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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT


TRƢƠNG HOÀI NAM




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


Ngành: Kỹ thuật Dầu khí
Mã số: 62.52.06.04



TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT






Hà Nội – 2015

Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Khoan - Khai thác, Khoa Dầu khí,
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội


Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Trần Đình Kiên - Trường Đại học Mỏ - Địa chất;
2. TS. Nguyễn Hữu Chinh - LD Dầu khí Việt Nga “VietsovPetro”

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Sỹ Ngọc
Trường Đại học Giao thông vận tải
Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Ngọ
Tổng Công ty Dung dịch khoan và Hóa phẩm dầu khí
Phản biện 3: TS. Lê Bá Tuấn
Công ty Thăm dò Khai thác dầu khí trong nước

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá cấp Trường, họp tại
Trường Đại học Mỏ - Địa chất, phường Đức Thắng, quận Bắc Từ Liêm, Hà
Nội, vào hồi giờ ngày tháng năm 2015.




Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc gia, Hà Nội
hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất.

1



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bể Nam Côn Sơn là bể có triển vọng và tiềm năng dầu khí lớn đứng
thứ 2 của Việt Nam sau bể Cửu Long. Tuy nhiên, tại đây có các điều kiện
địa chất - kỹ thuật phức tạp, nước sâu, đặc biệt tại khu vực Đông - Bắc xuất
hiện các tầng chứa có nhiệt độ và áp suất cao, gradien địa nhiệt bằng
4
0
C/100 m, hệ số áp suất dị thường đạt 1,7-2,0.
Tại bể Nam Côn Sơn, trong quá trình bơm trám xi măng, đã xảy ra
những sự cố nghiêm trọng, vữa xi măng không ép được vào không gian
vành xuyến ngoài cột ống mà ngưng kết ngay trong cột ống hàng nghìn
mét; chất lượng của vành đá xi măng trong giếng đạt tỉ lệ thấp, tiềm ẩn
nguy cơ xuất hiện khí - một trong những dạng phức tạp nguy hiểm nhất và
phổ biến nhất, thường dẫn đến sự cố ảnh hưởng đến công tác thăm dò và
khai thác dầu khí.
Trong thời gian tới, một số cấu tạo nằm trong khu vực bể Nam Côn
Sơn sẽ tiến hành phát triển khai thác. Việc nghiên cứu thiết kế một hệ vữa
xi măng trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, để nâng
cao 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 dò
- khai thác dầu khí tại bể Nam Côn Sơn.
2. Mục đích, yêu cầu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu thiết kế hệ vữa xi măng tối ưu để trám các giếng khoan

trong các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn, bảo đảm
chất lượng cách ly tốt nhất các tầng sản phẩm trong giếng khoan, ngăn chặn
sự xâm nhập khí, chống sự ăn mòn của nước dưới đất, giảm quá trình ngập
nước vào các tầng sản phẩm.

2



3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Lựa chọn xi măng nền, phụ gia ổn định độ bền của xi măng, các chất
làm nặng, các phụ gia hoá chất để lập đơn pha chế; xác định các thông số
công nghệ của vữa xi măng để trám xi măng cho khoảng không vành xuyến
giữa cột ống chống khai thác trong giếng khoan và hệ tầng đất đá chứa vỉa
sản phẩm có nhiệt độ đến 180
0
C và gradien áp suất vỉa 2MPa/100m tại bể
Nam Côn Sơn.
4. Các nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài
- Tổng hợp, phân tích các đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam
Côn Sơn và ảnh hưởng đến các tính chất của xi măng trám giếng khoan; các
biện pháp nâng cao chất lượng của của đá xi măng.
- Nghiên cứu một số tính chất của vữa và đá xi măng trong điều kiện
nhiệt độ và áp suất cao.
- Lựa chọn vật liệu, các phụ gia chuyên dụng, lập đơn pha chế và xác
định các thông số công nghệ của vữa trám cột ống chống trong khoảng
chiều sâu nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn; đánh giá chất lượng
trám giếng khoan theo các biểu đồ đo địa vật lý giếng khoan.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
a.  Tổng hợp, phân tích tài liệu thực tế về vữa xi

măng nhiệt độ và áp suất cao các mỏ dầu khí trên thế giới và chất lượng
bơm trám xi măng các giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn.
b. : Xác định các tính chất của vữa và đá xi
măng bằng phương pháp không phá hủy trên các thiết bị thí nghiệm UCA,
MPRO.
c.     đơn pha chế vữa xi măng trám cột ống
chống khai thác giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn và đánh giá chất lượng
trám xi măng giếng khoan.


3



6. Những đóng góp mới của luận án
 Đã tổng kết các đặc điểm áp suất dị thường cao và nhiệt độ cao, lập
bảng phân cấp nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn. Phân tích ảnh
hưởng của chúng đến các tính chất của vữa và hiệu quả công tác bơm trám
xi măng, làm cơ sở cho việc lựa chọn xác định công thức pha chế vữa xi
măng.
 Nghiên cứu các tính chất công nghệ của vữa và các tính chất cơ học
của đá xi măng trên các thiết bị UCA và MPRO, cho phép mô phỏng các
điều kiện nhiệt độ và áp suất cao 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 bền nhiệt của hệ xi măng cho điều
kiện trám các giếng khoan nhiệt độ cao bể Nam Côn Sơn.
 Kết hợp kinh nghiệm thực tiễn với với các kết quả thí nghiệm đã đề
xuất công thức và lập đơn pha chế hệ vữa xi măng, xác định các thông số
công nghệ tối ưu để trám xi măng cho các giếng khai thác trong khoảng
nhiệt độ và áp suất cao tại bể Nam Côn Sơn.

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
 Các kết quả nghiên cứu dựa trên lý thuyết về sự biến đổi tính chất
hóa 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.
 Đơn pha chế đã được kiểm chứng và có tính thực tiễn cao, góp phần
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. Những luận điểm khoa học
 Tại bể Nam Côn Sơn, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, khi sử
dung xi măng mác G làm xi măng nền, nhất thiết phải bổ sung 35% hàm
lượng phụ gia silica để duy trì thời gian quánh tối ưu, chống suy giảm độ
4



bền, giảm độ thấm, cải thiện modun Young và hệ số Poisson. Lựa chọn phụ
gia SSA-1, loại cát nghiền có hàm lượng oxit silic cao, kích thước hạt bé,
cho phép nâng độ bền nén và giảm độ thấm của đá xi măng đạt trị số tối ưu
ở nhiệt độ đến 200
0
C.
 Trong điều kiện bể Nam Côn Sơn, trong các điều kiện áp suất vỉa dị
thường cao nhiệt độ đều cao, yêu cầu áp suất thủy tĩnh của vữa xi măng
trám tương đối cao để cân bằng áp suất vỉa với khối lượng riêng của vữa
trong khoảng 2,01 - 2,22 g/cm
3
. Bổ sung các chất làm nặng 40% Hi-Dense
4 và 25% MicroMax là hợp lý nhất, đồng thời thỏa mãn các chỉ tiêu chất

lượng khác như thời gian quánh, độ thấm và các tính chất cơ học của đá xi
măng.
9. Cơ sở tài liệu khoa học của luận án
Luận án được hình thành trên cơ sở: Báo cáo tổng kết nhiệm vụ nghiên
cứu khoa học cấp Ngành: “        ám xi
”;
Báo cáo kết thúc giếng khoan: MT-2X; MT-6P; MT-1P; MT-3P; HT-1P;
DN-2X, DN-1X; Các kết quả thí nghiệm về vữa xi măng tại Phòng thí
nghiệm Halliburton Vũng Tàu, Halliburton Pune (Ấn Độ).
10. Bố cục của luận án
Luận án gồm: Mở đầu, 04 chương chính, kết luận và kiến nghị, các
phụ lục, danh mục tài liệu tham khảo và các công trình khoa học. Toàn bộ
nội dung luận án được trình bày trong 119 trang A4, 56 hình vẽ, 15 biểu
bảng, 10 phụ lục, 13 danh mục các công trình khoa học đã công bố và 53
đầu mục tài liệu tham khảo.





5



Chƣơng 1. ĐẶC ĐIỂM NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO
TẠI BỂ NAM CÔN SƠN VÀ ẢNH HƢỞNG ĐỐI VỚI CÔNG TÁC
BƠM TRÁM XI MĂNG GIẾNG KHOAN
1.1. Đặc điểm nhiệt độ và áp suất cao ở bể Nam Côn Sơn
Bể Nam Nam Côn Sơn có diện tích gần 100.000 km
2

. Độ sâu nước biển
trong phạm vi của bể này thay đổi rất lớn, từ vài chục mét ở phía Tây đến
hơn 1.000 m ở phía Đông.
Hiện tượng áp suất dị thường cao thường gặp chủ yếu trong tầng
Miocen. Trong một số giếng khoan, gradien áp suất đạt đến 1,6 MPa/100m,
đặc biệt có những giếng khoan gradien áp suất đạt 1,9-2,04 MPa/100m.
Trong các tầng trầm tích trẻ như Pliocene và Miocene trên, gradien nhiệt độ
tương ứng là 2,19
0
C/100m và 3,73
0
C/100m, tầng Miocene giữa gradien
nhiệt độ là 4,27
0
C/100m, đặc biệt trong tầng Miocene dưới và Oligocene
gradien nhiệt độ lên tới 4,48
0
C/100m.
Tại bể Nam Côn Sơn đã gặp những giếng có áp suất cao và đồng thời
nhiệt độ cao. Tại giếng 05-2-HT-2X, ở chiều sâu 3.740m nhiệt độ đo được
trong giếng là 172
0
C và áp suất vỉa 74MPa; tại giếng 05-1c-DN-2X-ST2, ở
chiều sâu 4.245m gặp nhiệt độ 185
0
C, áp suất trên đáy là 98,7MPa, hoặc tại
giếng HT-1X ở chiều sâu 4.548m nhiệt độ đo được là 210
0
C và áp suất vỉa
91MPa.

Trên cơ sở phân tích, các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao bể Nam
Côn Sơn, tác giả phân thành hai cấp (hình 1): Cấp I: Nhiệt độ và áp suất
cao (nhiệt độ 150
0
C-175
0
C và áp suất 69 MPa-103 MPa) và Cấp II: Nhiệt
độ và áp suất rất cao (nhiệt độ 175
0
C-200
0
C và áp suất 103-138 MPa).
6




Hình 1. 
1.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ và áp suất cao đến các tính chất của vữa xi
măng.
Các tính chất của vữa xi măng có ý nghĩa lớn nhất, ảnh hưởng đến quá
trình bơm trám là khối lượng riêng vữa, độ chảy tỏa (độ quánh, tính chất
lưu biến), độ thải nước, vận tốc ngưng kết.
Khối lượng riêng của vữa xi măng là một trong những đặc tính và chỉ
tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng trong quá trình pha trộn và bơm
ép vào giếng khoan. Khi khoan các giếng gặp các vỉa có áp suất dị thường
cao yêu cầu áp suất thủy tĩnh của vữa xi măng phải đảm bảo đủ cân bằng áp
suất của vỉa, nhưng đồng thời không để gây ra nứt vỉa và mất dung dịch.
Thời gian quánh là chỉ tiêu công nghệ quan trọng, yêu cầu vữa không
được quánh và đóng rắn trước thời hạn thực hiện quá trình công nghệ bơm

trám. Nhiệt độ đáy cao (đạt đến 160
0
C-200
0
C) làm cho vữa xi măng ngưng
kết nhanh. Nhiệt độ và áp suất tăng đồng thời sẽ đẩy nhanh thời gian ngưng
kết của vữa xi măng.
Nhiệt độ tăng lên sẽ ảnh hưởng đến tốc độ thải nước. Vữa xi măng có
độ thải nước cao có thể là nguyên nhân gây ra phức tạp trong quá trình gia
cố giếng khoan.
Để gia cố vững chắc các cột ống chống và bịt kín vành xuyến giếng
khoan, yêu cầu sau khi đóng rắn kích thước xi măng không co ngót, ngăn
7



ngừa sự tạo ra các khe hở giữa các cột ống và thành hệ, tạo thành kênh dẫn
cho khí xâm nhập vào không gian vành xuyến.
1.3. Chất lƣợng trám xi măng các giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn
Trong quá trình trám giếng khoan ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao
tại bể Nam Côn Sơn, đã xảy ra một số sự cố: vữa xi măng bị ngưng kết sớm
trong cột ống chống; chất lượng vành đá xi măng trong một số giếng khoan
đạt hiệu quả không cao.
Một trong những nguyên nhân chủ yếu ảnh hưởng đến chất lượng
bơm trám xi măng trong giếng khoan là do lựa chọn vật liệu, các phụ gia
vữa xi măng, các thông số công nghệ của vữa không phù hợp với điều kiện
nhiệt độ cao và áp suất cao trong giếng khoan.
1.4. Các công trình nghiên cứu về xi măng trám giếng khoan nhiệt độ
và áp suất cao.
Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học Liên bang Nga như

A.I.Bulatov, E.K. Machinsky, B.I.Esman, I.A Karamanov, A.N.
Stafinkopulo¸V.C. Danhiuchevskyi, đã có nhiều công trình về xi măng
trong các điều kiện áp suất cao và nhiệt độ cao.
Các nhà khoa học như Erik B.Nelson, George Birch, Michael
Richebourg, Jacques Jutten (Schlumberger Dowell); Benjamin Iverson và
Joe Maxson (Halliburton) đã có các công trình nghiên cứu về sự suy giảm
độ bền của xi măng portland, biện pháp duy trì và nâng cao độ bền, các tính
chất của vữa và công nghệ trám, đặc biệt là các phương pháp và thiết bị vữa
xi măng trong điều kiện áp suất và nhiệt cao.
1.5. Các loại xi măng trám giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao.
Hiện nay trong ngành công nghiệp dầu khí chưa có loại xi măng được
tiêu chuẩn hóa để trám các giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao.
8



Tại Liên bang Nga và các nước SNG đã sản xuất các chủng loại xi
măng xỉ - cát thạch anh, các loại xi măng chuyên dụng để trám xi măng các
giếng khoan có nhiệt độ và áp suất cao.
Công ty Schlumberger sản xuất hệ xi măng FlexSTONE HT kết hợp
với công nghệ CemCRETE để trám giếng khoan có nhiệt độ đến 250
o
C.
Công ty Halliburton đã thử nghiệm loại xi măng HDEC để trám giếng
trong điều kiện nhiệt độ tĩnh trên đáy 227
o
C với khối lượng riêng vữa đến
2,26g/cm3. Các hệ xi măng nặng chịu nhiệt khác như ximăng
ThermaSTONE, DenseCEM.
Tại bể Nam Côn Sơn, các nhà thầu Nowsco, Dowell/ Schlumberger,

BJ, Halliburton thường sử dụng xi măng portland mác G, một số giếng có
nhiệt độ 130-155
o
C có thêm chất phụ gia silica. Để trám xi măng các cột
ống chống có nhiệt độ khá cao, đã sử dụng loại xi măng mác, các phụ gia
bền nhiệt và các hóa phẩm khác.
1.6. Định hƣớng nghiên cứu.
Nghiên cứu hoàn thiện hệ xi măng bền nhiệt; Lựa chọn chất làm nặng
và các phụ gia chuyên dụng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao. Xác
định các thông số công nghệ của vữa và đá xi măng phù hợp với các điều
kiện giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn.
Kết luận Chương 1
- Bể Nam Côn Sơn có điều kiện địa chất rất phức tạp, đặc biệt là nhiệt
độ và áp suất cao. Nhiệt độ và áp suất cao bể Nam Côn Sơn có thể phân
thành hai cấp: Cấp I (nhiệt độ và áp suất cao) và Cấp II (nhiệt độ và áp suất
rất cao).
- Nhiệt độ và áp suất cao làm giảm chất lượng của vữa, giảm chất
lượng gắn kết của vành đá xi măng trong giếng khoan, ảnh hưởng đến độ ổn
định, tuổi thọ và an toàn giếng khoan.
9



- Thiết kế hệ vữa xi măng bền nhiệt, có khối lượng riêng cao đảm bảo
chất lượng bơm trám giếng khoan trong điều kiện nhiệt độ và áp suất dị
thường cao bể Nam Côn Sơn.

Chƣơng 2. LÝ THUYẾT VỀ ĐÔNG CỨNG VÀ TẠO ĐỘ BỀN CỦA
ĐÁ XI MĂNG TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO
2.1. Sự suy giảm độ bền của xi măng trong điều kiện nhiệt độ cao

Hiện nay, tại bể Nam Côn Sơn ximăng mác G tiêu chuẩn API được
dùng để trám giếng khoan. Trong điều kiện nhiệt độ cao, xi măng sẽ diễn
ra quá trình tạo pha khoáng mới.
Khi nhiệt độ trong khoảng 110
0
C và 120
0
C, 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, có cấu trúc tinh thể, tỉ khối cao, tính
thấm cao và độ bền nén thấp.
Ở nhiệt độ >160
o
C có thể tạo thành hydrosilicat C
3
SH
2
. Ở nhiệt độ
khoảng 202
0
C

chuyển thành  hydrat C
2
S, là hỗn hợp các silicat hydrat
calcium-chrondodit và kilchoanit. Tăng nhiệt độ lên đến 250
0
C, gyrolit biến
đổi thành truscottit, có độ thấm cao và bộ bền nén thấp so với tobermorit.
Để ổn định thành phần C-S-H(I), C-S-H(II), Gel C-S-H yêu cầu tỉ số

CaO/ SiO
2
cho các khoảng nhiệt độ khác nhau như sau:
90 ÷ 120
0
C : (CaO/ SiO
2
) < 0,8 (2.1)
120 ÷ 180
0
C : (CaO/ SiO
2
) < 0,83 (2.2)
> 180
0
C : (CaO/ SiO
2
) < 1 (2.3)
Trên hình 2 - biểu đồ tạo pha khoáng mới của xi măng, vói tỉ số thành
phần CaO/SiO
2
 1,0, sẽ duy trì cấu trúc vi mô, duy trì ổn định tính chất cơ
học của xi măng.
10




Hình 2. 
2.2. Nghiên cứu độ bền nén của hỗn hợp xi măng + SSA-1

• Herianto bằng thí nghiệm cho thấy với hàm lượng 35-40% silica
SSA-1 độ bền nén sẽ đạt cực đại ở nhiệt độ 150
0
C và áp suất 13,78 MPa
(bảng 1).
Bảng 1
Thành phần
xi măng + silica
Độ bền nén, (MPa)
1 ngày
2 ngày
3 ngày
7 ngày
XM + 30% SSA-1
26,39
34,67
46,53
46,10
XM + 40% SSA-1
11,70
11,57
28,93
34,76
Kết quả nghiên cứu độ bền nén trên đây chỉ giới hạn ở nhiệt độ 150
0
C
và áp suất 14MPa, trong thời gian bảo dưỡng 7 ngày, cho nên chưa phản
ánh đầy đủ các điều kiện thực tế.
 Tại Phòng thí nghiệm Công ty Halliburton đã tiếp tục nghiên cứu
thí nghiệm độ bền nén của hỗn hợp xi măng + 35% SSA-1 có khối lượng

riêng vữa 1,90 và 2,04 g/cm
3
ở nhiệt độ từ 143
0
C đến 210
0
C và thời gian
bảo dưỡng 28 ngày (trong bảng 2 và trên hình 3).




11



Bảng 2
Nhiệt độ,
(
0
C)
Khối lƣợng
riêng vữa,
(g/cm
3
)
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



Hình 3. 

Trong bảng 3 và trên hình 4 - Độ thấm của của xi măng + 35% SSA-1
có khối lượng riêng vữa 1,90 và 2,04 g/cm
3
ở nhiệt độ từ 143
0
C đến 210
0
C
và thời gian bảo dưỡng 28 ngày.
Bảng 3.

Nhiệt độ,
(
0
C)
Khối lƣợng
riêng vữa,
(g/cm
3
)
Độ thấm trong khoảng thời gian,(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
12

Hình 4. 5% SSA-1
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 160-210
0
C và ổn định
trong khoảng 28 ngày, trong đó độ bền nén của xi măng SSA-1 đạt trị số
cao nhất. Đồng thời độ thấm giảm của đã xi măng nhỏ hơn 0,1 mD, hoặc có
mẫu bé hơn 0,01 mD.
 Để xác định độ bền nén của đá xi măng tương ứng với các điều
kiện nhiệt độ và áp suất trong giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn, đã tiến
hành các thí nghiệm xác định độ bền nén với thành phần xi măng mác G +
35% silica SSA-1, trên bảng 4.
Bảng 4
Điều kiện thí
nghiệm
Thời gian đạt trị số độ bền nén
(giờ, phút)
Độ bền nén trong
thời gian,(MPa)
Nhiệt
độ,
0
C
Áp suất,
(MPa)

0,345
MPa
0,689
MPa
3,45
MPa
6,89
MPa
24giờ00
48giờ00
155
20,67
06h42
07h23
12h54
15h00
13,38
14,48
177
93,015
19h03
19h29
21h06
22h43
09,92
-
180
20,67
08h15
08h33

14h20
16h05
14,70
15,98
180
84,68
12h42
12h56
13h56
14h34
37,25
-
193
103,35
17h41
17h56
19h09
-
16,43
-
13



Từ kết quả trên cho thấy: Độ bền tối thiểu của đá xi măng tại 3,45 MPa
từ có thời gian từ 12giờ 54phút đến 21giờ 06phút; Độ bền cực đại của đá xi
măng đạt 15,98 MPa trong thời gian 48 giờ.
Như vậy, xi măng portland Holcim mác G khi bổ sung 35% silica
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 193

0
C và áp
suất 103 MPa.
Kết luận chương 2
- Xi măng portlan mác G tiêu chuẩn API trong điều kiện nhiệt độ trên
110
0
C, 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/SiO
2
≤ 1.
- Bổ sung 35% silica SSA-1 với vào xi măng Portland Holcim trong
điều kiện nhiệt độ 193
0
C độ bền nén của đá xi măng đáp ứng các yêu cầu
chất lượng trám giếng khoan.


Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA VỮA VÀ ĐÁ
XI MĂNG TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT CAO
3.1. Khối lƣợng riêng của vữa xi măng
Trong các điều kiện địa chất - kỹ thuật bể Nam Côn Sơn thường gặp
các vỉa có áp suất dị thường cao. Khối lượng riêng của vữa được chọn thỏa
mãn các điều kiện như trong phương trình 3.1.
p
v
≤

gh ≤ p
nv

(3.1)
Trong đó p
v
- áp suất vỉa;  - khối lượng riêng của vữa; h - vị trí chiều
chiều sâu vỉa; g - gia tốc trong lực; p
nv
- áp suất nứt thủy lực vỉa.
Thực tế trám xi măng giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn và các kết quả
thí nghiệm cho thấy việc chọn chất làm nặng Hi-Dense 4 và MicroMax đạt
hiệu quả chất lượng vữa tốt nhất.
Khối lượng riêng vữa xi măng được tính theo công thức 2:
14



(3.2)

Kết quả tính toán hợp lý khối lượng riêng của vữa xi măng trám
giếng khoan với hàm lượng các phụ gia tăng trọng Hi-Dense và Micromax
và tỉ lệ N/XM trình bày trong bảng 5.

Bảng 5.  
khác nhau.

Số
TT
Khối
lƣợng
riêng
vữa,

g/cm
3
Hàm lƣợng các thành phần
của vữa, % KLXM
Tính chất của vữa xi măng
Điều kiện
thí nghiệm
Xi
măn
g
Hi-
Dens
e
Micr
oMa
x
SSA
-1A
Hiệu
suất
vữa,
ft
3
/sack
Nƣớc trộn,
gal/sack
Tổng
lƣợng
nƣớc trộn,
gal/sack

Áp
suất,
(MPa)
Nhiệ
t
độ,
0
C
1
2,04
100
40
25
35
2.16
7,97
9,09
66,65
155
2
2,10
100
65
-
35
2,09
6,68
8,53
93,02
176

3
2,13
100
40
25
35
1,99
6,28
7,78
75,79
170
4
2,19
100
40
25
35
1.86
4,81
6.84
84,68
180
5
2,19
100
40
25
35
1,86
5,03

6,81
84,68
180
6
2,19
100
40
25
35
1,88
4,95
6,93
103,35
193

3.2. Nghiên cứu xác định thời gian quánh của vữa xi măng trong
điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.
Thời gian quánh của vữa xi măng là khoảng thời gian tính từ lúc bắt
đầu trộn xi măng với nước cho đến thời điểm vữa xi măng đạt trị số 100 Bc
(độ quánh Bearden)
Thời gian quánh được xác định bằng biểu thức:
T
Q
= T
CM
+ T
P
+ T
V
+ T

PL
+ T
DT

(3.3)
Trong đó T
CM
, T
P
, T
V
, T
PL
, T
DT
– thời gian tương ứng với các thao tác
khuấy trộn, chuẩn bị, bơm ép, di chuyển nút, và thời gian dự trữ (khoảng 30
phút đến 1 giờ).


15



Bảng 6. v  nhi  và áp sut cao
TT
Thành phần
Đơn vị
Tỷ trọng
Công dụng

1
Xi măng Holcim G
100% KLXM
3,15
Xi măng nền
2
Silica SSA-1
35% KLXM
2,63
Phụ gia bền nhiệt
3
Hi-Dense 4
40% KLXM
5,02
Chất làm nặng
4
MicroMax
25% KLXM
4,8
Chất làm nặng
5
WellLife 987
7% KLXM
2,1
Phụ gia tăng độ bền
6
Microbond-HT
3% KLXM
4,8
Phụ gia giãn nở

7
Halad-413
0,50 gps
1,11
Phụ gia giảm độ thải nước
8
CSR-25
0,25 gps
1.16
Chậm ngưng kết
9
Nước kỹ thuật
6,50 gps
1,0
Nước trộn

Trên hình 5 và 6 - biểu đồ thời gian quánh của vữa xi măng có khối
lượng riêng 2,04 g/cm
3
trong điều kiện nhiệt độ 145
0
C, áp suất 84,5 MPa.
Trên biểu đồ: đường màu đỏ - nhiệt độ của vữa; đường màu xanh lục - nhiệt
độ dầu; đường màu tím - áp suất; đường màu xanh - độ quánh của vữa.


Hình 5. 
 2,04 g/cm
3
.

Hình 6. 
 2,04 g/cm
3
.

Kết quả thí nghiệm cho thấy, ở thời điểm khởi động (0h00), độ
quánh của vữa là 27 Bc, đến thời điểm 8 giờ 48 phút độ quánh đạt 48 Bc,
đến 8 giờ 52 phút đạt 50 Bc, đến 8 giờ 52 phút đạt 70 Bc, đến 8 giờ 53phút
16



là thời điểm vữa có độ quánh 100 Bc và 8 giờ 3 phút được gọi là 
.
Trong bảng 7. Bảng tổng hợp vể ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất cao
đến thời gian quánh của vữa xi măng có khối lượng riêng 2,04-2,22 g/cm
3
.
Bảng 7.
Thời gian quánh
Mẫu
Khối
lƣợng
riêng
vữa,
(g/cm
3
)
Điều kiện thí nghiệm

Thời gian quánh (giờ, phút)
Nhiệt độ,
(
0
C)

Áp suất,
(MPa)
50Bc
70Bc
100Bc
A
2,04
125
66,65
08.52
08.53
08.53
B
2,13
135
69,59
05.11
05.52
05.58
C
2,13
140
75,80
05.00

06.53
06.54
F
2,22
155
84,68
06.12
06.13
06.13
E
2,22
150
88,88
01,13
08,30
08,35
D
2,10
177
93,1
10.05
10.05
10.18
G
2,22
177
103,4
10.05
10.05
10.18

Các kết quả thí nghiệm cho thấy, nhiệt độ và áp suất tăng lên thì
thời gian quánh của vữa xi măng thay đổi. Ở nhiệt độ cao trên 177
0
C và áp
suất trên 93MPa thì thời gian quánh của vữa tăng lên. Từ đó, khi lập đơn
pha chế cho các khoảng có nhiệt độ và áp suất có điều kiện tương tự cần
phải điều chỉnh các phụ gia chậm ngưng kết, cho phép mô hình hóa thời
gian quánh bằng cách thay đổi hàm lượng chất phụ gia HR-25L - giải pháp
chủ yếu và hiệu quả để duy trì và tăng thời gian quánh của vữa xi măng đạt
trị số 100 Bc trong khoảng 6-8 giờ.
3.3. Độ bền nén của đá xi măng
Độ bền nén là chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá khả năng gia cố và
độ kín khoảng không vành xuyến.
17



Độ bền nén được xác định trên thiết bị UCA. Trong bảng 8, ảnh
hưởng của nhiệt độ và áp suất cao đến độ bền nén của vữa xi măng có khối
lượng riêng 2,04-2,22 g/cm
3
.
Bảng 8.
Độ bền nén

Mẫu
Khối
lƣợng
riêng

vữa,
(g/cm
3
)
Điều kiện
thí nghiệm
Thời gian đạt đến các giá trị độ bền
nén, (giờ, phút)
Độ bền nén đạt đƣợc theo
thời gian, (MPa)
Nhiệt
độ,
0
C
Áp suất,
(MPa)
0,345
(MPa)
0,689
(MPa)
3,445
(MPa)
6,891
(MPa)
12giờ
24giờ
48giờ
A
2,04
155

20,67
6.42
723
12.54
15.00
-
13,38
14,48
B
2,13
155
20,67
8.15
8.33
14.20
16.05
-
14,70
-
C
2,13
170
20,67
18.02
18.31
20.36
22.11
10,95
10,95
19,84

D
2,10
177
93,10
19.03
19.29
21.08
22.43
-
9,92
-
E
2,22
180
20,67
14.03
14.16
15.21
16.04
-
23,40
-
F
2,22
180
20.67
12.42
12.56
13.56
14.34

-
37,28
-
G
2,22
193
103,4
17.41
17.56
19.4
19.57
-
16,43


Độ bền nén của vữa xi măng khối lượng riêng 2,14 g/cm
3
trong điều
kiện T=170
0
C và P= 20,67 MPa (hình 7) và Độ bền nén của vữa xi măng
khối lượng riêng 2,20 g/cm
3
T=190
0
C và P=103,4 MPa (hình 8).
Hì
nh 7- 
riêng 2,14 g/cm
3

170
0
C và
P=20,67MPa.

Hình 8 - 
 2,20 g/cm
3


0
C và P=103,4MPa.
Trong bảng 8 cho thấy độ bền nén của đá xi măng với khối lượng riêng
khác nhau đều tăng dần và đạt các giá tri cực đại dưới tác của của áp suất
cao và gia tăng của nhiệt độ. Thực tế cho thấy hơn 90% độ bền nén của xi
18



măng trong giếng khoan thường phát triển trong 48 giờ sau thời gian khuấy
trộn, cho nên có thể xác định độ bền nén trong khoảng 48 giờ.
Trên hình 9 và 10 mẫu lõi đá xi măng được thí nghiệm trên máy đo
UCA tại nhiệt độ 193
0
C và áp suất 103,4MPa


Hình 9

Hình 10.  
3.4. Các tính chất đàn hồi của đá xi măng trong điều kiện nhiệt độ và
áp suất cao
Các thông số đàn hồi được xác định trên thiết bị MPRO - Model 6265.
Trên hình 11 - Sự biến đổi các thống số đàn hồi trong điều kiện áp suất cao
nhiệt độ cao.

Hình 11.  

19



Trong đồ thị: Modun Young đạt đến giá trị 8,61 MPa trong 10 giờ đầu
tiên và ổn định ở 15,17 MPa sau 150 giờ thí nghiệm. Hệ số Poisson dao
động trong khoảng 0,30 - 0,25.
Bổ sung phụ gia giãn nở “WellLife
TM
” cho thấy đá xi măng ít dòn, bền
chắc và dẻo hơn so với xi măng thông thường.
3.5. Độ rỗng và độ thấm của đá xi măng
Độ rỗng (m) hoặc độ rỗng thể tích được xác định bằng tỉ số (tính bằng
phần trăm) giữa tổng thể tích rỗng PV trên thể tích thực khối đá xi măng
BV, được tính theo công thức 3.4:
 = (3.4)
Để tính toán độ thấm của đá xi măng trên máy đo sử dụng khí Ni tơ
theo công thức: 3.5
 = (3.5)
Trong đó: K = độ thấm, mD; B = Áp suất khí áp kế, at; Q = Lưu
lượng thể tích dòng khí đi qua ở áp suất khí áp kế, cm

3
/s; = Độ nhớt động
lực của khí ở nhiệt độ đo, cP; L = Chiều dài của mẫu lõi, cm; A = diện tích
mặt cắt ngang của mẫu lõi, cm
2
; p = áp suất khí phun, at .
Trên bảng 9. Các giá trị độ rỗng và độ thấm của đá xi măng từ các
hỗn hợp 1: XM Holcim + HiDense + MicroMax và hỗn hợp 2: XM Holcim
+ Barit + MicroMax.
Bảng 9
Các mẫu
Độ rỗng
Độ thấm
Xi măng + Hi-Dense 4 + MicroMax
23%
0,075
Xi măng + Hi-Dense 4 + MicroMax
28%
0,0018
Xi măng + Barite + MicroMax
38,166%
< 0,0005
Xi măng + Barite + MicroMax
38,916%
<0,0007

20

Kết quả thí nghiệm cho thấy, mẫu đá xi măng có các thành phần chất
làm nặng là Barite + MicroMax độ rỗng trung bình 38,53% có độ thấm thấp
hơn so với mẫu đá xi vữa xi măng có chất làm nặng là Hi-Dense 4 và
MicroMax có độ rỗng trung bình 25%.
Độ thấm của đá xi măng có trị số dưới 0,1mD, đáp ứng các yêu cầu
cách ly tốt các tầng sản phẩm trong điều kiện áp suất cao nhiệt độ cao tại bể
Nam Côn Sơn.
Kết luận Chương 3
- Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, các chất làm nặng Hi-Dense
4 và MicroMax đem lại hiệu quả cao và cải thiện các tính chất của vữa và
đá xi măng.
- Lựa chọn phụ gia CSR-100, HR-25 cho phép kéo dài thời gian
quánh, ngưng kết của vữa xi măng.
- Độ bền nén, modun Young, hệ số Poisson đáp ứng các yêu cầu lâu
dài của vành đá xi măng trong giếng khoan trong điều kiện áp suất cao nhiệt
độ cao.

Chƣơng 4. THỬ NGHIỆM VỮA XI MĂNG TRÁM CỘT ỐNG
CHỐNG KHAI THÁC 5 ½” GIẾNG KHOAN
TẠI BỂ NAM CÔN SƠN

4.1. Đơn pha chế vữa xi măng trám cột ống chống khai thác


Các thông tin về giếng khoan
Đường kính
giếng,
(mm)
Đường kính
cột ống

chống, (mm)
Chiều dài
thân giếng,
(m)
Chiều sâu
giếng,
(m)
Nhiệt độ tĩnh
trên đáy,
(
0
C)
Nhiệt độ
động,
(
0
C)
8 ½”
5 ½”
4.308
4.198
180
150

Thành phần vữa xi măng
Vật liệu/Phụ gia
Tỷ trọng
Công dụng
Hàm lƣợng
XM Holcim API-G

3,15
Xi măng nền
100% KLXM
SSA-1
2,63
Chất ổn định độ bền
35% KLXM
21



Hi-Dence 4
5,02
Chất tăng trọng
40% KLXM
Micromax FF
4,48
Chất tăng trọng
25% KLXM
WellLife-987
2,1
Tăng cường độ bền
7% KLXM
Microbond-HT
3,57
Chất nở
3% KLXM
FDP-C765-04
1,92
Chậm ngưng kết

1% KLXM
CSR-100L
1,16
Chậm ngưng kết
0,27 gps
HR-25L
1,2
Chậm ngưng kết
0,29 gps
CFR-3L
1,17
Chất pha loãng
0,90 gps
Halad-413L
1,11
Chất giảm độ thải nước
0,30 gps
D-Air 4000L
0,796
Phụ gia tiêu bọt
0,10% KLXM
GasStop HT
1,43
Ngăn xuất hiện khí
0,05% KLXM
SA-1015
1,47
Tạo huyền phù
0,01 gps

Các thông số công nghệ của xi măng
Khối lượng riêng
vữa, (g/cm
3
)
Hiệu suất vữa,
(ft
3
/sack)
Nước trộn,
(gal/sack)
Tổng lượng nước trộn,
(gal/sack)
2,22
1,86
5.03
6,81
Độ nhớt và ƣng suất trƣợt tĩnh
Nhiệt
độ
0
C

600
300
200
100
60
30
6

3
Hệ số
K1
Hệ số
K2
PV/YP
26
88
215
120
128
65
95
95
60
60
44
44
29
29
14
14
10
10
0.289
0.289
0.735
0.375
682/29
527/13

Độ thải nƣớc API
Nhiệt độ,
(
0
C)
Áp suất,
(MPa)
Thời gian,
(phút)
Độ thải nước,
(cm
3
/30 min)
Thể tích đo,
(cm
3
)
Thời gian đo,
(phút)
88
6,89
30
28
14
30

Độ quánh
Nhiệt độ,
(
0

C)

Áp suất,
(MPa)

50 Bc
giờ, phút

70 Bc
(giờ, phút)

100 Bc
(giờ, phút)

160

84,68

06,44

06,44

06,45

Độ bền nén UCA
Nhiệt độ,
(
0
C)
Áp suất,

(MPa)
0,345MPa,
(giờ, phút)
3,45MPa,
(giờ, phút)
24 giờ
(MPa)
180
20,67
12,42
13,56
23,47
4.2. Đánh giá chất lƣợng vữa trám xi măng
Đánh giá chất lượng liên kết của đá xi măng với thành giếng theo
phương pháp CBL và VDL. Độ sâu giếng khoan được chia ra từng khoang
100 m. Trong từng khoảng chiều dài này, chất lượng xi măng liên kết với
cột ống chống chỉ rõ bao nhiêu mét độ dày là xi măng tốt, bao nhiêu mét co
xi măng từng phần và bao nhiêu mét không có xi măng. Cuối cùng là tính
22



chung cho toàn mặt cắt giếng khoan. Để so sánh, chất lượng còn được tính
theo phần trăm.
- Chiều cao dâng của vữa ngoài khoảng không vành xuyến;
- Mức độ lấp đầy khoảng không vành xuyến của vữa;
- Mức độ liên kết của vữa xi măng với thành ống chống và với thành
giếng khoan.
Từ kết quả trám giếng theo đơn pha chế đã thiết kế cho thấy bảo đảm
thời gian bơm trám, chất lượng liên kết cao hơn, có thể khắc phục nứt vở

vỉa, độ cao vữa dâng lên theo đúng chiều cao thiết kế.
Kết luận Chương 4
- Đơn pha chế dựa trên: phân tích lý thuyết về vữa trong điều kiện
nhiệt độ cao, kết quá thí nghiệm trên các thiết bị UCA, kinh nghiệm thực tế.
- Đáp ứng các yêu cầu ngắn hạn (khối lượng riêng vữa, độ nhớt, thời
gian quánh, thời gian ngưng kết) và các yêu cầu dài hạn (độ bền nén, các
tính chất đàn hồi).

KẾT LUẬN
1. Bể Nam Cơn Sơn có tiềm năng lớn về dầu khí. Tuy nhiên, tại các lô
thuộc khu vực phía Đông và Đông Bắc bể Nam Côn Sơn xuất hiện nhiệt độ
giếng trên 150
0
C và áp suất đáy giếng trên 90 MPa. Các điều kiện áp suất
và nhiệt độ cao tại bể Nam Côn Sơn có thể phân thành hai cấp: cấp I (nhiệt
độ từ 150
0
C đến 175
0
C và áp suất từ 69MPa đến 103MPa) và cấp II (nhiệt
độ từ 175
0
C đến 200
0
C và áp suất từ 103MPa đến 138MPa) .
2. Áp suất cao nhiệt độ cao là một trong những nguyên nhân chính đã
gây ra nhiều sự cố, phức tạp như vữa xi măng không thể ép đẩy ra ngoài
khoảng không vành xuyến, toàn bộ vữa xi măng nằm lại trong cột ống
chống khai thác dài 3.000m; vữa xi măng ngưng kết nhanh dẫn đến mất
tuần hoàn v.v…Tại một số giếng khoan mức độ liên kết xi măng với ống

23



chống và xi măng với thành hệ không đồng đều, tiềm ẩn sự xâm nhập khí
trong không gian vành xuyến, giảm tuổi thọ của giếng.
3. Tại bể Nam Côn Sơn, sử dụng phổ biến xi măng mác G để trám
giếng khoan. Trong điều kiện nhiệt độ 120-180
o
C, xi măng biến đổi hình
thái kết tinh và chuyển đổi pha, dẫn đến sự suy giảm độ bền và tăng độ
thấm của đá xi măng. Vì vậy, bổ sung 35% khối lượng phụ gia silica SSA-1
vào hỗn hợp xi măng trám là biện pháp hiệu quả nhất để ổn định độ bền của
đá xi măng, cải thiện các tính chất công nghệ của xi măng.
4. Trong khu vực Đông Bắc bể Nam Côn Sơn đã gặp nhiệt độ cao đồng
thời áp suất cao với gradien áp suất vỉa 2,0MPa/100m. Sự chọn phụ gia
tăng trọng Hi-Dense 4 với tỉ lệ 40% và MicroMax với 25% là tối ưu, cho
phép khối lượng riêng vữa đạt yêu cầu và bảo đảm các chỉ tiêu chất lượng
khác như độ thời gian quanh, độ thấm, v.v.
5. Nghiên cứu các tính chất của vữa xi măng và các tính cơ học của đá
trên các thiết bị UCA và MPRO, cho phép mô phỏng các kiện áp suất cao
nhiệt độ cao trong giếng khoan và thời gian thực, bảo đảm độ tin cậy cao
đáp ứng các yêu cầu ngắn hạn và dài hạn của vữa và đá xi măng.
6. Lập được Đơn pha chế vữa xi măng một cách hợp lý và xác định các
thông số công nghệ tối ưu lựa trên cơ sở lựa chọn các vật liệu và phụ gia
chuyên dụng để để trám cột ống chống khai thác 5 ½” trong khoảng giếng
khoan có áp suất cao nhiệt độ cao.
7. Kết quả áp dụng đơn pha chế vữa xi măng theo phân tích và minh
giải bằng phương pháp đo địa vật lý giếng khoan CBL và VDL cho thấy
chất lượng trám cột ống chống khai thác 5½” đạt kết quả tương đối tốt

(90%-100%), có thể làm cơ sở cho việc Lập các đơn pha chế vữa trám các
giếng khoan tại bể Nam Côn Sơn có các điều kiện địa chất - kỹ thuật tương
tự, có sự điều chỉnh cho phù hợp với các điều kiện cụ thể mỗi giếng khoan.