TÌM HIỂU về XI MĂNG GIẾNG KHOAN PORTLAND

LỜI MỞ ĐẦU
Xi măng Portland là loại sản phẩm thủy lực được làm bằng cách
đốt và nghiền một hỗn hợp các vật liệu như đá vôi, đất sét và sắt xỉ
lò. Xi măng Portland được sử dụng phổ biến nhất trong ngành dầu
khí và chiếm khoảng 95% tổng sản lượng xi măng sơ cấp trên toàn
thế giới. Xi măng Portland phải đạt tiêu chuẩn về tính chất hóa học
và vật lý theo yêu cầu của Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ (API).
Xi mang giếng khoan dầu khí là một loại vật liệu đặc biệt được
sản xuất dựa trên cơ sở sản xuất chung của xi măng Portland và
được sử dụng rộng rãi với cơng tác khai thác dầu, khí hiện nay. Do
các thành phần áp suất, nhiệt độ, khoáng chất thay đổi theo độ sâu
của giếng khoan nên xi măng giếng khoan dầu khí được sản xuất ra
nhiều chủng loại với các đặc tính khác nhau ứng với các yêu cầu kỹ
thuật khác nhau của từng giếng khoan dầu khí.

2


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU XI MĂNG
PORTLAND
1.1. KHÁI NIỆM XI MĂNG PORTLAND
Xi măng Portland (hay còn gọi là xi măng OPC) là bột vơ cơ có
tính chất kết dính thủy lực, sản phẩm nghiền mịn của hỗn hợp clinker
xi măng Portland và phụ gia thạch cao 3 – 5% khối lượng clinker.
Ngồi ra cịn có các chất kết dính có nguồn gốc từ xi măng Portland,
đó là sản phẩm nghiền mịn của xi măng Portland với những phụ gia
thích hợp khác (bột đá vôi, tro xỉ, bột puzoland,…) đáp ứng những
tiêu chuẩn kỹ thuật được qui định của những cơ quan chức năng.
Xi măng Portland gồm nhiều chủng loại khác nhau (khoảng 20
loại), tuỳ theo mục đích sử dụng mà nó được sản xuất và ứng dụng
theo những lĩnh vực nhất định.

1.2. NGUYÊN LIỆU SẢN XUẤT XI MĂNG PORTLAND
Các nguyên liệu để sản xuất clinker xi măng Portland gồm có: đá
vơi, đá/đất sét và các loại phụ gia điều chỉnh.
1.2.1. Đá vôi:
Đá vôi là loại đá carbonat canxi (CaCO3). Loại đá này thường lẫn
các tạp khoáng như dolomit – muối kép carbonat canxi và magnezi
(MgO.CaO.(CO2)2), đá sét, đá silic và rất ít các quặng sắt, kiềm, muối
clorua. Đối với sản phẩm xi măng Portland đá vôi yêu cầu kỹ thuật là
đá vơi có lẫn tạp khống ít nhất, phải thỏa mãn các chỉ số thành
phần hóa trung bình (%) ghi trong bảng
Bảng 1- 1: Thành phần hóa của xi măng Portland

Hàm MKN
lượn
g

CaO

Mg
O

Al2O F2O3 SiO2 R2O

SO

3

3

P2O5 Cl-

1


Giới
hạn
(%)

≥
42.5

≥ 52

≤
2.0

≤
5.0

≤
0.3

≤
2.0

<
0.5

<0. <
3

0.3

<0.
1

1.2.2. Đá/Đất sét:
Đá hoặc đất sét dùng cho sản phẩm xi măng Portland cũng phải
thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật riêng của nó về chất lượng và trữ lượng,
cụ thể như sau:
1.2.2.1. Về thành phần:

Chọ
n
trữ
lượn
g
mỏ
Trun
g
bình
của
mỏ

Bảng
phần
bình của
Al2O3 1- 2:FeThành
TiOmỏ
2O3
2

CaOtrunh
Mg

MK
N

SiO2

4-8

5572

1222

4-8

6

66

16

7

O

R2O

SO3

Cl-

1

1.2.2.2. Trị số modun silic: Trong tính tốn trữ lượng của mỏ sét,
khi đanh giá chất lượng của toàn mỏ sét người ta chọn trị số trung
bình Ms = 3 thay vì trị số Ms = 2,4 – 3,6, vì nếu Ms < 2,7 thì chủ đầu
tư phải tìm kiếm them nguồn sét cao silic (SiO2 = 78 – 90%) hoặc
nguồn các mịn để pha chế điều chỉnh. Trường hợp ngược lại nếu mỏ
> 3,3 thì phải tìm nguồn sét cao nhôm (Al2O3 từ 23% trở lên) hoặc
quặng boxit để điều chỉnh hệ số modun này.
1.2.2.3. Độ cứng của đá sét: Là một loại chỉ tiêu chất lượng quan
trọng của loại nguyên liệu này đối với công nghệ sản xuất xi măng.

2


Độ cứng của đá sét càng nhỏ và độ đồng nhất của độ cứng càng đều
thì chất lượng của sét càng tốt.
1.2.2.4. Độ ẩm cũng là một chỉ tiêu chất lượng của sét nguyên
liệu cho sản xuất xi măng: Với khả năng cấp nhiệt của máy nghiền
nguyên liệu hiện nay người ta cho phép độ ẩm tối đa của đất sét lên
đến 20%. Tuy nhiên chất lượng sét tốt nhất là sét có độ ẩm 12 –
16%.

1.2.3. Các loại phụ gia điều chỉnh:
Tùy thuộc vào các mục tiêu điều chỉnh mà người ta sử dụng các
loại phụ gia khác nhau. Nếu điều chỉnh modun silic người ta sử dụng
sét cao silic hoặc cát mịn thạch anh. Nếu điều chỉnh modun alumin
thì sử dụng sét cao nhơm (trường hợp phối liệu bột sống thiếu Al 2O3)

hoặc sử dụng quặng sắt (trường hợp phối liệu bột sống thiếu Fe 2O3).
Một số loại phụ gia điều chỉnh như quặng sắt ở dạng pirit, quặng sắt
nhân tạo có xỉ pinit hoặc là thạch cao.

3


1.3. THÀNH PHẦN CỦA XI MĂNG PORTLAND
1.3.1. Thành phần của xi măng Portland:
Để làm xi măng Portland thì đất sét, đá vôi, đá phiến sét được
nghiền thành bột và nung trong lị nung (nhiệt độ trong máy nghiền
khơng q 80 – 90oC). Các hỗn hợp nung tạo thành clinker và được
trộn với thạch cao (4 – 5%) theo tỷ lệ khác nhau để tạo ra các loại
Portland khác nhau.
Xi măng Portland thơng thường có dạng bột mịn với thành phần
gồm:
- Clinker: hơn 90%, là sản phẩm sau nung của hỗn hợp đá vơi,
sét.
- Thạch cao: tối đa 5%, có tác dụng điều chỉnh thời gian đơng
kết.
- Chất phụ gia (có thể có): là những nguyên liệu bổ sung vào
phối liệu (hỗn hợp từ đá vôi, đất sét) làm tăng chất lượng xi măng,
giảm nhiệt độ bay hơi, tăng tính chống mòn.
1.3.2. Yêu cầu về thành phần chỉ tiêu chất lượng của xi
măng Portland
Thành phần hố học gồm có các oxit chính như: CaO, SiO 2,
Fe2O3, Al2O3 chiếm từ 95 ÷ 97%. Cịn lại từ 3 ÷ 5% là các oxit khác
(Na2O , K2O, MgO, Mn2O3, SO3, TiO2).
Bảng 1- 3: Thành phần hóa của xi măng Portland

Oxit
Hà
19 –
m
25%
lượn
g

MgO
2–
9%

62 –
67%

1 – 5%

0–
3%

1–
3%

0.6
%

0.2
%

Ngồi ra cịn có pha thuỷ tinh trong clinker (clinker kết khối tốt,

tạo điều kiện thuận lợi hình thành khống C3S), các khoáng khác như
(K,Na)2SO4, CaSO4, (K,Na)2.8CaO.3Al2O3, 4CaO.Al2O3.Mn2O3... và một

4


lượng oxit tự do (CaO, MgO), chưa phản ứng hết trong q trình nung
luyện, chiếm phần trăm khá ít trong thành phần.
Do suy măng Portland có nhiều chủng loại (khoảng 20 loại), vì
vậy chỉ tiêu chất lượng cũng có các mức khác nhau.

Bảng 1- 4: Các chỉ tiêu chất lượngcuủa xi măng Portland thông thường

STT

Tên chỉ tiêu

Mức
PC30

PC40

PC50

1.1

Cường độ nén, MPa, không nhỏ
hơn:
3 ngày ± 45 min
16

21

25

1.2

28 ngày ± 8 h

40

50

2

Thời gian đông kết (min

2.1
2.2

Bắt đầu, không nhỏ hơn
45
Kết thúc, không lớn hơn
375
Độ nghiền mịn, xác định theo:
Phần còn lại trên sàng kích
thước lỗ 0,09 mm (%) khơng
10
lớn hơn
Bề mặt riêng, phương pháp Blaine,

2 800
cm2/g, không nhỏ hơn
Độ ổn định thể tích, xác định
theo phương pháp Le Chatelier, 10
mm, khơng lớn hơn
Hàm lượng anhydric sunphuric – SO3 (%)
3,5
không lớn hơn
Hàm lượng magie oxit – MgO
5,0
(%) không lớn hơn
Hàm lượng mất khi nung – MKN
3,0
(%) không lớn hơn
Hàm lượng cặn không tan – CKT
1,5
(%) không lớn hơn
Hàm lượng kiềm quy đổi[1] (Na2Oqđ)[2] (%)
0,6
khơng lớn hơn

1

3
3.1
3.2
4
5
6
7

8
9

30

Chú thích :

5


[1]

Quy định đối với xi măng Portland khi sử dụng với cốt liệu có khả năng xảy ra
phản ứng kiểm – Silic.
[2]

Hàm lượng kiềm quy đổi (Na2Oqđ) tính theo cơng thức: %Na2Oqđ = %Na2O +

0,658

1.4. QUI TRÌNH SẢN XUẤT XI MĂNG PORTLAND

Hình 1 - 1 Sơ đồ sản xuất xi măng Portland
1.4.1. Khai thác vật liệu thô từ mỏ đá
Trầm tích chứa can-xi xuất hiện trong tự nhiên như đá vôi, đá
phấn cung cấp can-xi carbonat (CaCO3) và được khai thác từ mỏ đá,
thông thường ở gần nhà máy xi măng. Một lượng rất nhỏ vật liệu
“định dạng” như quặng sắt, bơ xit, đá phiến sét, sét hoặc cát có thể
cần để cung cấp thêm oxit sắt (Fe2O3), ơ-xít nhơm (Al2O3) và đi-ơ-xít
silic (SiO2) để chuyển hóa thành phần hóa học của hỗn hợp vật liệu

6


thơ phù hợp với u cầu của quy trình sản xuất và sản phẩm xi
măng.

1.4.2. Nghiền đá vôi
Nguyên liệu thô được khai thác từ mỏ đá và vận chuyển đến
máy đập sơ cấp/ thứ cấp để nghiền vỡ thành từng mảnh có kích
thước 10cm.
1.4.3. Tiền đồng nhất và nghiền bột liệu
Tiền đồng nhất (pre-homogenization) được hiểu là việc trộn lẫn
các vật liệu thơ khác nhau duy trì thành phần hóa học theo yêu cầu.
Các mẩu đá nghiền sau đó được cán lẫn với nhau để tạo thành “bột
liệu”. Để đảm bảo xi măng đạt chất lượng cao, tính chất hóa học của
nguyên liệu thô và bột liệu phải được theo dõi và giám sát chặt chẽ.
1.4.4. Sấy sơ bộ
Máy sấy sơ bộ là một loạt các cyclone (lốc) đứng để bột liệu
chạy qua và tiếp xúc với luồng khí nóng thốt ra từ lị và chuyển
động theo hướng ngược lại. Ở các cyclone này, nhiệt lượng được thu
từ khói lị nóng và bột liệu được sấy sơ bộ trước khi đưa vào lị, do
vậy, các phản ứng hóa học cần thiết sẽ xảy ra nhanh hơn và đạt hiệu
suất cao hơn. Phụ thuộc vào hàm lượng ẩm của nguyên liệu thơ mà
lị có thể được cấu tạo lên tới 6 kỳ cyclone để thu lượng nhiệt gia
tăng ở mỗi kỳ tiếp theo.
1.4.5. Tiền can – xi hóa
Tiền can-xi hóa là q trình phân giải đá vơi thành vơi. Một phần
phản ứng xảy ra tại “lị tiền can-xi hóa”, buồng đốt ở đáy lị tiền canxi hóa đặt ở phía trên của lò, và một phần hoạt động phân giải xảy ra
tại lị. Tại đây, q trình phân giải hóa học của đá vơi thường tạo ra

60-65% tổng lượng khí thải (của cả chu trình). Việc đốt nhiên liệu tạo
7


ra phần cịn lại, mà 65% lượng khí thải đó xảy ra tại lị tiền can-xi
hóa.
1.4.6. Sản xuất clinker trong lò quay
Tiếp theo, bột liệu đã qua giai đoạn tiền can-xi hóa đi vào lị.
Nhiên liệu được đốt trực tiếp trong lò tới nhiệt độ 1.450°C. Khi lò
quay ở tốc độ 3-5 vòng/phút, nguyên liệu được nhào trộn trong vùng
nhiệt gia tăng theo hướng ngọn lửa. Nhiệt lượng cực mạnh gây nên
các phản ứng hóa lý, từ đó bột liệu được nung chảy một phần tạo
thành clinker.
1.4.7. Làm mát và lưu trữ
Từ lị, clinker nóng rời vào bộ phận làm mát dạng vỉ tại nơi làm
mát bằng khí đốt, do vậy giảm thiểu được tổn thất năng lượng của
hệ thống. Một nhà máy xi măng điển hình sẽ có buồng lưu trữ clinker
ở giữa khu vực sản xuất và khu vực nghiền clinker. Clinker một sản
phẩm thường được kinh doanh.
1.4.8. Trộn phụ gia
Clinker được trộn với các hỗn hợp khoáng chất khác. Tất cả các
loại xi măng đều chứa khoảng 3-5% thạch cao để kiểm soát thời gian
ninh kết của sản phẩm. Nếu một lượng đáng kể xỉ, tro bay, đá vôi
hay nguyên liệu khác được sử dụng để thay thế clinker thì sản phẩm
sẽ có tên “xi măng tổng hợp”.
1.4.9. Nghiền xi măng
Clinker và hỗn hợp thạch cao được làm mát sẽ được nghiền
thành bột xám, đó là xi măng Portland thông thường (OPC), hoặc
được nghiền cùng với các khoáng chất khác để tạo nên xi măng tổng
hợp. Cách truyền thống là nghiền bằng máy cán bi mặc dù hiện nay

một công nghệ tiên tiến hơn trong các nhà máy xi măng là máy ép
con lăn và máy nghiền đứng đã được đưa vào áp dụng.

8


1.4.10. Đưa vào silo
Sản phẩm cuối cùng được đồng nhất và lưu trữ trong silo xi
măng và chuyển đến khu vực đóng bao (đối với xi măng đóng bao)
hoặc tới xe tải chở silo.

9


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ XI MĂNG GIẾNG
KHOAN
2.1. GIỚI THIỆU VỀ XI MĂNG GIẾNG KHOAN
2.1.1. Lịch sử phát triển của xi măng giếng khoan
 Năm 1824, John Aspdin chế tạo thành công xi măng portland.
Đối với xi măng giếng khoan, xi măng đóng vai trị như nền tảng để
tạo nên xi măng giếng khoan.
 Năm 1859, Romanovsky đã đề xuất ý tưởng về một lớp phân
cách giữa vỏ ngoài và hệ thống khoan.
 Năm 1871, John R. Hill đã được cấp bằng sáng chế về “ Hạn chế
sự thâm nhập của tầng nước ngầm trong khoan giếng dầu”. Theo đó,
bằng sáng chế mô tả là sử dụng xi măng đổ vào lỗ khoan, tạo thành
lớp xi măng, sau đó, máy khoan sẽ khoan xi măng ở phần lõi để đưa
hệ thống khoan và thăm dò vào lỗ khoan, và sẽ hạn chế sự tham
nhập của dòng nước ngầm.
 Năm 1883, Wallace Hardison và Lyman Stewart lần đầu tiên

khoan và cho xi măng vào giếng, nhưng sớm thất bại vì xi măng
không đạt chất lượng, làm nước thâm nhập vào giếng.
 Năm 1903, Frank F. Hill lần đầu tiên sử dụng thành công xi
măng để cách ly tầng nước mở ra kỷ nguyên mới cho ngành khoan
dầu khí.
 Năm 1910, Almond A. Perkins đã sáng tạo ra phương pháp hai
ống bơm. Theo phương pháp của Perkins, sau khi khoan thì ống đầu
tiên sẽ hút bùn từ dưới giếng lên, và ống thứ 2 đưa dung dịch huyền
phù gồm nước và xi măng xuống giếng. Và theo cách này sẽ làm cho
tốc độ khoan tăng lên rất nhiều.
 Năm 1924, Erle Halliburton đã phát minh ra phương pháp trám
giếng dầu và khuấy trộn xi măng giếng khoan bằng máy trộn Jet,
máy trộn Jet làm tăng năng suất và tốc độ trám khá nhiều.

10


 Năm 1940, để khoan sâu hơn, đến khu vực nóng và điều kiện
khắc nghiệt hơn thì một nhóm nghiên cứu được dẫn đầu bởi Count
Hayden Roberts đã thêm chất phụ gia hóa học để gia cố cho xi măng
giếng khoan trong quá trình khoan

11


2.1.2. Khái niệm xi măng giếng khoan
Xi măng giếng khoan dầu khí là một loại của xi măng Portland
chuyên dùng, chuyên dùng trong ngành dầu khí. Nhằm mục đích giữ
vững ống thép, tránh hiện tượng áp suất tầng vỉa nống ép đất đá lấp
bít lỗ khoan, hạn chế sự dịch chuyển chất lỏng giữa các vùng thấm

và không cho nước chảy vào các tầng sản phẩm chứa dầu, bảo vệ và

chống ăn mịn
cho
chống
dưới
tácxidụng
Hình
2- 1ống
Vị trí
vành đá
trám
măng của
giếngnước
khoankhống.
2.2. PHÂN LOẠI VÀ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT XI MĂNG
GIẾNG KHOAN
2.2.1. Phân loại xi măng giếng khoan dầu khí:
Do sự thay đổi nhiệt độ trong giếng khoan tăng dần theo độ sâu
từ trên xuống (trung bình cứ xuống sâu khoảng 100m thì nhiệt độ
thay đổi tăng lên từ 2,3 – 3oC) và nhiệt độ của mỗi giếng khoan cũng
khác nhau dẫn đến việc sử dụng xi măng giếng khoan cũng khác
nhau. Xi măng giếng khoan được phân ra các loại để phù hợp với các
điều kiện như nhiệt độ, độ sâu, áp suất và các điều kiện khác của
giếng khoan.
Theo tiêu chuẩn Viện Dầu mỏ Hoa Kỳ (API) xi măng giếng khoan
được phân ra 9 loại: Thông thường, bền sulphat trung binh, bền
sulphat cao.
2.2.1.1. Loại A
 Là xi măng Portland thông thường (OPC)

12


 Được sử dụng ở giếng khoan có độ sâu 1830m tương ứng 74 oC
tính từ bề mặt và khơng yêu cầu đặc tính đặc biệt về tính chất.
Bảng 2- 1: Thành phần phụ gia hóa học cơ bản của loại A

STT

1

2

3

4

Hàm lượng

MgO

SO3

MKN

CKT

Giới hạn (%)

6

3,5

3

0,75

2.2.1.2 Loại B
STT

1

2

3

4

5

6

Hàm
lượng

Mg
O

SO

MKN CKT

Giới hạn
MSR (%)

6

3

3

0,7
5

8

-

Giới hạn
HSR (%)

6

3

3

0,7
5

3

24

3

Bảng 2- 2: Thành phần phụ gia hóa học cơ bản loại B

 Được sử dụng với giếng khoang có cùng độ sâu và nhiệt độ như
ở loại A,
 Xi măng loại B có độ bền sulfat trung bình hoặc bền sulfat cao.
2.2.1.3. Loại C
Bảng 2- 3: Thành phần phụ gia hóa học cơ bản loại C

ũ
n
g

STT

1

2

3

4

Hàm
lượng

Mg
O

SO

MKN CKT

5

6

C

3

Giới hạn 6
O (%)

4,5 3

0,7
5

15

-

Giới hạn 6
MSR (%)

3,5 3

0,7
5

8

-

Giới hạn 6
3,5 3
0,7 3
24
HSR (%)
5
được sử dụng ở giếng khoan có độ sâu 1830 m tính từ bề mặt
 Yêu cầu về cường độ cao ban đầu, khả năng chống sulphat
trung bình đến cao.
2.2.1.4. Loại D – E – F.
13


 Loại D:
 Được sử dụng ở giếng khoang độ sâu từ 1830 – 3050 m
với áp suất và nhiệt độ trung bình
 Cùng với yêu cầu chống sulphat trung bình và cao.
STT

1

2

3

4

5

6

Hàm lượng Mg
O

SO

MKN CKT

Giới hạn
MSR (%)

6

3

3

0,7
5

8

-

Giới hạn
HSR (%)

6

3

3

0,7
5

3

24

3

Bảng 2- 4: Thành phần phụ gia hóa học cơ bản loại D-E-F

 Loại E:
 Được sử dụng ở giếng khoang độ sâu 3050 – 4270 m áp
suất và nhiệt độ cao
 Yêu cầu bền sulphat trung bình và cao.
 Loại F:
 Được sử dụng ở giếng khoang có độ sâu từ 3050 – 4880 m

với áp suất cực cao
 Yêu cầu bền sulphat trung bình và cao.
2.2.1.5. Loại G và H
 Được sử dụng ở độ sâu từ 2440 m, là loại xi măng cơ bản và ổn
định được sử dụng nhiều nhất.
 Xi măng loại G và H được sử dụng trong tất cả các đều kiện
giếng khoan với yêu cầu bền sulphat trung bình và cao.
Bảng 2- 5: Thành phần phụ gia hóa học cơ bản loại G-H

STT

1

2

3

4

Hàm
lượng

Mg
O

SO

MKN CKT

Giới

hạn

6

3

5

6

7

8

8

-

4,8–
5,8

0,75

3

3

0,7
5

14


MSR
(%)
Giới
hạn
HSR
(%)

6

3

3

0,7
5

3

4,8–
6,5

24

0,75

2.2.2. Một số chỉ tiêu công nghệ đối với xi măng giếng
khoan:

Xi măng giếng khoan đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật ở mức cao hơn so
với xi măng thông thường, đặc biệt là về tính dẻo và tính ổn định từ
một mẻ sản phẩm.
Bảng 2- 6: Yêu cầu kỹ thuật và chỉ tiêu chất lượng của xi măng giếng khoan

STT

Chỉ tiêu chất lượng của Đơn vị Mức chất lượng
dung dịch xi măng

1

Dung trọng

2

Nhiệt độ làm việc

3

Cường độ uốn ở tuổi 2
ngày

Mpa

4

Thời gian đông kết

Phút

5

Bắt đầu

-

<95

6

Kết thúc

-

<1080

7

Thời gian đặc quánh

Phút

<90

8

Độ thấm khí

mĐ

<1

9

Độ chảy tỏa

cm

>19

10

Độ tách nước

%

<3,0

g/cm3

1,5 – 1,6
50 – 120
<1,2

2.2.3. Quy trình sản xuất xi măng giếng khoan
Xi măng giếng khoan là một dạng của xi măng portland, và cho
thêm các phụ gia cần thiết, nên sản xuất xi măng giếng khoan bằng
cách sử dụng quy trình sản xuất xi măng portland. Nhưng khác biệt
15

ở xi măng giếng khoan, là ở giai đoạn trộn phụ gia, ở xi măng giếng
khoan sẽ thêm các phụ gia như: Hematite, Barite, Magnetite,
Manganese tetraoxide, Ilmenite,… để gia tăng khả năng bền với môi
trường biển để khai thác dầu khí hay sử dụng vào mục đích khác
nhau để cho ra các loại xi măng khác nhau.

Hình 2- 2 Sơ đồ sản xuất xi măng giếng khoan
2.3. ỨNG
2.3.1.Ứng dụng xi măng Portland
Sản xuất bê tông cường độ cao phù hợp cho tất cả các cơng
trình dân dụng, cơng trình cơng nghiệp, cơng trình giao thơng, thủy
lợi.
2.3.2.Ứng dụng xi măng giếng khoan
Xi măng giếng khoan có vai trị rất quan trọng đối với công tác
gia cố giếng khoan và khai thác dầu khí. Xi măng chủng loại G được
sử dụng trám khoảng không gian vành xuyến (giữa thành giếng và

16


ống chống, giữa các cột ống chống), đổ cầu xi măng…trong các
giếng khoan dầu khí.
Trong q trình trám giếng, thành giếng khoan được giữ vững
nhờ sự cân bằng áp suất của cột dung dịch khoan và lớp xi măng
bao quanh thành giếng với áp suất vỉa. Vì vậy, để đảm bảo sự vững
chắc của thành giếng khoan một thời gian dài trong q trình thi
cơng và khai thác, cần phải có thành giếng khoan vững chắc (như
ống chống) và cách ly tốt. Xi măng khi trám giếng khoan với mục

đích là:
 Cách ly các tầng sản phẩm trong giếng khoan dầu khí, đặc biệt
là khơng cho nước chảy vào các tầng sản phẩm chứa dầu, hoặc
không cho dầu của tầng này chảy vào tầng khác.
 Bảo vệ chất lượng và trữ lượng của mỏ cũng như đảm bảo an
toàn cho cơng tác khai thác lâu dài.
 Chống ăn mịn ống chống do tác dụng của nước khống.
Để có được giếng khoan khai thác lâu dài, thì vật liệu trám giếng
có vai trị vơ cùng quan trọng. Khi trám vùng đáy, thân các giếng có
nhiệt độ cao, thì hồ xi măng nảy sinh một số vấn đề như: độ tách
nước lớn, thời gian đặc quánh ngắn, độ bền cơ học và độ bền xâm
thực giảm nhanh chóng. Vành đá xi măng sẽ làm xấu đi vai trò cách
ly giữa các tầng sản phẩm. Do đó, việc chống ống, bơm trám xi
măng tiếp theo và khai thác gặp nhiều khó khăn do có thể sẽ gặp
các sự cố.

Hình 2- 3 Xi măng G sử dụng bơm trám vành xuyên

17


Q trình thi cơng bơm trám xi măng giếng khoan được thực hiện như sau:
– Dung dịch đệm được bơm vào ống chống bên trên nút trám dưới.
– Dung dịch đệm đẩy nút trám dưới đi dần xuống. Khi hết thể tích dung dịch
đệm thiết kế, vữa xi măng được bơm vào qua đầu trám.
– Vữa xi măng đẩy dung dịch đệm và nút trám dưới xuống. Khi nút trám dưới
chạm vòng dừng, áp suất gia tăng sẽ làm thủng màng ngăn của nút trám
dưới, dung dịch đệm và xi măng thoát qua nút trám dưới, qua chân đế và lên
khoảng khơng vành xuyến.
– Khi đã bơm hết thể tích xi măng thiết kế, nút trám trên được thả ra. Dung dịch

đẩy sẽ đẩy nút trám trên và xi măng xuống.
– Nút trám trên chạm nút trám dưới, quá trình bơm trám kết thúc.
– Sau đó sử dụng mũi khoan chuyên dụng để phá vỡ xi măng và và các nút trám
và khoan xuống tầng dầu để khai thác.
Xi măng giếng khoan được sử dụng để làm chất phụ gia trong bê
tơng. Chúng góp phần nâng cao chất lượng bê tông và hạ giá thành
sản phẩm cuối cùng.
Tiêu chuẩn ASTM C 494 "Tiêu chuẩn về phụ gia hoá học cho bê
tơng".
Theo tiêu chuẩn này, phụ gia hố học chia thành 7 loại :
 Loại
 Loại
 Loại
 Loại
 Loại
 Loại
 Loại

A: phụ gia giảm nước.
B: phụ gia chậm rắn.
C: phụ gia rắn nhanh.
D: phụ gia giảm nước - chậm rắn.
E: phụ gia giảm nước - rắn nhanh.
F: phụ gia giảm nước tầm cao.
G và H: phụ gia giảm nước tầm cao - chậm rắn.

18


Xi măng G còn được dùng làm nền để pha thêm phụ gia tạo ra xi

măng D – E – F…
Ngồi ra, xi măng giếng khoan chủng loại G cịn có thể được sử dụng
trong xây dựng các cơng trình biển, cơng trình chịu xâm thực của
nước
chứa
nhiều
ion
sulfate.
Đây là
hiện
tượng
giãn nở
sulfate,
4 Cơng
biển chịu
xâm
thựchịa
bởi nước
biển Na2SO,
nguồn cungHình
cấp2-ion
SO42-trình
thường
là các
muối
tan như:
K2SO4, MgSO4... Những dung dịch muối này có thể tồn tại tự nhiên
trong nước biển, nước thải và đất ngầm. Các muối trên sẽ phản ứng
với thành phần khống sinh ra trong q trình thủy hóa của xi măng
(C3AH6) tạo thành khống Ettringite (cơng thức:

Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O) là một khống chất canxi nhơm sulfate
một loại khống khơng ổn định, có thể tích lớn hơn thể tích hợp chất
ban đầu, sẽ sinh ra nội lực phá vỡ cấu trúc bê tông.

19


Hiện nay, trên thế giới xi măng giếng khoan được sử dụng trong
điều kiện địa chất phức tạp, điều kiện môi trường khắc nghiệt tại các
vùng nước sâu. Khi trám xi măng qua địa tầng có dịng chảy nơng, xi
măng sử dụng phải đạt các yêu cầu: có khả năng làm kín thủy lực
bên ngồi ống chống, khơng cho phép chất lỏng di chuyển, đặc biệt
là tập muối chảy, tạo sự vững chắc cho cột ống chống, chống sự uốn
cong và ăn mịn, khơng gây vỡ vỉa trong q trình trám, độ bền đá xi
măng cao.

20


KẾT LUẬN
Qua kết quả nghiên cứu, nhóm nhận thấy xi măng giếng khoan
dầu khí là một loại xi măng thuộc xi măng Portland, do đó xi măng
giếng khoan dầu khí cũng khá giống với xi măng Portland. Trong qui
trình sản xuất xi măng Portland ở giai đoạn phối trộn clinker người ta
sẽ trộn các loại clinker để sản xuất ra loại xi măng giếng khoan dầu
khí mong muốn.
Xi măng giếng khoan có những ưu điểm như: tính dẻo, tính ổn
định cao, có độ bền sulfate cao do đó loại xi măng này có thể chịu
ảnh hưởng về cơ học, sự ăn mịn của khống ở các độ sâu khác
nhau. Loại xi măng này cũng có một số hạn chế như: sử dụng

nguyên liệu và quy trình sản xuất phức tạp, thời gian sản xuất lâu,
giá thành cao và gây ô nhiểm môi trường (chủ yếu do bụi và hạt xi
măng gây ra) trong quá trình sản xuất, ảnh hưởng đến sức khoẻ con
người.

21