Dung dịch khoan - Ximăng - Chương 7: Chọn vữa ximăng trong công nghiệp dầu khí

Nội dung text: Dung dịch khoan - Ximăng - Chương 7: Chọn vữa ximăng trong công nghiệp dầu khí

1. NỘI DUNG GEOPET CHƯƠNG 7 CHỌN VỮA XIMĂNG I. LỊCH SỬ TRÁM XIMĂNG GIẾNG DẦU TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ II. PHÂN LOẠI XIMĂNG III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT 7-2 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết I. LỊCH SỬ TRÁM XIMĂNG GIẾNG DẦU GEOPET I. LỊCH SỬ TRÁM XIMĂNG GIẾNG DẦU GEOPET Sét là vật liệu ximăng đầu tiên được sử dụng trong xây dựng công trình. Quá Năm 1910, A. Perkins giới thiệu đầu trám ximăng hai nút ở California. Các trình hydrat hóa và bay hơi của nước gắn kết các vật liệu khác lại với nhau. nút trám được đúc bằng gang và được đẩy xuống đáy giếng nhờ áp suất hơi nước. Ximăng Portland (xuất phát từ tên các mẫu đálấy từ hòn đảo Portland của nước Anh vì khi ximăng đông cứng nó rất giống với các loại đánày) do Đến năm 1917 ximăng Portland vẫn là thành phần cơ bản để trám giếng dầu. Joseph Aspdin phát minh năm 1824 là vật liệu nhân tạo được sản xuất bằng cách nung đávôi với đất sét. Năm 1920, P. Halliburton giới thiệu kỹ thuật trám ximăng giếng dầu. Năm 1903, lần đầu tiên ximăng được sử dụng trong một giếng dầu để cách ly Để khắc phục những vấn đề gặp phải khi sử dụng ximăng Portland trong tầng nước. giếng sâu (thời gian đông cứng ngắn và lực nén phát triển chậm ), người ta đã thay đổi cấu trúc và những đặc tính kỹ thuật của ximăng này. Từ năm 1940, đặc biệt từ năm 1983 đến nay đã có nhiều loại ximăng và phụ gia được sản xuất và sử dụng. 7-3 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-4 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1
2. I. LỊCH SỬ TRÁM XIMĂNG GIẾNG DẦU GEOPET I. LỊCH SỬ TRÁM XIMĂNG GIẾNG DẦU GEOPET Trang thiết bị phòng thí nghiệm ximăng cũng như thiết bị công nghệ bơm trám ximăng ngày càng được hoàn thiện đã cho phép kiểm soát tốt chất lượng vữa cũng như qui trình trám ximăng tại hiện trường. Ngày nay, việc trám ximăng giếng dầu không còn là công việc của đội khoan mà thường do các công ty dịch vụ kỹ thuật chuyên ngành đảm trách. Hình 7.1. Trám ximăng giếng khoan thập niên 1920 7-5 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-6 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết II. PHÂN LOẠI XIMĂNG GEOPET II. PHÂN LOẠI XIMĂNG GEOPET Ximăng trong công nghiệp dầu khí hiện nay được phân loại chủ yếu dựa trên 3. Dicalcium Silicate (C2S - 2CaO.SiO2): đóng vai trò quan trọng trong việc tạo độ bền cuối cùng của ximăng và không ảnh hưởng lớn đến thời gian đông tiêu chuẩn của Viện dầu khí Hoa Kỳ (API). Dựa trên các tính chất và đặc cứng ban đầu của ximăng vì chậm kết hợp với nước. điểm kỹ thuật, ximăng được chia thành 8 loại A, B, C, D, E, F, G và H. 4. Tetracalcium Aluminoferrite (C4AF - 4CaO.Al2O3.Fe2O3): ảnh hưởng đến độ bền của ximăng. a. Thành phần hoá học Ximăng thường có 4 thành phần chính sau đây: Bảng 7.1. Thành phần hóa học của các loại ximăng theo tiêu chuẩn API 1. Tricalcium Aluminate (C3A - 3CaO.Al2O3): ảnh hưởng lớn đến thời gian đông Loại Thành phần ximăng (%) Độ mịn (cm2/g) cứng, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển độ bền của ximăng. Thời ximăng C3S C2S C3A C4AF gian đông cứng của ximăng có thể điều chỉnh bằng cách thêm thạch cao. A 53 24 ≥ 8 8 1.500 – 1.900 B 47 32 ≤ 5 12 1500 – 1900 2. Tricalcium silicate (C S - 3CaO.SiO ): thành phần chính trong ximăng 3 2 C 58 12 8 8 2.000 – 2.800 Portland, chiếm 40 - 45% trong ximăng chậm đông và 60 - 65% trong ximăng D, E & F 26 54 2 12 1.200 – 2.800 đông nhanh. C3S quyết định đến các giai đoạn phát triển độ bền của ximăng. G & H 50 30 5 12 1.400 – 1.700 7-7 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-8 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2
3. II. PHÂN LOẠI XIMĂNG GEOPET II. PHÂN LOẠI XIMĂNG GEOPET Ngoài ra, trong ximăng còn có các thành phần khác như thạch cao, kali b. Phân loại ximăng theo tiêu chuẩn API sulfate, magiê, vôi Những thành phần này tác động đến quá trình thuỷ Theo quy phạm API, có nhiều chủng loại ximăng được sử dụng tuỳ thuộc hoá của ximăng, thay đổi tỷ trọng vữa và có tính kháng các hoá chất có hại. chiều sâu, nhiệt độ đáy giếng và tính chất của chất lưu vỉa. Việc chọn loại ximăng tùy thuộc vào: Ngoài ra, khi cần những tính chất đặc biệt của ximăng, có thể thực hiện − Nhiệt độ tĩnh và động (lúc tuần hoàn vữa ximăng) ở đáy giếng: ảnh hưởng đến theo khuyến cáo trong bảng dưới đây. thời gian đông cứng của vữa ximăng. Bảng 7.2. Các tính chất đặc biệt của ximăng − Tỷ trọng vữa: được quy định với các giới hạn về áp suất vỡ vỉa của thành hệ khoan qua. Tính chất Cách thực hiện −Độnhớt dẻo của vữa và các tính thấm lọc của chúng. Phát triển độ bền nhanh Tăng hàm lượng C3S, nghiền mịn hơn − Thời gian đông cứng và phát triển độ bền nén theo thời gian. Chậm đông Khống chế C S, C A, nghiền thô hơn 3 3 −Độbền của ximăng trong các môi trường ăn mòn và nhiệt độ ở đáy giếng. Nhiệt thủy hoá thấp Giới hạn C3S, C3A. Tính kháng sulfate Giới hạn C S 2 Theo API 10, ximăng sử dụng trong dầu khí được phân loại trong bảng 7.3. 7-9 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-10 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết II. PHÂN LOẠI XIMĂNG GEOPET III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET Bảng 7.3. Phân loại và điều kiện sử dụng ximăng theo API Nếu vữa ximăng chỉ bao gồm ximăng và nước thì không thể đáp ứng được Độ sâu, đầy đủ các yêu cầu phức tạp của thực tế. Người ta phải bổ sung các chất Loại Điều kiện sử dụng 1000 ft phụ gia để điều chỉnh tính chất của ximăng. A 0 - 6 loại thường, giếng không đòi hỏi tiêu chuẩn đặc biệt B 0 - 6 đòi hỏi ximăng có độ bền từ trung bình đến cao với sulfate Hiện nay, có hơn 100 chất phụ gia cho ximăng và chia thành các loại sau: độ bền nén ban đầu cao, độ bền với sulfate từ kém, trung bình C 0 - 6 1. Chất nhanh đông đến cao 2. Chất chậm đông nhiệt độ và áp suất tương đối cao, độ bền với sulfate từ trung D 6 - 12 bình đến cao 3. Chất làm nhẹ E 6 - 14 nhiệt độ và áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao 4. Chất làm nặng 5. Chất phân tán F 10 - 16 nhiệt độ và áp suất cao, độ bền với sulfate từ trung bình đến cao 6. Chất giảm độ thoát nước G cơ bản, có thể sử dụng với phụ gia đông nhanh hoặc đông chậm 7. Chất chống mất vữa 0 - 8 trong các giếng có chiều sâu và nhiệt độ khác nhau, có độ bền H với sulfate từ trung bình đến cao (H bền sulfat trung bình) 8. Các phụ gia đặc biệt 7-11 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-12 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3
4. III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET 3.1. Chất nhanh đông 3.2. Chất chậm đông Các chất làm giảm thời gian đông cứng của vữa ximăng, tăng tốc độ phát Các chất làm tăng thời gian đông cứng của vữa ximăng. triển độ bền nén. Các chất này thường được dùng để bù trừ sự chậm đông do một số phụ gia khác, ví dụ chất phân tán và chất chống mất vữa. Nguyên lý gây chậm đông của các phụ gia vẫn chưa được thống nhất. Hiện nay, có 4 lý thuyết về sự chậm đông: Các muối clorua là chất nhanh đông phổ biến. CaCl2 là chất hiệu quả và rẻ − Lý thuyết hấp phụ: chậm đông gây ra do sự hút bám của phụ gia trên bề mặt tiền nhất. Nồng độ CaCl2 sử dụng thường khoảng 2-4% khối lượng ximăng. sản phẩm thủy hóa, từ đó ngăn cản tiếp xúc với nước. − Lý thuyết kết tủa: chất chậm đông tác dụng với ion canxi và ion hydroxit trong pha lỏng, tạo lớp chất kết tủa không thấm xung quanh các hạt ximăng. NaCl2, tùy thuộc nồng độ và nhiệt độ, cũng là chất nhanh đông, nhưng không − Lý thuyết hạt nhân: chất chậm đông bám quanh nhân của sản phẩm thủy phải là chất hiệu quả cao. Do đó, NaCl2 chỉ nên dùng khi không có CaCl2. hóa, can thiệp và làm chậm các phản ứng tiếp theo. − Lý thuyết phức hợp: ion canxi bị cô lập bởi phụ gia, ngăn cản sự hình thành Ngoài ra, còn một số chất nhanh đông khác như: sôđa, thủy tinh lỏng, xút, phân tử. 7-13 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-14 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET Các chất chậm đông tiêu biểu bao gồm: 3.3. Chất làm nhẹ –Các muối natri và canxi của acid lignosulfonic: hiệu quả với tất cả các loại Các chất làm giảm tỉ trọng của vữa ximăng và tỉ trọng của đá ximăng sau khi ximăng Portland, nồng độ thường được sử dụng là 0,1 – 1,5% khối lượng đông cứng. ximăng. Khoảng nhiệt độ hoạt động hiệu quả tới 122oC và có thể đạt tới 315oC khi trộn chung với borat natri Na2B4O7. Vữa ximăng, tùy theo tỉ trọng, được chia thành các nhóm sau: –Thạch cao CaSO4: dùng cho ximăng chứa nhiều C3A. Có thể thay thế thạch cao bằng H2SO4 để kết hợp với lượng Ca(OH)2 dư, tạo thạch cao. – CMC: dùng với nồng độ muối của vữa bất kỳ. Tỉ lệ dùng thường khoảng 0,5 – Bảng 7.4. Phân loại ximăng theo tỉ trọng 1,5% khối lượng ximăng, có thể hoạt động ở nhiệt độ tới 100oC. Loại vữa Tỉ trọng –Bã rượu sunfit: là chất chậm đông hiệu quả nhưng tạo bọt, cần kết hợp với chất Nhẹ 2,2 7-15 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-16 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 4
5. III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET Các chất làm nhẹ thường dùng là: 3.4. Chất làm nặng –Sét vàbột sét: khi thêm sét sẽ tạo thành gel ximăng. Không sử dụng được khi Một trong những phương pháp đơn giản tăng tỉ trọng của vữa ximăng là giảm nhiệt độ hơn 80oC và độ khoáng hóa cao. lượng nước pha trộn. Khi đó, cần bổ sung phụ gia phân tán để đảm bảo khả – Diatomit: chứa tinh thể SiO , tăng độ bền của đá ximăng trong môi trường axit 2 năng bơm, đồng thời phải duy trì độ thoát nước, tính lưu biến và chống lắng và sulfat. đọng chất rắn. Tỉ trọng tối đa có thể đạt được là 2,16. –Các chất nguồn gốc núi lửa: chứa nhiều Al2O3. –Các đá cacbonat: đávôi và đáphấn nghiền nhỏ, có thể dùng cho giếng khoan có nhiệt độ nhỏ hơn 120oC. Khi cần vữa có tỉ trọng cao hơn, phải bổ sung chất làm nặng. Chất làm nặng –Các chất nguồn gốc hữu cơ: than đá, grafit, các carbon hydro cứng như asfan, phải đảm bảo: cỡ hạt tương đương với ximăng, ít phản ứng với nước, tương bitum, Ở nhiệt độ cao sẽ tăng độ thấm và giảm độ bền của đá ximăng. thích với các phụ gia khác. –Một số chất khác: tro khi nung than đá, than bùn, bụi nhà máy ximăng khi sấy và nung clinke Các chất làm nặng phổ biến theo thứ tự hiệu quả là: hematite (Fe2O3, γ = 4,95), ilmenite (FeTiO3, γ = 4,45) và barit (BaSO4, γ = 4,33). 7-17 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-18 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET 3.5. Chất phân tán 3.6. Chất giảm độ thoát nước Thành phần rắn trong vữa ximăng có thể đạt tới 70%. Tính lưu biến của vữa do đóphụ thuộc tính lưu biến của thành phần lỏng, tỉ lệ hạt rắn và tương tác Khi ximăng được bơm vào vị trí, chênh lệch áp qua lại giữa các hạt rắn. suất có thể gây ra hiện tượng thấm lọc và nước Các chất phân tán điều chỉnh các tương tác qua lại của các hạt rắn để đạt thoát vào vỉa. Sự thay đổi lượng nước trộn trong được tính lưu biến mong muốn. vữa ảnh hưởng rất lớn đến quá trình thủy hóa Chất phân tán sử dụng phố biến nhất là các muối sulfonate hữu cơ. Cấu tạo ximăng và các tính chất của vữa như thời gian phân tử của các chất này bao gồm 5 – 50 nhóm sulfonate gắn vào gốc đông cứng, tính lưu biến, độ bền nén. polyme đa nhánh. Nồng độ hiệu quả trong khoảng 0,5 – 1,5% khối lượng ximăng. 7-19 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-20Ngoàira khi bơmtrámximăngDung n ếdịchux khoan ả& ximyrahiăng – Đỗ Hữuệ Minhn Triết 5
6. III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET Nếu quá trình thoát nước của ximăng không được kiểm soát, những hậu quả 3.7. Chất chống mất tuần hoàn nặng nề sẽ xảy ra, có thể dẫn tới trám ximăng thất bại. Mất tuần hoàn thường xảy ra ở các thành hệ yếu, nứt nẻ. Kinh nghiệm và thông tin về vỉa trong quá trình khoan sẽ giúp ích rất nhiều cho công tác bơm Độ thoát nước của ximăng theo tiêu chuẩn API phải nhỏ hơn 50 ml/30 phút. trám ximăng sau này. Các chất phụ gia giảm độ thoát nước bao gồm 2 nhóm: Chống mất tuần hoàn có thể thực hiện bằng các vật liệu tạo cầu nối hoặc − Nhóm vật liệu lơ lửng: bentonit, bột carbonate, asphaltene, bằng vữa ximăng thixotropic, là một loại ximăng đặc biệt. − Nhóm vật liệu polyme hòa tan trong nước: đồng thời tăng độ nhớt của pha lỏng và giảm tính thấm của vỏ bùn, sử dụng phổ biến là các dẫn Vật liệu tạo cầu nối bịt kín các khe nứt nhỏ của vỉa và trơ với quá trình thủy xuất cellulose. Tuy nhiên, cần chú ý điều kiện nồng độ và nhiệt độ. hóa ximăng. Điển hình là gilsonite và than đáhạt thô; ngoài ra còn có hạt Dưới 65oC, cellulose là chất chậm đông hiệu quả; trên 93oC, cellulose ít thực vật cứng, sét bentonit thô, trấu, lõi bắp, tác dụng giảm độ thoát nước. Ximăng thixotropic xâm nhập khe nứt, hóa cứng và bịt kín khe nứt. 7-21 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-22 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET III. CÁC CHẤT PHỤ GIA CỦA XIMĂNG GEOPET 3.8. Các phụ gia đặc biệt Chất phóng xạ đánh dấu được trộn vào vữa ximăng giúp định vị dễ dàng đỉnh cột ximăng sau khi trám. Trước đây, các chất này hay được sử dụng nhưng Bao gồm các chất chống tạo bọt, chất sợi hữu cơ tăng độ bền, chất phóng xạ hiện nay các khảo sát nhiệt độ và đo vành đá ximăng đã thay thế phần nào đánh dấu, chất khử nhiễm bẩn ximăng. chức năng này. Chất phóng xạ đánh dấu đôi khi vẫn được dùng để trám ximăng khắc phục. Chất chống tạo bọt được dùng để khắc phục hiệu ứng bọt do các phụ gia khác gây ra. Sử dụng phổ biến gồm 2 nhóm: polyglycol ête và silicon. Nồng Chất phóng xạ được sử dụng phổ biến là I 131 (8,1 ngày), Ir 192 (74 ngày). độ pha chế rất thấp, thường ít hơn 0,1% khối lượng nước. 53 77 Một số hóa chất trong dung dịch khoan còn lại trong giếng có thể làm chậm Chất sợi hữu cơ, khi được bổ sung với nồng độ 0,15 – 0,5%, sẽ tăng độ bền đáng kể quá trình đông cứng của ximăng. Để giảm thiểu những ảnh hưởng của ximăng khi bắn mở vỉa. Sử dụng phổ biến nhất là sợi nylon, với chiều dài này khi vữa ximăng trộn lẫn với dung dịch khoan, một số hóa chất như có thể tới 1 inch. paraformaldehyde hoặc hỗn hợp paraformaldehyde và natri chromate (Na2Cr2O7) được bổ sung. 7-23 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-24 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 6
7. IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET Cùng với sự phát triển của công nghệ sản xuất và bơm trám ximăng, một số 4.1. Ximăng thixotropic loại ximăng đặc biệt đã được sản xuất để khắc phục các vấn đề phức tạp, Thixotropic: thuật ngữ dùng để mô tả tính chất của các hệởthể lỏng khi chịu bao gồm: mất nước, mất tuần hoàn, vi khe nứt, trám ximăng qua tầng muối, ứng suất trượt, nhưng hình thành cấu trúc gel và ổn định khi tự do. trám ximăng trong môi trường ăn mòn, giếng nhiệt độ cao, khí rò rỉ, Vữa ximăng thixotropic có độ nhớt thấp và chảy loãng khi pha trộn và bơm, Các loại ximăng đặc biệt bao gồm: nhưng nhanh chóng hình thành cấu trúc gel cứng khi ngừng bơm. Nếu bị tác 1. Ximăng thixotropic dụng lực, cấu trúc gel bị phá vỡ và vữa lại có thể bơm được. 2. Ximăng trương nở 3. Ximăng chịu lạnh Khi chịu ứng suất, vữa ximăng thixotropic cư xử như chất lỏng dẻo Bingham, 4. Ximăng muối nghĩa là đặc trưng bởi ứng suất trượt tới hạn và độ nhớt dẻo. 5. Ximăng nhựa biến đổi 6. Ximăng chịu ăn mòn 7. Ximăng dùng như dung dịch khoan 7-25 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-26 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET Ximăng thixotropic có rất nhiều ứng dụng quan trọng, trong đó thường được Áp suất tuần hoàn dùng trong các giếng mất ximăng nghiêm trọng khi bơm trám. m ơ t b ấ Những giếng này có những khu vực thành hệ yếu, dễ khởi tạo khe nứt ngay Lưu lượng cả khi áp suất thủy tĩnh nhỏ. Khi hình thành cấu trúc gel, ximăng thixotropic Áp su 1. Loãng khi pha trộn2. Cứng khi ngừng bơm làm giảm cột áp thủy tĩnh, khe nứt không hình thành và vữa ximăng không mất vào vỉa. Không Áp suất bơm chảy Thời gian Ximăng thixotropic cũng được dùng khi xảy ra mất dung dịch trong khoan. Hình 7.3. Áp suất bơm và lưu lượng Vữa ximăng khi đi vào vùng mất dung dịch sẽ đông cứng lại và cô lập hoàn của chất lỏng thixotropic toàn vùng này. 3. Trở lại lỏng 4. Loãng khi bơm lại khi tác dụng lực Hình 7.2. Ứng xử của chất lỏng thixotropic 7-27 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-28 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7
8. IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET Ximăng thixotropic bao gồm các hệ sau: 3. Hệ aluminum sulfate/sắt (II) sulfate: hỗn hợp Al2(SO4)3 và FeSO4 được dùng với ximăng Portland chứa C3A ít hơn 5%. 1. Hệ gốc sét: ximăng Portland có chứa sét trương nở. Hệ này có thể khống chế rò rỉ khí trong một số trường hợp. 4. Hệ polyme cellulose liên kết vòng: tạo thành bằng cách bổ sung các polyme liên kết vòng hòa tan trong nước và các tác nhân liên kết. Polyme có thể là hydroxyethylcellulose (HEC), 2. Hệ gốc CaSO4: CaSO4 .0,5H2O là hóa chất được sử dụng rộng rãi nhất để tạo vữa ximăng thixotropic với hầu hết các loại ximăng Portland. Hóa carboxymethylhydroxyethylcellulose (CMHEC), rượu polyvinyl, các loại chất này cần bổ sung nước khi pha chế và vữa ximăng tạo thành không polyme sulfonate. Tác nhân liên kết là một số hợp chất hữu cơ vòng của tương thích với hầu hết các phụ gia chống mất nước. titan và kẽm. Lựa chọn loại polyme, tác nhân liên kết và tỉ lệ tối ưu của chúng thay đổi Bên cạnh tính chất thixotropy, hệ ximăng gốc CaSO4 còn có tính kháng sulfate. tùy thuộc nhiệt độ đáy giếng. 7-29 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-30 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET 4.2. Ximăng trương nở 4.3. Ximăng chịu lạnh Ximăng trương nở sau khi đông cứng giúp bịt kín các khe nứt nhỏ và tăng Dùng cho các vùng đóng băng vĩnh cửu như Alaska hoặc bắc Canada. cường hiệu quả trám ximăng. Lực giãn nở của ximăng làm ximăng ép sát vào thành ống chống và bề mặt vỉa. Ngay cả khi dung dịch khoan còn lại Lớp băng vĩnh cửu có thể dày tới 600m. Khi khoan và hoàn thiện giếng, tránh trong lỗ khoan hoặc trên thành giếng, kết cấu chặt sít của ximăng vẫn có thể gây tan chảy lớp băng vĩnh cửu. Ximăng dùng để trám, vì vậy, phải có nhiệt đạt được. lượng tỏa ra khi thủy hóa thấp và phát triển được độ bền nén ở nhiệt độ thấp. Các loại phụ gia của ximăng trương nở bao gồm: Ximăng Portland thông thường sẽ bị đóng băng trước khi kịp đông cứng, do − Hệ ettringite (C3A.3CaSO4.H32): tinh thể ettringite có thể tích lớn tạo thành sau đó độ bền nén kém. Hai loại ximăng trám thành công trong điều kiện này là: khi ximăng đông cứng, từ đólàm ximăng nở ra. –Ximăng canxi aluminate − Muối ăn: một trong những phụ gia đầu tiên dùng điều chế ximăng trương nở, –Hỗn hợp ximăng Portland/thạch cao: tinh thể muối hình thành trong ximăng sau khi đông cứng. − Bột nhôm: tạo bọt khí nhỏ trong ximăng, dùng cho các giếng độ sâu nhỏ. 7-31 − Ôxit magiê nung: dùng cho giếng nhiệt độ cao. Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-32 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 8
9. IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET 4.4. Ximăng muối 4.5. Ximăng nhựa biến đổi Ximăng chứa một lượng đáng kể muối ăn NaCl hoặc KCl gọi là ximăng muối. Nhựa là thuật ngữ tổng quát chỉ polyme dạng nhũ tương. Muối được dùng nhiều trong ximăng trám giếng khoan do: Trong thành phần nhựa có các hạt polyme cực nhỏ (200 – 500 nm), thường – Ở một vài nơi, muối có trong nước pha chế ximăng, ví dụ ngoài khơi. được làm ổn định bằng các hoạt chất bề mặt nhằm tăng tính chịu lạnh và –Muối là hóa chất phổ biến, rẻ tiền nhưng có thể thay đổi đáng kểứng xử của chống vón cục khi pha vào ximăng Portland. Hầu hết nhựa chứa khoảng ximăng. Tùy theo nồng độ, muối có thể là chất nhanh đông hoặc chất chậm 50% hạt rắn. đông, làm phân tán ximăng, làm ximăng trương nở hoặc tạo ximăng chịu lạnh. – Khi trám ximăng qua vỉa muối hoặc vỉa sét trương nở, cần bổ sung một lượng Ximăng nhựa biến đổi được sử dụng ngày càng nhiều do có nhiều ưu điểm: lớn muối để hạn chế các sự cố có thể xảy ra. tăng cường hiệu quả, giảm độ thấm, tăng sức bền kéo, giảm co ngót, tăng tính đàn hồi và tăng mối liên kết giữa ximăng-sắt, ximăng-ximăng. 7-33 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-34 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET IV. XIMĂNG ĐẶC BIỆT GEOPET 4.6. Ximăng chịu ăn mòn 4.7. Ximăng dùng như dung dịch khoan Ximăng Portland khi đông cứng khá bền vững. Tuy nhiên, vẫn có những giới Một số sự cố khi khoan và hoàn thiện giếng như mất tuần hoàn, mất nước và hạn mà đá ximăng không thể vượt qua. liên thông nước giữa các tầng có thể khắc phục nếu dung dịch khoan có tính chất của ximăng. Ximăng chịu ăn mòn bao gồm ximăng bền với hóa chất dùng cho các giếng chứa hóa chất thải, ximăng dùng để trám các giếng có kế hoạch thu hồi tăng Ximăng loại này có tính cách ly thành hệ rất tốt. Ví dụ hệ ximăng Portland cường bằng bơm ép CO2. chứa bentonit do Harrison và Goodwin giới thiệu năm 1971 có thể dùng như dung dịch khoan khi khoan. Tới giai đoạn hoàn tất, người ta bổ sung một loại muối kim loại đa hóa trị (ví dụ CaCl ) vào dung dịch và quá trình đông cứng Đối với giếng chứa hóa chất thải, ximăng được chọn tùy thuộc loại hóa chất 2 sẽ bơm vào giếng. Các phụ gia tăng độ bền và giảm độ thấm của ximăng là được kích hoạt. pozzolan, nhựa, chất phân tán. Một số hệ ximăng khác được kích hoạt đông cứng bằng phóng xạ, bằng nhiệt, Chống ăn mòn do CO2 bằng cách giảm tối đa độ thấm của đá ximăng. 7-35 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 7-36 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 9
10. GEOPET KẾT THÚC CHƯƠNG 7 7-37 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 10