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

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO

TRƯỜNGĐẠIHỌCMỎ-ĐỊACHẤT

TRƯƠNGHỒINAM

NGHIÊNCỨULỰACHỌNVỮATRÁM
CHOCÁCGIẾNGKHOANDẦUKHÍTRONGĐIỀUKIỆN NHIỆT
ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO BỂ NAM CƠN SƠN

LUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬT

HàNội-2015


TRƯƠNGHỒINAM

NGHIÊNCỨULỰACHỌNVỮATRÁM
CHOCÁCGIẾNGKHOANDẦUKHÍTRONGĐIỀUKIỆN NHIÊT
ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO BỂ NAM CƠN SƠN

Ngành:KỹthuậtDầukhí Mã
số:6 2 . 5 2 . 0 6 . 0 4

LUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬT
NGƯỜIHƯỚNGDẪNKHOAHỌC:

1. PGS.TSTrầnĐìnhKiên
2. TSNguyễnHữuChinh

HàNội-2015

1

LỜICAMĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất cứ một cơng trình nào khác ở trong và ngoài nước.

Tácgiảluậnán

TrươngHoàiNam


MỤCLỤC
Trang
LỜICAMĐOAN......................................................................................................................i
MỞĐẦU................................................................................................................................1
Chương 1. ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO TẠI BỂ NAM CƠN SƠN VÀ
ẢNHHƯỞNGĐỐIVỚICƠNGTÁCTRÁMXIMĂNGGIẾNGKHOAN.......................8
1.1 ĐặcđiểmđịatầngvàtrầmtíchbểNamCơnSơn......................................................................8
1.2 ĐặcđiểmnhiệtđộvàápsuấtcaoởbểNamCơnSơn...............................................................12
1.2.1. Kháiniệmvềnhiệtđộvàápsuấtcao.........................................................................12
1.2.2. NhiệtđộvàvàápsuấtcaoởbểNamCơnSơn..............................................................14
1.3. Ảnhhưởngcủanhiệtđộvàápsuấtcaođếncáctínhchấtcủavữavàđáximăng...........................19
1.4. ChấtlượngtrámximăngcácgiếngkhoantạibểNamCơnSơn...............................................27
1.5. Cáccơngtrìnhnghiêncứuvềximăngtrámgiếngkhoannhiệtđộvàápsuấtcao........................30
1.5.1. Cáccơngtrìnhnghiêncứuvềximăngởnhiệtđộvàápsuấtcao.....................................30
1.5.2. Cácloạiximăngtrámgiếngkhoancónhiệt độvàápsuấtcao.......................................31

Chương 2. LÝ THUYẾT VỀ ĐÔNG CỨNG VÀ TẠO ĐỘ BỀN CỦA ĐÁ XI MĂNG
TRONGĐIỀUKIỆNNHIỆTĐỘVÀÁPSUẤTCAO...................................................36
2.1. Cáctrạngtháivữaximăngtronggiếngkhoan......................................................................36
2.2. Đặctínhcủaximăngtrámgiếngkhoan...............................................................................39
2.3. Qtrình hóa-lýđóngrắn củavữaxi măng[9,19,46,48]....................................................41
2.4. Biệnphápchốngsuygiảmđộbềncủaximăngtrám.............................................................45
2.5. ẢnhhưởngcủaSilicađộbềnvàđộthấmcủaximăng............................................................47
2.5.1. Cácloạiphụgiasilica............................................................................................47
2.5.2. Ảnhhưởngcủasilicađếnđộbềnnénvàđộthấmcủaximăng........................................48
Chương 3. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VỮA VÀ ĐÁ XI MĂNG
TRONGĐIỀUKIỆNNHIỆTĐỘVÀÁPSUẤTCAO...................................................56
3.1. Xácđịnhkhốilượngriêngvữaximăngtrámgiếngkhoan.....................................................56
3.1.1. Kháiniệmkhốilượngriêngcủavữaximăng.............................................................56
3.1.2. Lựachọnphụgialàmnặngvữaximăng...................................................................59
3.1.3. Xácđịnhkhốilượngriêngcủavữaximăng...............................................................60
3.2. Thờigianquánh của vữaximăng.....................................................................................61
3.2.1. Kháiniệmthờigianquánh......................................................................................61
3.2.2. Thiếtbịđothờigianquánhcủavữaximăng...............................................................63
3.2.3. Xácđịnhthờigianquánhcủavữaximăng................................................................64
3.3. Độbềnnéncủađáximăng.................................................................................................69
3.3.1. Ýnghĩađộbềnnén.........................................................................................................69
3.3.2. Thiếtbịđođộbềnnéncủaximăngtrám.............................................................................70


3.3.3. Kếtquảthínghiệmđộbềnnéncủavữaximăngđóngrắn.....................................................71
3.4. Xácđịnhcáctínhchấtđànhồicủađáximăngtrongđiềukiệnnhiệtđộvàápsuấtcao78
3.4.1. Tínhchấtbiếndạngcủađáximăng...........................................................................78
3.4.2. Thiếtbịđocáctínhchấtđànhồi................................................................................79
3.4.3. Kếtquảthínghiệm.................................................................................................79
3.5. Độrỗngvàđộthấm củađáximăng.....................................................................................81

3.5.1. Độrỗngcủađáximăng...........................................................................................81
3.5.2. Độthấmcủađáximăng..........................................................................................82
Chương4.THỬNGHIỆMVỮAXIMĂNGTRÁMCỘTỐNGCHỐNGKHAITHÁC
5½”GIẾNGKHOANTẠIBỂNAMCƠNSƠN............................................................86
4.1. ĐặcđiểmcấutrúcgiếngkhoandầukhíbểNamCơnSơn........................................................86
4.2. Sơlượccơngnghệb ơ m trámximănggiếngkhoan.............................................................88
4.3. Thiếtkếhệvữaximăngtrámcộtốngchốngkhaithác5½”......................................................88
4.3.1. Các ucầuthiếtkếvữaximăng..............................................................................88
4.3.2. Ximăngnền..........................................................................................................89
4.3.3. Cácphụ giaximăng[28b]......................................................................................91
4.4. Đơnphachếvữaximăngtrámcộtốngchốngkhaithác..........................................................94
4.4.1. Thànhphầnximăngvàphụgia........................................................................................94
4.4.2. Cácthơngsốcủavữaximăng..........................................................................................95
4.5. Đánhgiáchấtlượngvữatrámximăng...............................................................................97
KẾTLUẬN.........................................................................................................................100
KIẾNNGHỊ.........................................................................................................................102
DANHMỤCMỘTSỐCƠNGTRÌNHĐÃCƠNGBỐCỦATÁCGIẢ.....................................103
TÀILIỆUTHAMKHẢO......................................................................................................105
PHỤLỤC............................................................................................................................111


DANHMỤCCÁCKÝHIỆU,CÁCCHỮVIẾTTẮT

a

Hệsốdịthường

API

AmericanPetroleumInstitute(ViệnDầumỏHoakỳ)

CBL

Cement Bond Log (Biểu đồ gắn kết xi

măng)CSR-100L

Cement Retarder (Phụ gia chậm ngưng

kết)CFR-3L

CementFrictionReducer(Phụgiagiảmmasát)

Ex-HPHT

ExtremeHighPressureHighTemperature(HPHTrấtcao)

gps

gallonpersack(đơnvịđothểtích/bao)

HPHT

HighPressureHighTemperature(Ápsuấtcaonhiệtđộcao)

h.m

hour.minute(giờ,phút)

KGVX

Khơnggianvànhxuyến

KLXM

Khốilượngximăng

m

Mét

mD
MD

MiliDarcy
Chiềusâuđo(MeasuredDepth)

MPRO
MechanicalPropertiesAnalyzer(Máyphântíchtínhchấtcơhọc)NĐ&ASC

Nhiệt độ và

áp suất cao
N/XM
pnv

Nước/Ximăng
Ápsuấtnứtvỉa

pv

Ápsuấtvỉa

ppg

Poundspergallon

SG

Specificgravity(Tỷtrọng)

SSA-1

Strength-StabilizingAgent(Phụgiaổnđịnhcườngđộ)

UCA

UltrasonicCementAnalyzer(Máyphântíchximăngbằngsiêm) Ultra

HPHT

Ultra High Pressure High Temperature (Siêu HPHT)

VDL

Variable density log (Biểu đồ độ rỗng biến

thiên)VNIIKRNEFTI ViệnnghiêncứukhoahọcdầumỏKrasnodar(LiênbangNga)WOC
Wait on cement (Thời gian chờ xi măng đóng rắn)
XM

Ximăng

YEK

Đơnvịđođộquánhquyước


DANHMỤCCÁCBẢNG
Trang
1.

Bảng1.1.Bảngphâncấpnhiệtđộvàápsuấtcao(theoHalliburton,BakerHughes)

18

2.

Bảng1.2.Tỉlệgắnkếtximăngtrong cácgiếngkhoanbểNamCơnSơn

29

3.

Bảng1.3.ĐặctínhkỹthuậtcácloạiximăngbềnnhiệtcủaLiênbangNgasảnxuất

32

4.

Bảng2.1.Cácthànhphầnkhốngchínhcủaximăng

39

5.

Bảng2.2.Đ ộ bềnnéncủađáximăngtheohàmlượngsilica

48

6.

Bảng2.3.Đ ộ bềnnén củahỗnhợpximăng+35%SSA-1

49

7.

Bảng2.4.Đ ộ thấmcủahỗnhợpximăng+35%SSA-1

51

8.

Bảng2.5.Tổnghợpkếtquảthínghiệmxácđịnhđộbềnnén

53

9.

Bảng3.1.K h ố i lượngriêngvữaximăngtrongcácđiềukiệnápsuấtvànhiệtđộ.

59

10.

Bảng3.2.Đơnphachếvữaximăngtrámgiếngkhoannhiệtđộvàápsuấtcao.

62

11.

Bảng3.3. Bảngtổnghợpthờigianquánhcủavữaximăng

63

12.

Bảng3.4.Bảngtổnghợp độbềnnéncủavữaximăng

70

13.

Bảng3.5.Độ rỗngvàđộ thấmcủađáximăng

82

14.

Bảng4.1.Đơnphachếvữaximăng

93

15.

Bảng4.2.Cácthôngsố côngnghệcủavữaximăng

94


DANHMỤCCÁCHÌNHVẼ
Trang
1.

Hình1.1.SơđồbểNamCơnSơn

8

2.

Hình1.2.CộtđịatầngtổnghợpbểNamCơnSơn

11

3.

Hình1.3.Bảngphâncấpnhiệtđộvàápsuấtcao(theoHalliburton,BakerHughes)

13

4.

Hình1.4.SơđồápsuấtdịthườngtrongtrầmtíchMiocenegiữavàdưới

14

5.

Hình1.5.SơđồápsuấtdịthườngtrongtrầmtíchMiocenetrên

15

6.

Hình1.6.Biểuđồ phânbốápsuất cáclơ04,05

16

7.

Hình1.7.Biểuđồphânbơápsuấtnứtvỡvỉa

16

8.

Hình1.8.Biểuđồphânbốnhiệtđộápsuấtlơ04,05

18

9.

Hình1.9.PhâncấpnhiệtđộvàápsuấtcaobểNamCơnSơn.

19

10.

Hình1.10Ảnhhưởngcủanhiệtđộvàápsuấtđến thờigianngưngkết

22

11.

Hình1.11.Tỷlệgắnkếtximăngtheonhiệtđộ

28

12.

Hình1.12.Chấtlượnggắnkếtximăngtheotừngnhàthầudịchvụ

28

13.

Hình2.1.Sơđồtrámximănggiếngkhoandầukhí

35

14.

Hình2.2.Cáctrạngthái phacủavữaximăngtronggiếngkhoan

36

15.

Hình2.3G i ả n đồphakhốngvật hệCaO-SiO2-H2O

42

16.

Hình2.4.Độbềnnéncủađáximăngởcácnhiệt độkhácnhau

43

17.

Hình2.5Đ ộ bềnthấmkhí phụthuộcvàonhiệtđộvàthờigianđóngrắn

43

18.

Hình2.6.Sơđồtạophakhốngmớicủaximăngtrám

45

19.

Hình2.7.Độbềnnén phụthuộcvàocỡhạtởnhiệtđộkhácnhau

47

20.

Hình2.8.Độthấmphụthuộcvàocỡhạtởnhiệtđộkhácnhau

47

21.

Hình2.9.ĐộbềncủađáximăngphụthuộcvàohàmlượngSSA-1

48

22.

Hình2.10.Độbền néncủaximăng+35%Silicacó khốilượngriêngvữa1,905g/cm3

50

23.

Hình2.11.Độbền néncủaximăng+35%Silicacó khốilượngriêngvữa2,04g/cm3

50

24.

Hình2.12.Độthấmcủaximăng+35%Silicacókhốilượngriêngvữa1,905g/cm3

51

25.

Hình2.13.Độthấmcủa ximăng+35%Silicacókhốilượngriêngvữa2,04g/cm3

52

26.

Hình3.1.B i ể u đồgradpv,gradpnvbểNamCơnSơn

57

27.

Hình3.2.K h ố i lượngriêngvữatheotỷlệNước/Ximăng

59

28.

Hình3.3.M á y đo độquánh Fann290HPHT

62

30.

Hình3.4.ThờigianquánhcủavữaXMở1250C,ápsuất67MPa.

63


31.

Hình3.5.ThờigianquánhcủavữaXMở1350Cvàápsuất66,59MPa

64

32.

Hình3.6.ThờigianquánhcủavữaXMở1400Cvàápsuất75,80MPa

64

33.

Hình3.7.ThờigianquánhcủavữaXMở1770Cvàápsuất93,1MPa

65

0

34.

Hình3.8.ThờigianquánhcủavữaXMở150 Cvàápsuất88,88MPa

65

35.

Hình3.9.ThờigianquánhcủavữaXMở1 5 5 0Cvàápsuất84,68MPa

66

36.

Hình3.10.ThờigianquánhcủavữaXMở1770Cvàápsuất103,4MPa

66

37.

Hình3.11.ThiếtbịxácđịnhđộbềnnénbằngsiêuâmUCA

69

38.

Hình3.12.Sơđồnguyên lýlàmviệccủathiếtbịUCA

69

39.

Hình3.13.Đ ộ bềnnéncủavữaXMở1700Cvàápsuất20,67MPa.

70

40.

Hình3.14.ĐộbềnnéncủađáXMở155oCvàáp suất20,67MPa.

71

41.

Hình3.15.Đ ộ bềnnéncủađáXMở155oCv à ápsuất20,67MPa.

71

42.

Hình3.16.Đ ộ bềnnéncủađáXMở170oCvàáp suất20,67MPa.

72

43.

Hình3.17.Đ ộ bềnnéncủađáXMở177oCvàáp suất93,10MPa

72

44.

Hình3.18.Đ ộ bền néncủađáXMở180oC vàápsuất20,67MPa.

73

45.

Hình3.19.Đ ộ bềnnéncủađáXMở190oCv à ápsuất103,4MPa.

73

46.

Hình3.20.M ẫ u lõiximăngtheođơnpha chế1

75

47.

Hình3.21.M ẫ u lõiximăngtheođơnphachế2

75

48.

Hình3.22.ThiếtbịđocáctínhchấtcơhọccủađáximăngMPRO

76

49.

Hình3.23.Đ ồ thịcác thơngsốđànhồicủacủađáximăng

78

50.

Hình3.24.M á y đo độrỗngcủađáximăng.

80

51.

Hình3.25.M á y đođộ thấmcủađáximăng

81

52.

Hình4.1.Cấutrúcgiếngkhoanlơ05b ể Nam CơnSơn

85

53.

Hình4.2.Cấutrúcgiếngkhoan

85

54.

Hình4.3.HệximăngbềnnhiệtchođiềukiệnbểNamCơnSơn

92

56.

Hình4.4.BiểuđồCBL,VDLgiếngkhoan

97


PHỤLỤC
Phụlục1:TổnghợpcáckếtquảthínghiệmvềsựảnhhưởngcủaHPHTđếnthờigian
quánhcủahệvữatrámgiếngkhoan
Phụlục2:Đ ơ n phachếchothínghiệmđộquánhởnhiệtđộ375oF
Phụlục3:K ế t quađothờiquánhcủavữatại375oF
Phụlục4:Đ ơ n phachếvữaximăngsố1
Phụlục5:K ế t quảđothờigianquánhvàđộbềnnénđơnphachếsố1
Phụlục6.Đ ơ n phachếvữaximăngsố2
Phụlục7:K ế t quảđothờigianquánhvàđộbềnnénđơnphachếsố2
Phụlục8:Đ ơ n phachếvớichấtlàmnặnglàHi-Dense4
Phụlục9:Đ ơ n phachếvớichấtlàmnặnglàBarite
Phụlục10:SosánhsựsuygiảmximăngkhidùngSSA-1SilicaFlourvà CoarseSilica


1

MỞĐẦU
1. Tínhcấpthiếtcủađềtài
Tiềm năng dầu khí của bể Nam Cơn Sơn tới nay đã phát hiện khoảng

215 triệu tấn quy dầu (khí chiếm ưu thế), tiềm năng chưa phát hiện của bể
Nam Côn Sơn khoảng 60 triệu tấn quy dầu (chủ yếu là khí), chiếm hơn 40%
trữ lượng tiềm năng cịn lại của thềm lục địa Việt Nam. Trong giai đoạn tới,
phần lớn gia tăng trữ lượng sẽ phải dựa vào tài ngun của bể Nam Cơn Sơn,
đây là bể có triển vọng và có tiềm năng dầu khí lớn đứng thứ 2 của Việt Nam
sau bể Cửu Long và chứa khí nhiều hơn dầu.
Cơng tác tìm kiếm thăm dị dầu khí tại bể Nam Cơn Sơn đã bắt đầu từ
những năm 1970 của thể kỷ trước. Trải qua 40 năm, đến nay trên 150 giếng
khoan thăm dò, thẩm lượng và phát triển khai thác đã được thi công tại khu
vực này.
Bể Nam Cơn Sơn có các điều kiện địa chất - kỹ thuật phức tạp, nước
sâu, 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 dị
thường đạt 1,7-2,0.
Tại bể Nam Cơn Sơn, trong q trình bơm trám xi măng, đã xảy ra sự
cố nghiêm trọng, vữa xi măng trám khơng ép được vào khơng gian vành
xuyến ngồi cột ống mà ngưng kết ngay trong cột ống khai thác. Nghiêm
trọngnhấtlàsựcốtrámxi măngcộtốngchống75/8”,vữaximăngkhơngthể ép ra
ngồi vành xuyến, tồn bộ lượng xi măng nằm trong ống chống từ 1.743m 4.510m. Ngoài ra, chất lượng gắn kết của vành đá xi măng với cột ống chống và
với thành hệ địa chấtt r o n g m ộ t s ố g i ế n g k h o a n đ ạ t t ỉ l ệ t h ấ p .
Những sự cố trên đã ảnh hưởng đến chất lượng thi công
giếng,

tốn

kém

thời

v à vậttưthiếtbị,giảmtuổithọcủagiếng,tiềmẩnnguy cơxâmnhậpkhí

gian


-m ột t r o ng nh ữ n g dạngphứ c tạpnguy hiểmnhấtvàphổbiếnnhất, thường
dẫnđếnsựcốnghiêmtrọng,
Một trong những nguyên nhân làm giảm chất lượng trám xi măng là
thiết kế đơn pha chế vữa xi măng trám chưa hợp lý, thiếu các phụ gia chuyên
dụng, 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 giếng
khoan đã thi công và tiến hành nghiên cứu thiết kế một hệ vữa xi măng trám
giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Cơn Sơn, góp
phần nâng cao hiệu quả và chất lượng công tác trám xi măng là một trong
những công đoạn quyết định đến việc thi công các giếng khoan khai thác dầu
khí, là nhiệm vụ cấp thiết, với ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn phục vụ cho
chiến lược thăm dị khai thác dầu khí tại bể Nam Cơn Sơn.
2. Mụcđích,yêucầun g h i ê n cứucủađềtài
Nghiên cứu thiết kế (lập đơn pha chế) hệ vữa xi măng để trám
cácg i ế n g khoanthămdịkhaitháctrongđiềukiệnnhiệtđộvàápsuấtcaobểNam Cơn
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. Đốitượngvàphạmvinghiêncứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là lựa chọn xi măng nền, phụ gia ổn
định độ bền của xi măng, chất làm nặngv à

các

phụ

gia

hoá

c h ấ t đ ể l ậ p đ ơ n p h a c h ế và xác định các thơngsố cơngnghệ của
vữaxi

măng

đểtrámxi

chokhoảngkhơngvànhxuyếngiữacộtốngchốngkhaithác5½”tronggiếng

măng


khoan và hệ tầng chứa vỉa sản phẩm có nhiệt độ đến 180 0Cvàgradien áp suất
vỉa 2MPa/100m tại bể Nam Cơn Sơn.
4. Cácnhiệmvụnghiêncứucủađềtài
- Tổng hợp và phân tích các đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam
Côn Sơn và phân tích ảnh hưởng đến các tính chất lý - hố 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 khối
lượng 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, hệs ố
Poisson, độ thấm) của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ
và áp suất cao.

- Lựa chọn (phẩmchất, đặc tính cơng nghệ) cácphụ gia chuyên dụng; lập
công thức (thành phần, hàm lượng) đơn pha chế vữa xi măng, xác định các
thông số công nghệ của vữa trám cho cột ống chống khai thác đường kính5 ½ ”
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. Phươngphápnghiêncứu
Nghiên cứu thiết kế đơn pha chế vữa xi măng trám giếng khoan
cón h i ệ t đ ộ v à á p s u ấ t c a o t r o n g đ i ề u k i ệ n b ể N a m C ô n S ơ n
t i ế n h à n h t h e o 3 bước:
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 đánh
gia 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 bằng
phươngp h á p k h ô n g p h á h ủ y t r ê n c á c t h i ế t b ị t h í n g h i ệ m h i ệ n đ
ạ i UCA,


MPRO-môphỏngđiềukiệnápsuấtcaovànhiệtđộcaotronggiếngkhoan
vàtheothờigianthực.
c. Thử nghiệm công nghiệp: Áp dụng thử nghiệmkết quả nghiên cứu vào
đơn pha chế xi măng trám cột ống chống khai thác giếng khoan tại bể Nam
Côn Sơn và phân tích, đánh giá hiệu quả trám xi măng giếng khoan bằng đo
địa vật lý giếng CBL, VDL.
6. Nhữngđónggópmớicủaluậnán
⚫ 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, phân
tích và chỉ rõ ảnh hưởng của điều kiện áp suất nhiệt độ cao đến công tác bơm
trám xi măng và hiệu quả xây dựng giếng khoan, làm cơ sở cho việc lựa chọn

xác định công thức pha chế vữa xi măng
⚫ Nghiêncứucáctínhchấtcơngnghệcủavữavà các tínhchấtcơhọcđá
xi măng (độ bền nén, modun Young, hệ số Poisson) trên các thiết bị UCA và
MPRO, cho phép mô phỏng các điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao và theo
thời 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 chịu
nhiệt củahệxi măngchođiềukiệntrámcác giếngkhoannhiệtđộ caobểNam Côn
Sơn khi sử dụng phụ gia là silica nghiền.
⚫

Đềxuấtcôngthứcvàthànhphầnđơnpha chế bơmtrám vàxác địnhcác

thông số công nghệ của vữa dựa trên tổng kết kinh nghiệm thi công các giếng
khoan, các kết quả thí nghiệm, để trám xi măng cho các giếng khai thác với
cấp ống khai thác 5½” trong khoảng nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn
Sơn và áp dụng vào một số giếng khoan khác, cải thiện được chất lượng trám
giếng khoan.


7. Ýnghĩakhoahọcvàthựctiễncủaluậnán
⚫ Cáckếtquảnghiêncứudựatrênlýthuyếtvềsựbiếnđổitínhchấthóa lý và tái
kết tinh của xi măng dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất cao, đề xuất biện
pháp chống sự suy thoái độ bền và giảm độ thấm của xi măng.
⚫ Đơnphachếđãđượckiểmchứngvàcótínhthựctiễncao,gópphần
vào 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 hệ
trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn.
8. Nhữngluậnđiểmkhoahọc
Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Cơn Sơn, các u
cầu 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
vữap h ả i t ư ơ n g đ ố i c a o đ ể đ i ề u h ò a á p s u ấ t d ị t h ư ờ n g c a o .
⚫Tạibể Na m CônS ơ n , nhiệtđột ĩ nh t r on g gi ếngđạt 1 4 9 - 1 8 0 0Cvàáp
suất vỉa đạt 72,35 MPa, khi sử dụng xi măngm á c G l à m x i m ă n g n ề n ,
nhất thiết 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 thiện modun 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 ngưng kết, phụ gia giảm ma sát, phụ gia
giảm độ thải nước và phụ gia làm nặng.
⚫Trongđiềuki ệnbể Na m CônSơn, trongc á c đi ều ki ện áp suất vỉ a dị
thường cao đồng thời nhiệt độ cao, yêu cầu áp suất thủy tĩnh của vữa xi măng
trámtươngđối caođể cânbằngápsuấtvỉa.Đểđạt khốilượngriêngvữatrong khoảng
từ 2,01g/cm3đến 2,22g/cm3, chọn các phụ gia làm nặng Hi-Dense 4 với hàm
lượng 40% và phụ gia làm nặng MicroMax với hàm lượng 25% là hợp 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. Cơsởtàiliệukhoahọccủaluậnán
Luậnánđượchìnhthànhtrêncơsởcáctàiliệu:
- 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: 05-3-MT-2X; 05-3-MT-6P; 05-3-MT1P; 05-3-MT-3P; 05-2-HT-1P; 05-2-6P; 05-1c-DN-2X, 05-1c-DN-1X.
- Các kết quả thí nghiệm về vữa xi măng tại Phịng thí nghiệm
Halliburton Vũng Tàu, Halliburton Pune (Ấn Độ).
10. Bốcụccủaluậnán
Luận án gồm: Mở đầu, 04 chương chính,kết luận vàkiến nghị,cácphụ

lục, danh mục tài liệu tham khảo và các cơng trình khoa học. Tồn bộ nội
dungluậnánđượctrìnhbàytrong119trangA4,với 56hìnhvẽ,15biểubảng, 10 phụ
lục, 13 danh mục các cơng trình khoa học của NCS đã công bố và 53 đầu mục
tài liệu tham khảo.
11. Lờicảmơn
Luận ánđượcthựchiện tại Bộ môn Khoan -Khaithác,TrườngĐại học Mỏ Địa chất dưới sự hướng dẫn trực tiếp của NGƯT.PGS.TS Trần Đình Kiên và
TS. Nguyễn Hữu Chinh.
Trong quá trình nghiên cứu và viết báo cáo, NCS thường xuyên nhận
được sự giúp đỡ nhiệt tình của các cán bộ giảng dạy thuộc Bộ môn Khoan Khai thác cùng với sự quan tâm khích lệ củat ậ p t h ể c á n b ộ P h ò n g Đ à o
tạosau đại học Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Sự sâu sát,
cụ

thể

và

góp

những

ý

k i ế n qbáuvềbố

cục,hìnhthứcvànộidungluậnánđãtạocơsởquan trọng cho NCS hồn thành luận
án đúng hạn và chất lượng hơn.
Tácgiảxintỏlỏngbiếtơnvìnhậnđượcsựgiúpđỡnhiệttìnhcủacác
chungiaViệnNCKH&TKDầukhíbiển-VietSovPetro;cáccánbộPhịng

thí nghiệm Xi măng của các Cơng ty Halliburton, Schlumberger, BJ Services
đã tạo điều kiện cho tác giả tiến hành các thí nghiệm.
Tácgiảtỏlịngcảmơn

LãnhđạoTậpđồnDầukhíViệtNam,BanTìm

kiếmThămdịDầukhí-TậpđồnDầukhíViệtNam,CơngtyĐiềuhànhDầu khí Biển
Đơng (Biển Đơng POC), Cơng ty Thăm dị Khai thác Dầu khí trong nước
(PVEP POC), Cơng ty Idemitsu Vietnam, các Ban và Phòng chức năng thuộc
Tập đồn 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 đồng
nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi, động viên và cổ vũ cho tác giả trong quá
trình triển khai thực hiện luận án tiến sĩ.
Tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành cảm ơn những người
thân trong gia đình đã khích lệ, động viên và là nguồn động lực rất lớn để tác
giả yên tâm triển khai công tác nghiên cứu của mình. Nếu khơng có sự quan
tâm, khích lệ và động viên của gia đình, chắc chắn tác giả khơng thể hoàn
thành được bản luận án này.


Chương1.ĐẶCĐIỂMNHIỆTĐỘVÀÁPSUẤTCAOTẠIBỂNAMCƠN
SƠNV À ẢNHHƯỞNGĐỐIVỚICƠNGTÁC
TRÁMX I MĂNGGIẾNGKHOAN
1.1

Đặcđiểmđịa tầngvàtrầmtíchbểNamCơnSơn
Bể Nam Nam Cơn Sơn (hình 1.1) có diện tích gần 100.000km 2. Ranh

giới phía bắc của bể là đới nâng Cơn Sơn, phía Tây và Nam là đới nâng
Khorat - Natuna, về phía Đơng là bể Tư Chính - Vũng Mây và phía Đơng Bắc là bể Phú Khánh. Độ sâu nước biển trong phạmvi của bể nàythayđổi rất

lớn, từ vài chục mét ở phía Tây đến hơn 1.000m ở phía Đơng [4,7].

Hình1.1.Sơđồbể NamCơnSơn


Trên cơ sở các thông số về chiều dày, thành phần và sự phân bố trầm
tích, địa tầng, trầm tích của bể Nam Cơn Sơn có thể chia như sau (hình 1.2).
ThànhtạotrướcKainozoi
Ở bể Nam Cơn Sơn gặp đá móng khơng đồng nhất bao gồm: granit,
granodiorit, diorit và đá biến chất, tuổi của các thành tạo này có thể là Jura
muộn-Creta.NằmkhơngchỉnhhợptrênmónglàlớpphùtrầmtíchPaleogen
- ĐệTứcóchiềudàybiếnđổi từhàngtrămđếnhàngnghìnmét.
CácthànhtạoKainozoi
- Hệ tầng Cau(E3c- 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 đến
hàng nghìn mét, gồm phần dưới: cát kết hạt mịn đến thô, sạn kết, cuội kết, có
chứa các mảnh vụn than; phần giữa chủ yếu là cácthành phần hạt mịn các tập
sét kết; phần trên, gồm cát kết hạt nhỏ, xen kẽ bột kết, sét kết.
Đặc điểmtrầmtíchchứngtỏhệtầng Cauđượchìnhthànhtronggiaiđoạn đầu tạo
bể. Hệ tầng Cau phủ khơng chỉnh hợp trên móng trước Đệ Tam và được định
tuổi là Oligocen.
- Hệ tầng Dừa(N11d- 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 sét
kết. Các trầm tích hầu như mới bị biến đổi thứ sinh ở mức độ thấp. Vì
vậy,đ ặ c t í n h t h ấ m v à c h ứ a n g u y ê n s i n h c ủ a đ á c h ứ a r ấ t b ị
ảnh hưởng. Một số tập cát kết của hệ tầng được coi là
tầng chứa trung bình đến tốt với độ rỗng thay đổi từ
17÷23% và độ thấm từ vài chục mD đến vài trăm mD.
Trầm tích hệ tầng Dừa được thành tạo trong điều kiện địa

hình cổ gần như bằng phẳngh o ặ c c ó p h â n c ắ t k h ô n g
đáng kể. Chiều dày của hệ tầng Dừa thay đổi
từ 200÷800m, cá biệt có nơi dày tới 1.000m.


- Hệ tầng Thông – Mãng Cầu (N12tmc),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 giữa
các lớp đá có màu xám sáng hoặc màu sữa với các lớp sét, bột kết, cát
kết.C á c trầmtíchlụcngun,lụcngunchứavơipháttriểnmạnhdầnvềphíarìa Bắc
và phía Tây - Tây
Namcủa bể. Trầmtích của hệ Thơng - Mãng Cầu mới bị biến đổi thứ sinh
nên các tập cát kết có khả năng chứa tốt. Đá carbonat phát triển khá rộng rãi,
đặcbiệt tại các lơ 04,05,06…Trầmtích của hệ tầng Thơng - Mãng Cầu được
thành tạo trong môi trường đồng bằng châu thổ chủ yếu ở phía Tây. Chiềud à y
trầm tích thay đổi từ vài mét đến vài trăm mét và nằm
chỉnh hợp trên hệ tầng Dừa.
-Hệ tầng Nam Côn Sơn (N13ncs) -Miocen trên,p h â n b ố r ộ n g r ã i v ớ i
tướng đá thay đổi mạnh các khu vực khác nhau. Ở rìa phía
Bắc và Tây - Tây Nam trầm tích chủ yếu là lục ngun,
gồm sét kết, sét vơi. Cát kết có độ lựa chọn và mài tròn
tốt. Ở vùng Trung tâm bể, mặt cắt gồm có các trầm tích
lục ngun và carbonat xen kẽ. Hệ tầng Nam Cơn Sơn có
bề dày 200÷600m và nằm bất chỉnh hợp trên hệ tầng
Thông - Mãng Cầu.
-Hệ tầng Biển Đông (N2- Qbd) - Pliocen - Đệ Tứ, không chỉ phân bố
trong bể Nam Côn Sơn mà trong tồn khu vực Biển Đơng liên quan đến biển
tiến Pliocen. Trầm tích Pliocen gồm cát kết lẫn sét kết nhiều vơi chứa nhiều
gluconit. Trầm tích Đệ Tứ gồm cát gắn kết yếu, xen kẽ với sét và bùn chứa
nhiềuditíchsinhvậtbiển.HệtầngBiểnĐơngthayđổirấtlớntừvàitrămmét đến vài

nghìn mét, nằm bất chỉnh hợp trên hệ tầng Nam Cơn Sơn.
Cáctíchtụhydrocacbon
ỞbểNamCơnSơ n, dầukhíđượcphát hiệnđầutiêntạigi ếng khoan
Dừa-1Xvàonăm1975.TậpđồnDầukhíViệtNamđãđưađược3mỏvào