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao

F 10000 - 16000 ft: giếng có nhiệt độ và áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao

G 0 - 8000 ft: xi măng cơ bản, có thể sử dụng với các chất phụ gia đông nhanh hoặc đông chậm để trám trong các giếng có chiều sâu và nhiệt độ

khác nhau, có độ bền với sulfate từ trung bình đến cao

H 0 - 8000 ft: xi măng cơ bản, có thể được sử dụng trong cùng điều kiện như loại G, chỉ có độ bền trung bình với sulfate

Trang 9

Vữa xi măng

 Yêu cầu chung

 Trộn và bơm dễ dàng, có tính lưu

biến tối ưu cho việc thay thế dung

dịch khoan

 Bảo đảm tính chất đồng nhất trong

suốt quá trình bơm đẩy

 Bảo đảm được độ kín khi đông

cứng, không cho khí rò rỉ vào

khoảng không vành xuyến

 Tạo liên kết tốt giữa ống chống và

thành hệ

Trang 10

Vữa xi măng

 Các tính chất của vữa xi măng và điều kiện sử dụng

Loại

Lượng nước trộn (gal/bao)

Tỷ trọng vữa (lbm/gal)

Độ sâu (ft)

Nhiệt độ tĩnh ( o F)

A (Portland)

B (Portland)

C (Đông

nhanh)

D (Chậm đông)

E (Chậm đông)

F (Chậm đông)

G (Cơ bản)*

H (Cơ bản)*

5,2 5,2 6,3 4,3 4,3 4,3 5,0 4,3

15,6 15,6 14,8 16,4 16,4 16,2 15,8 16,4

0 - 6000

6000 - 12000

6000 -14000

10000 - 16000

0 - 8000

80 - 170

170 - 260

170 - 290

230 - 230

80 - 200

*: có thể điều chỉnh thời gian đông nhanh hoặc đông chậm tùy thuộc vào điều kiện của giếng

Trang 11

Vữa xi măng

 Tính chất của vữa

 Tỷ số nước/xi măng

− Lượng nước tối thiểu để trộn với xi măng nguyên chất cho độ sệt của vữa nhỏ hơn 30 Bc

− Tỷ số nước/xi măng tối đa là lượng nước thêm vào mà vẫn giữ ở trạng thái lơ lửng cho đến khi quá trình bơm trám xi măng hoàn tất

Loại Tỷ trọng vữa (lb/gal) Nước trộn (gal/bao) Chỉ số yield (cuft/bao) Nước trộn (%)

A

B

C

15,6 15,6 14,8

5,2 2,5 6,3

1,18 1,18 1,32

46 46 56

Tính chất của xi măng nguyên chất

Trang 12

Vữa xi măng

 Tỷ trọng

− Theo tiêu chuẩn API, tỷ trọng vữa xi măng bị giới hạn bởi tỷ số nước/xi măng

− Tỷ trọng thấp thường được sử dụng để tránh hiện tượng phá vỡ vỉa đối với thành hệ yếu.

− Tỷ trọng cao được sử dụng khi thành hệ có áp suất cao với lượng nước tối thiểu cho phép (17.5 - 18 lb/gal)

− Phụ thuộc vào độ mịn của xi măng sử dụng Với độ mịn trung bình thì diện tích bề mặt của xi măng loại A và C thay đổi từ 150 - 220 m2/kg.

Trang 13

Vữa xi măng

− Thành hệ có tính thấm cao dễ xảy ra hiện tượng mất nước, do đó làm giảm tỷ số nước/xi măng

− Khi đó nếu áp suất bơm lớn hơn áp suất vỡ vỉa đối với những thành hệ yếu thì rất dễ xảy ra hiện tượng mất tuần hoàn vì toàn bộ nước đi vào thành hệ này

− Mất nước mang một phần vật liệu xi măng vào trong tầng sản phẩm, kết quả là làm giảm độ thấm lọc của tầng sản phẩm

− Lượng nước mất không điều khiển được trong vữa xi măng nguyên chất trung bình khoảng 800 - 1000 ml/30 phút dưới áp suất 1000 psi Giá trị tối ưu là 100 - 200 ml/30 phút dưới áp suất

1000 psi

 Chất phụ gia được dùng chủ yếu hiện nay để chống mất dung

Trang 14

Vữa xi măng

 Tính lưu biến

− Đối với mỗi lưu chất thì các thông số về dòng chảy bị chi phối bởi chế độ dòng chảy và tính lưu biến của dòng chảy đó Khả năng vữa xi măng đi vào các khe nứt, đứt gãy phụ thuột lớn vào độ sệt của nó

− Sự thành công của quá trình bơm trám xi măng phụ thuộc nhiều vào việc đo và tính toán các thông số lưu biến của vữa xi măng để tối ưu tốc độ bơm đẩy và áp suất trong điều kiện thiết bị và giếng khoan hiện có mà vẫn không làm thay đổi tính chất của vữa xi măng theo thiết kế

− Được đo bằng nhớt kế tiêu chuẩn FANN 35 hoặc FANN 50 trong phòng thí nghiệm Việc sử dụng các chất phụ gia cũng làm thay đổi độ nhớt của vữa, ví dụ lignosulfonate có thể làm giảm độ nhớt, còn cellulose lại làm tăng độ nhớt của vữa

Trang 15

Vữa xi măng

 Thời gian đông quánh

− Là thời gian tính từ thời điểm bắt đầu bơm vữa ở điều kiện nhiệt độ và áp suất ban đầu đến khi vữa đạt đến độ sệt (khoảng 100 Bc) không còn bơm được nữa

− Xi măng thường hoặc xi măng có phụ gia đều có thể sử dụng ở những điều kiện nhiệt độ và áp suất giếng khác nhau

− Để thay đổi thời gian đông quánh có thể thêm vào chất phụ gia nhanh đông hay chậm đông tùy theo từng điều kiện cụ thể của giếng

− Hầu hết vữa trước khi bơm đều phải được thí nghiệm ở điều kiện tương tự điều kiện giếng khoan

− Thời gian đông quánh của vữa thường được thiết kế lớn hơn thời gian cần thiết để bơm trám hay thời gian hoàn tất công việc Thời

Trang 16

Tính chất của đá xi măng

 Độ bền nén

 Giá trị độ bền nén tối ưu của đá xi măng phải tương đương với độ bền của thành hệ được cách ly

 Đá xi măng phải phát triển độ bền nén đủ để:

− Bảo vệ ống chống trong giếng khoan

− Chịu được rung động, va chạm trong quá trình khoan và bắn mở vỉa

− Tránh hiện tượng gây nứt vỡ thành hệ khi áp suất thủy tĩnh cao

 Đá xi măng đông cứng trong giếng chịu tác động bởi lực nén ngang do áp suất thành hệ gây ra và ứng suất kéo do trọng lượng của cột ống chống

 Độ bền xi măng phải đủ lớn để tạo sự liên kết giữa ống chống và xi măng để bảo vệ cột ống chống

Trang 17

 Tính cách ly

 Độ thấm và độ bền của liên kết xi măng và ống chống là hai yếu

tố ảnh hưởng đến khả năng cách ly của đá xi măng

 Độ thấm của xi măng đông cứng thường rất thấp (khoảng 0.01 md) Khi bơm trám xi măng ở những thành hệ chứa khí có áp suất cao thì tính cách ly của xi măng đông cứng rất quan trọng (nhất là các khí gây ăn mòn)

 Độ thấm của xi măng thay đổi tuỳ theo tỷ lệ nước trộn trong vữa

xi măng Vữa có tỷ trọng thấp thường sử dụng bơm trám qua thành hệ có độ thấm cao

 Sự liên kết giữa ống chống và vành đá xi măng không bị ảnh hưởng bởi các phản ứng hoá học nhưng bị chi phối bởi các hiện tượng vật lý Do sự co ngót của xi măng trong suốt quá

Trang 18

 Sự suy giảm độ bền ở nhiệt độ cao

 Ở điều kiện nhiệt độ bình thường, xi măng đông cứng tiếp tục quá trình thuỷ hoá và phát triển độ bền cho đến một giá trị xác định

 Ở nhiệt độ lớn hơn 110oF xi măng sẽ đạt được độ bền tối đa trong vài tuần đầu, sau đó độ bền này bắt đầu giảm, quá trình này gọi là suy giảm độ bền của đá xi măng

 Trong một vài trường hợp, độ bền của đá xi măng tiếp tục giảm cho đến khi bị phá hủy hoàn toàn

Trang 19

 Nguyên nhân gây ra sự suy giảm độ bền ở nhiệt độ cao:

 Sự thay đổi cấu trúc của xi măng đã liên kết với nước trong quá trình thủy hoá và sự mất nước: một trong những thành phần của đá xi măng là calcium-silicate-hydrate khi ở nhiệt độ 250oF bị biến thành alpha-dicalcium- silicate-hydrate Điều này làm tăng độ rỗng, do vậy tăng mức độ nhiễm bẩn và giảm độ bền của đá xi măng

 Độ thấm của đá xi măng tăng lên dẫn đến sự gia tăng các lỗ rỗng tạo điều kiện dễ dàng cho quá trình ăn mòn xi măng, làm giảm độ bền của xi măng Để hạn chế sự suy giảm độ bền của đá xi măng, trong xi măng Portland đều sử dụng 30 - 40% silica mịn (silica oxit) Silica này ở nhiệt độ cao sẽ ngăn chặn sự hình thành alpha-dicalcium-silicate, đồng thời làm giảm độ thấm của

Trang 20

 Tính kháng sulfate

 Sulfate được xem là chất ăn mòn xi măng nhất Thông thường nước trong thành hệ chứa dầu thường chứa magnesium và sodium sulfate

Xi măng tiếp xúc với nước sulfate sẽ dần dần bị mềm đi và phân rã Thời gian tiếp xúc càng lâu và lượng nước sulfate được bổ sung sẽ gây tổn hại và làm xi măng mất dần tính liên kết.

 Magnesium (Mg) hay sodium sulfate (Na 2 SO 4 ) phản ứng với vôi trong xi măng tạo ra magnesium (Mg(OH)2) hay sodium hydroxit (NaOH) và calcium sulfate (CaSO4) Calcium sulfate phản ứng với C3A tạo thành calcium sulfoaluminate có thể tích lớn hơn lỗ rỗng của C3A làm cho lớp

xi măng giãn nở gây áp lực tách lớp xi măng bảo vệ ống chống.

 Để tăng tính kháng sulfate cho xi măng, người ta thường giảm lượng

C3A có trong xi măng hay giảm lượng vôi tự do trong xi măng đông cứng bằng cách thêm vào vật liệu pozzolan, chất này phản ứng với vôi tạo thêm một phần vật liệu xi măng Ngoài ra cũng có thể thêm vào xi măng lượng calcium sulfate tương ứng với C 3 A để tạo thành calcium sulfoaluminate trước khi vữa xi măng đông cứng Tuy nhiên không có phương pháp nào loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của sulfate mà chỉ hạn chế ở một mức độ nhất định.

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	1,06 MB