Luận án 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

ép, sửa chữa giếng và các công việc khác trong
các điều kiện vận hành giếng.
39
Trong nhiều trường hợp, vữa xi măng đã lấp đầy không gian vành
xuyến và chất lượng cách ly các vỉa sản phẩm thời gian đầu tương đối tốt,
nhưng theo thời gian các điều kiện trong giếng thay đổi đã tạo ra các ứng suất,
chúng đe doa sự ổn định của vành xi măng. Dưới tác động của ứng suất kiến
tạo và sự gia tăng rất mạnh áp suất hoặc nhiệt độ trong giếng cũng làm cho
vành đá có thể nứt hoặc vỡ thành cục. Sự chuyển dịch cột ống chống về
hướng xuyên tâm sẽ làm cho đá xi măng co ngót, hoặc nhiệt độ và áp suất
trong giếng giảm có thể làm mất liên kết giữa vành đá xi măng với cột ống
chống hoặc thành giếng và tạo ra khe rất nhỏ. Sự giảm khối lượng riêng của
dung dịch trong quá trình khoan và hoàn thiện giếng cũng gây ra sự phá hủy
liên kết. Việc hoàn thiện giếng bằng các phương pháp bắn vỉa hoặc nứt thủy
lực vỉa cũng ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ của vành đá xi măng.
Trong nhiều trường hợp vành đá xi măng bị phá hủy là do các khe hở
rất bé, không dễ phát hiện, rất khó khắc phục và đó cũng là nguyên nhân xâm
nhập khí vào vành xuyến giếng khoan.
2.2. Đặc tính của xi măng trám giếng khoan
Hiện nay, xi măng mác G tiêu chuẩn API là loại xi măng được dùng chủ
yếu để trám các giếng khoan sâu dầu khí [26,37]. Các thành phần khoáng
chính như trong bảng 2.1.
40
Bảng 2.1. Các thành phần khoáng chính của xi măng
Thành phần Công thức Ký hiệu Hàm lượng, %
Tricalci silicat (Alit)
Bicalci silicat (Belit)
Tricalci aluminat
Tetracalci aluminoferit
Thạch cao
3CaO.SiO2
2CaO.SiO2
3CaO.Al2O3
4CaO.Al2O3.Fe2O3
CaSO4.2H2O
C3S
C2S
C3A
C4AF
CSH2
50% - 70%
15% - 30%
5% - 10%
5% - 15%
4% - 6%
C3S có vận tốc thủy hóa cao nhất, tạo ra độ bền và tăng nhanh độ bền
trong thời hạn đóng rắn sớm, cũng như duy trì vữa xi măng ngưng kết chống
ăn mòn sulfat. Thành phần C2S đóng rắn chậm sẽ kéo dài đóng rắn của đá xi
măng. C3A quyết định sự ngưng kết ban đầu và tăng nhanh độ bền trong thời
hạn đóng rắn sớm do hoạt tính thủy hóa cao hơn. Vai trò của C4AF trong quá
trình ngưng kết giống như C3A, nhưng ảnh hưởng của C4AF phụ thuộc nhiều
vào nhiệt độ và chất lượng phụ gia.
Sự thuỷ hoá phần silicat của clinke diễn ra cùng với sự tạo ra các sản
phẩm khác nhau phụ thuộc vào nhiệt độ, hàm lượng nước trong thể tích phản
ứng, sự tham gia của các phụ gia và một số điều kiện khác.
Đá xi măng là loại đá nhân tạo, không ổn định nhiệt động học, liên
quan chủ yếu đến hai quá trình diễn ra khi đóng rắn xi măng là sự giải phóng
năng lượng và tính hỗn độn của động học tạo cấu trúc. Khi vữa xi măng được
lấp đầy xung quanh cột ống chống, vữa sẽ chịu tác động của sự chênh áp suất
cao hướng về phía đất đá xung quanh thành giếng, và nước trong vữa thấm
lọc vào vỉa trong quá trình thủy hóa. Trong quá trình đóng rắn, nước thấm lọc
đi vào vào vỉa, các hỗn hợp hydrat tạo cấu trúc và hình thành vành đá xi măng
giữa cột ống chống và đất đá xung quanh thành giếng khoan.
41
Trong điều kiện nhiệt độ giếng khoan dưới 1100C, xi măng tiếp tục thủy
hóa và đạt độ bền trong thời gian dài (từ vài ngày cho đến vài năm) cho đến
khi đạt độ bền tới hạn. Nhưng khi nhiệt độ trên 1100C, xi măng đạt độ bền
cực đại trong khoảng vài tuần đầu tiên, sau đó độ bền bắt đầu giảm dần. Đây
là hiện tượng suy giảm độ bền (The strength retrogression) [28,34,45]. Trong
một số trường hợp sự suy giảm độ bền đến điểm phá hủy và cường độ suy
giảm càng tăng khi nhiệt độ tăng lên.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian tới độ bền và độ thấm của đá xi
măng liên quan mật thiết tới thành phần và đặc tính khoáng vật có trong đá xi
măng. Mỗi sản phẩm hidrat hóa chỉ hình thành và tồn tại bền vững cùng các
yếu tố nhiệt động học nhất định (ở đây chủ yếu là nhiệt độ). Khi đưa ra khỏi
điều kiện tối ưu, tổ hợp khoáng sẽ biến đổi và dẫn tới biến đổi cấu trúc đá.
2.3. Quá trình hóa - lý đóng rắn của vữa xi măng [9,19,46,48]
Khi nhiệt độ dưới 1100C, sản phẩm thủy hóa của xi măng là calcium
silicat hydrat ký hiệu C-S-H(II) hoặc (C2SH2) và vôi (Ca(OH)2.
C-S-H(II) thuộc loại silicat hydrat đồng dạng tobermorit, cấu trúc tinh
thể của chúng giống như khoáng vật tobermorit tự nhiên có thành phần
5CaO.6SiO2·5H2O.
Các hạt C-S-H có dạng hình phiến mỏng hoặc dạng lá, bề dày hai ba
lớp. Những phiến này trong phương ngang có thể xoắn lại thành sợi. Silicat
hydrat có tỉ bề mặt lớn đạt đến (13-14).103 m2/kg. Ở nhiệt độ dưới 90-110oC,
C-S-H (II) có hàm lượng canxi oxit cao hơn. Ở nhiệt độ 80oC tỉ số CaO/SiO2
đạt đến trị số giới hạn, bằng 2.
Khi nhiệt độ trong khoảng 1100C và 1200C, quá trình tái kết tinh
calcium silicat hydrat đóng vai trò quyết đinh. C-S-H(II) sẽ bắt đầu tái kết
tinh thành hệ -diacalcium silicat ( -C2S) hoặc C2SH(A) có thành phần
42
Ca2(HSiO4)OH. Chúng có cấu trúc tinh thể, tỉ khối cao, tính thấm cao và độ
bền nén thấp.
Nguyên nhân làm cho độ bền giảm và tính thấm cao là do những đặc
điểm trong quá trình hình thành và biến đổi của pha α-C2SH như sau:
+ -C2SH được hình thành từ các khoáng trung gian (C-S-H(I), C-S-
H(II) và gel C-S-H) theo cơ chế tái kết tinh, hình thành pha khoáng mới;
+ - C2SH có khả năng nổi trội về kết tinh thứ cấp (kích thước lớn lên
nhưng số lượng tinh thể giảm) làm suy giảm mạnh liên kết giữa các tinh thể
và tăng nhanh độ thấm;
+ Quá trình kết tinh -C2SH gắn liền với sự co rút cục bộ trong cấu trúc
vật liệu (tạo thêm độ rỗng);
+ -C2SH kém về khả năng tạo các liên kết cầu nối (tính kết dính yếu);
+ -C2SH là loại khoáng xuất hiện nhanh nhưng lại tồn tại lâu trong một
khoảng nhiệt độ tương đối rộng (1001800C), nên vừa có ảnh hưởng trong
thời gian ngưng kết, vừa có ảnh hưởng lâu dài.
Ở nhiệt độ >160oC có thể tạo thành hydrosilicat C3SH2 có công thức
đầy đủ là Ca3(Si2O7(OH)6. Ở nhiệt độ khoảng 2020C nó chuyển thành
C2HS(C) -  hydrat C2S, là hỗn hợp các silicat hydrat calcium-chrondodit
Ca(SiO4)2(OH)2 và kilchoanit Ca3(SiO7) .
Khi tăng nhiệt độ lên, sản phẩm mới xảy ra ở nhiệt độ 1500C từ
tobermorit thành xonotlit (Ca6Si6O17(OH)2 và/ hoặc gyrolit (Ca8(Si4O10)3
(OH)46H2O), là những pha có độ thấm và sức kháng nén tương tự như
tobermorit. Tăng nhiệt độ lên đến 2500C, gyrolit biến đổi thành truscottit
(Ca7(Si4O10)(Si8O19(OH)4H2O, nó có độ thấm cao và sức kháng nén thấp so
với tobermorit.
43
Trên hình 2.3. Giản đồ pha khoáng vật hệ CaO-SiO2-H2O, mô tả ảnh
hưởng của nhiệt độ và thành phần hóa học của xi măng tới sự hình thành và
tồn tại của các khoáng sản phẩm hydrat hóa chính có trong đá xi măng.
Hình 2.3. Giản đồ pha khoáng vật hệ CaO-SiO2-H2O [18,47].
Ở nhiệt độ chưa cao (thường là < 70 0C), tính không ổn định nhiệt động
học không gây tổn hại đáng kể tới độ bền của đá xi măng. Nhưng, ở nhiệt độ
cao, đặc biệt là cao hơn 1000C (như trong điều kiện giếng khoan sâu), quá
trình biến đổi cấu trúc xảy ra nhanh tới mức ta có thể nhận biết được qua các
thí nghiệm thông thường và gây tác hại rất lớn.
Trên hình 2.4. Biểu đồ độ bền nén phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian
đóng rắn [9].
44
Hình 2.4. Độ bền nén của đá xi măng ở các nhiệt độ khác nhau [52]
Trên hình 2.5. Độ thấm khí của đá xi măng phụ thuộc vào nhiệt độ và
thời gian đóng rắn [47, 52].
Hình 2.5. Độ thấm khí phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian đóng rắn
45
2.4. Biện pháp chống suy giảm độ bền của xi măng trám.
Xi măng chủng loại G theo tiêu chuẩn API, có tỉ lệ: số mol CaO/ số
mol SiO2 nằm trong khoảng 2,5÷3. Các nghiên cứu cơ bản cho thấy sự hình
thành và biến đổi cấu trúc của α-C2SH là nguyên nhân chính gây ảnh hưởng
xấu tới độ bền và độ thấm của đá xi măng [9,47].
Để ổn định độ bền của đá xi măng, có thể thực hiện một hoặc đồng thời
một vài giải pháp sau:
1) Tạo môi trường mà ở đó -C2SH không có khả năng tồn tại ổn định để
hạn chế tác hại của nó;
2) Ổn định những pha khoáng có tính tạo cấu trúc tốt đã được tạo ra ở
nhiệt độ thấp hơn trong đá xi măng;
3) Chủ động tạo ra những pha khoáng mới vừa có khả năng tồn tại ổn
định trong môi trường nhiệt độ, vừa có tính tạo cấu trúc tốt.
Xi măng giếng khoan bền nhiệt trên cơ sở xi măng và cát nghiền (Silica
Flour) là loại được chế tạo theo tiêu chí: (1) chủ động tạo ra những pha
khoáng mới vừa có khả năng tồn tại ổn định trong môi trường nhiệt độ, vừa
có tính tạo cấu trúc tốt và (2) ổn định pha khoáng được tạo ra dựa vào giản đồ
pha về sự tồn tại của các canxi silicat hydrat ở những điều kiện nhiệt độ khác
nhau để thiết kế thành phần của xi măng bền nhiệt. Dựa vào đặc điểm mỗi
pha khoáng chỉ hình thành và tồn tại ở một khoảng nhiệt độ nhất định, ở điều
kiện nhiệt độ chưa quá cao, cố gắng ổn định các pha C-S-H(I), C-S-H(II), Gel
C-S-H; còn ở các nhiệt độ cao hơn, cố gắng để tạo được các pha khoáng mới
khác là Tobermorit hoặc Xonotlit (hình 2.6)
46
Hình 2.6. Sơ đồ tạo pha khoáng mới của xi măng trám
Thành phần hóa học xi măng cho phép ổn định khoáng C-S-H(I), C-S-
H(II), Gel C-S-H và nhận được với hàm lượng cực đại khoáng Tobermorit,
Xonotlit cho các khoảng nhiệt độ khác nhau được ứng dụng rộng rãi trong
thực tế là:
90 ÷ 120 0C : (CaO / SiO2) < 0,8 (2.1)
120 ÷ 180 0C : (CaO / SiO2) < 0,83 (2.2)
> 180 0C : (CaO / SiO2) < 1 (2.3)
Tỉ số CaO/SiO2 = 0,91 đảm bảo yêu cầu CaO/SiO2 < 1 đối với xi
măng bền nhiệt trong khoảng nhiệt độ >1800C; đảm bảo bền nhiệt và ổn định
khoáng Tobermorit cho khoảng nhiệt độ 120÷1800C.
Bổ sung lượng Silica 35-40% theo khối lượng, sẽ làm vận tốc phản ứng
CaO giảm trong vữa, lượng CaO nhu cầu nhỏ hơn lượng SiO2, do đó tỉ số
thành phần CaO/SiO2 đạt 1,0. Điều đó sẽ hạn chế sự biến đổi pha và duy trì
cấu trúc vi mô, duy trì ổn định tính chất cơ học của xi măng.
Các silica thô tác dụng với C-S-H tạo ra Tobermorit, còn hạt mịn cùng
với C-S-H trực tiếp tạo thành Gyrolit và Truscolit không qua pha Tobermorit
[44,46] sẽ hạn chế sự giảm biến đổi pha và duy trì cấu trúc vi mô không bị
47
biến động, nhờ đó về mặt cơ học luôn luôn ổn định. Vì thế, silica cho vào xi
măng luôn cần cỡ hạt mịn để đạt đến trạng thái của Gyrolit và Truscolit.
Bổ sung Silica vào xi măng cho phép hình thành pha xi măng giàu
silica như là Tobermorit và Xonotlit. Đây là biện pháp được phát hiện hơn 50
năm trước đây và hiện nay đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp [9,28,34].
Đặc tính quan trọng chịu nhiệt của đá xi măng trám là tạo ra các hợp
chất ổn định nhiệt động lực khi xi măng đóng rắn trong các điều kiện thủy
nhiệt nhất định. Ngoài ra, các hợp chất này phải có các tính chất tạo cấu trúc
tốt để đá xi măng đạt được độ bền cao và độ thấm thấp. Các tính chất tạo cấu
trúc tốt là các tinh thể có độ phân tán cao. Các hợp chất ổn định được tạo
thành không phải là những hợp chất trung gian giả bền mà là những hợp chất
hình thành ngay trong giai đoạn đầu tiên của quá trình đóng rắn. Mỗi một quá
trình tái kết tinh trong cấu trúc được hình thành của đá xi măng đều kèm theo
sự thay đổi tính bền.
2.5. Ảnh hưởng của Silica đến độ bền và độ thấm của xi măng
2.5.1. Các loại phụ gia silica
Hiện nay, trong ngành khoan dầu khí sử dụng các loại phụ gia silica:
- Cát thạch anh có độ sạch cao, cỡ hạt tối ưu từ 425m (3,3%), 150m
(85%), 75m (10%).
- Cát nghiền (Silica flour) có khối lượng riêng: 2,60÷ 2,63 g/cm3; các cỡ
hạt 105m (3%), 75m (10%), 45m (88%).
- Silica bột (Silica Fume) [41] là một phụ gia siêu phân tán, đặc trưng
bởi hàm lượng cao các silica vô định hình với tỉ bề mặt cao, cho phép vật liệu
đạt độ bền cao (55-80MPa) và siêu cao (trên 80MPa). Silica bột có chức năng
tác dụng như một chất pouzzlan, phản ứng giữa dioxit hàm lượng cao (SiO2 >
85%) với Ca(OH)2. Silica bột có kích thước hạt nhỏ hơn xi măng 100-150 lần,
có tính kết dính cao cho phép lấp đầy các lõ rỗng vi mô giữa các hạt xi măng,
48
làm giảm mạnh khả năng thấm nước và tăng mạnh liên kết giữa cốt liệu với
xi măng.
 Nanosilica là vật liệu có hoạt tính pouzzolan rất cao, gồm những hạt
dạng thuỷ tinh có kích thước bé hơn khoảng 1000 lần so với các hạt xi măng
trung bình. Đó là một phụ gia rất tốt cho xi măng để nâng cao độ bền, tuổi thọ
và giảm độ thấm. Nanosilica thường có hai cỡ hạt từ 5-50nm .
2.5.2. Ảnh hưởng của silica đến độ bền nén và độ thấm của xi măng
Eiler và Nelson [5,23] đã nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hạt của
silica trong hỗn hợp với xi măng G đến độ bền nén ở các mức độ nhiệt độ
khác nhau đến độ bền nén và độ thấm của đá xi măng.
Trên hình 2.7. Độ bền nén phụ thuộc vào cỡ hạt và nhiệt độ: 135oC,
232oC và 325oC. Trên hình 2.8. Độ thấm phụ thuộc vào cỡ hạt và nhiệt độ:
135oC, 232oC và 325oC.
Hình 2.7. Độ bền nén phụ thuộc vào
cỡ hạt ở nhiệt độ khác nhau
Hình 2.8. Độ thấm phụ thuộc vào cỡ
hạt ở nhiệt độ khác nhau
Herianto [29] đã nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng silica SS1-A đến độ
bền nén trong điều kiện nhiệt độ 1500C, áp suất 13,78MPa trình bày trong
bảng 2.2 và minh họa trên hình 2.9.
49
Bảng 2.2. Độ bền nén của đá xi măng theo hàm lượng silica
Thành phần hỗn hợp
Xi măng và Silica
Độ bền nén (MPa)
1 ngày 2 ngày 3 ngày 7 ngày
Xi măng G + 0 % Silica 10,29 8,79 8,73 5,82
Xi măng G + 10% Silica 17,63 11,65 10,12 4,65
Xi măng G + 20% Silica 17,67 8,62 26,38 14,48
Xi măng G + 30% Silica 26,42 34,67 46,53 46,10
Xi măng G + 40% Silica 11,69 11,57 28,93 37,76
Hình 2.9. Độ bền của đá xi măng phụ thuộc vào hàm lượng SSA-1
Kết quả thí nghiệm trên cho thấy rằng, với 0% và 10% SSA-1 độ bền
nén của xi măng có giá trị thấp nhất và thay đổi không nhiều. Đá xi măng với
20% SSA-1 độ bền của đá xi măng có tăng lên, nhưng sau 7 ngày độ bền
giảm. Trong các hỗn hợp xi măng với 30% SSA-1 và 40% SSA-1 cho thấy độ
bền nén tăng dần trong 3 ngày đầu. Sau đó, độ bền nén của hỗn hợp xi măng
có 30% SSA-1 giảm, trong khi đó độ bền nén của hỗn hợp 40% SSA-1 tăng
lên theo thời gian; với tỉ lệ silica trong khoảng 35%-40% độ bền nén đạt trị số
cao nhất.
50
Các kết quả nghiên cứu độ bền nén trên đây (hình 2.9) chỉ giới hạn ở
nhiệt độ 1500C và áp suất 13,78MPa và thời gian bảo dưỡng 7 ngày,cho nên
kết quả chưa phản ánh được điều kiện thực tế trong các giếng khoan.
2.5.3. Xác định độ bền nén của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ và áp
suất cao
Tại phòng thí nghiệm của Công ty Halliburton đã tiến hành thí nghiệm
hưởng của nhiệt độ rất cao đến độ bền nén và độ thấm của đá xi măng G +
35% SSA-1 và thời gian bảo dưỡng đến 28 ngày (phụ lục 10).
Trong bảng 2.3. Độ bền nén của Xi măng + 35% SSA-1 có khối lượng
riêng 1,90 g/cm3 và 2,04 g/cm3 phụ thuộc nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng.
Bảng 2.3. Độ bền nén của hỗn hợp xi măng +35% SSA-1
Nhiệt độ,
0C
Khối lượng
riêng vữa,
g/cm3
Độ bền nén trong khoảng thời gian (MPa)
1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày
143
1,90 66,86 76,73 73,77 73,70
2,04 85,90 94,63 88,66 97,56
160
1,90 73,91 53,26 49,47 37,34
2,04 103,42 95,15 77,67 88,80
176
1,90 91,70 65,73 58,98 57,05
2,04 100,83 103,35 92,90 103,42
210
1,90 53,39 33,27 56,05 56,43
2,04 103,35 103,35 101,25 78,94
51
Hình 2.10. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa
1,905 g/cm3
Hình 2.11. Độ bền nén của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa
2,04 g/cm3
52
Trong bảng 2.4. Độ thấm xi măng + 35% SSA-1 với khối lượng riêng
1,90 g/cm3 và 2,04 g/cm3 phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng.
Bảng 2.4. Độ thấm của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1
Nhiệt độ, 0C Khối lượng riêng
vữa, g/cm3
Độ thấm (mD)
1 ngày 3 ngày 7 ngày 28 ngày
143
1,90 0,028 0,030 0,022 0,033
2,04 0,006 0,021 0,006 0,013
160
1,90 0,035 0,014 0,009 0,007
2,04 0,040 0,040 0,026 0,003
176
1,90 0,012 0,003 0,010 0,007
2,04 0,006 0,001 0,001 0,001
210
1,90 0,030 0,007 0,017 0,023
2,04 0,020 0,010 0,010 0,007
Hình 2.12. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 1,904
g/cm3
53
Hình 2.13. Độ thấm của xi măng + 35% Silica có khối lượng riêng vữa 2,04
g/cm3
Từ kết quả trên cho thấy:
- Độ bền nén của xi măng + 35% SSA-1 đạt được độ bền nén cực đại trong
điều kiện nhiệt độ từ 160-2100C và ổn định trong khoảng 28 ngày.
- Khi thời gian đóng rắn của xi măng + silica tăng lên thì độ thấm giảm.
Nói chung độ thấm tất cả các mẫu thí nghiệm đều nhỏ hơn 0,1mD, hoặc có
mẫu bé hơn 0,01mD.
Để xác định ảnh hưởng đồng thời của nhiệt độ và áp suất cao (tương tự
điều kiện bể Nam Côn Sơn) đến độ bền của đá xi măng, đã tiến hành thí
nghiệm xác định độ bền nén bằng phương pháp không phá hủy UCA với
thành phần xi măng mác G + 35% silica SSA-1. Kết quả thí nghiệm trình bày
trong bảng 2.5 và phụ lục 1.
54
Bảng 2.5. Tổng hợp kết quả thí nghiệm xác định độ bền nén
Điều kiện thí
nghiệm
Thời gian đạt trị số độ bền nén
(giờ, phút)
Độ bền nén trong
thời gian, (MPa)
Nhiệt
độ,(0C)
Áp suất,
(MPa)
0,345
MPa
0,689
MPa
3,45
MPa
6,89
MPa 24giờ 00 48giờ00
155 20,67 06,42 07,23 12,54 15,00 13,38 14,48
177 93,015 19,03 19,29 21,06 22,43 9,92 -
180 20,67 08,15 08,33 14,20 16,05 14,70 15,98
180 84,68 12,42 12,56 13,56 14,34 37,25 -
193 103,35 17,41 17,56 19,09 - 16,43 -
Từ kết quả trên cho thấy:
- Độ bền tối thiểu của đá xi măng bằng 3,45 MPa từ 12giờ 54phút đến
21giờ 06phút.
- Độ bền cực đại của đá xi măng đạt 15,98 MPa trong thời gian 48giờ.
Như vậy, xi măng mác G khi bổ sung phụ gia 35% SSA-1 có thể sử dụng
trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn, kể
cả khi nhiệt độ trong giếng đạt đến 1930C.
Kết luận chương 2
- Xi măng mác G tiêu chuẩn API trong điều kiện nhiệt độ trên 1100C,
độ bền của xi măng giảm, độ thấm tăng lên, vì vậy, để trám giếng khoan xi
măng mác G nhất thiết phải bổ sung silica đạt tỉ số CaO/SiO2 ≤ 1.
- Bổ sung 35% silica SSA-1 vào xi măng mác G trong điều kiện nhiệt
độ 1930C độ bền nén của đá xi măng đáp ứng các yêu cầu chất lượng trám
giếng khoan. SSA-1 là phụ gia có độ tinh khiết cao, cỡ hạt phù hợp với nhiệt
độ cao, cho phép đạt được độ bền nén tối ưu.
55
- Xi măng mác G khi bổ sung 35% hàm lượng SSA-1 có thể sử dụng
trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ đến 1930C và áp suất cao bể Nam
Côn Sơn.
Silica có khả năng làm cho xi măng có tính thủy lực, nghĩa là khả năng
đóng rắn, làm việc lâu bền trong môi trường nước. Tăng hàm lượng SiO2 sẽ
làm chậm thời gian ngưng kết của vữa xi măng và tăng độ chống sulfat của đá
xi măng. Ngoài ra, silica khi kết hợp với một số phụ gia khác sẽ cải thiện các
tính chất của vữa trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.
56
Chương 3 . NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VỮA
VÀ ĐÁ XI MĂNG TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ
VÀ ÁP SUẤT CAO
3.1. Xác định khối lượng riêng vữa xi măng trám giếng khoan
3.1.1. Khái niệm khối lượng riêng của vữa xi măng
Khối lượng riêng của vữa xi măng là một trong những đặc tính quan
trọng để đánh gia chất lượng của vữa xi măng. Thay đổi khối lượng riêng của
vữa xi măng bằng cách thay đổi tỉ lệ nước - xi măng. Sự thay đổi khối lượng
riêng sẽ làm thay đổi chế độ công nghệ bơm trám và có thể dẫn đến sự phức
tạp, đặc biệt sẽ làm tăng áp suất khi trám xi măng. Tỷ lệ nước - xi măng còn
phụ thuộc vào các tính chất lý - hóa khác, cho nên cần kiểm soát thường
xuyên khối lượng riêng vữa và không cho phép vượt trị số quy định, nếu vượt
sẽ làm giảm chất lượng của đá xi măng. Sai số của khối lượng riêng vữa cho
phép trong khoảng 0,02 g/cm3.
Trong điều kiện các vỉa có áp suất dị thường cao, thân giếng có đường
kính nhỏ thì cửa sổ giữa áp suất vỉa và áp suất nứt thủy lực vỉa rất bé. Để
ngăn ngừa sự xâm nhập dầu khí trong giếng, áp suất thủy tĩnh của cột vữa
trám phải tương đối cao để cân bằng với áp suất lỗ rỗng của vỉa, nhưng đồng
thời cũng phải tương đối thấp để không gây ra nứt vỉa. Khi khối lượng riêng
của vữa xi măng cao và độ chảy tỏa thấp có thể làm cho vữa xâm nhập vào
đất đá trên thành giếng trong quá trình trám và vữa không dâng cao đến chiều
cao thiết kế. Trong điều kiện giếng khoan, khi độ thải nước cao sẽ rút ngắn
thời gian quánh và có thể gây ra những phức tạp trong quá trình bơm trám.
Trong các điều kiện địa chất - kỹ thuật bể Nam Côn Sơn thường gặp
các vỉa có áp suất dị thường cao. Để trám giếng khoan và cách ly các tầng sản
phẩm, yêu cầu đầu tiên là phải tạo ra trên vỉa một phản áp hệ vỉa - giếng
khoan trong qu