quy trình sản xuất xi măng

MÔN HỌC

KHOAN VÀ HOÀN THIỆN GIẾNG

XI MĂNG


NỘI DUNG
 Sơ lược lịch sử trám xi măng giếng dầu
 Phân loại
 Vữa xi măng
 Tính chất của đá xi măng

XI MĂNG

2


Sơ lược lịch sử trám xi măng


Sét là vâât liêâu xi măng đầu tiên



Xi măng Portland do Joseph Aspdin phát minh năm 1824 là vâât liêâu
nhân tạo được sản xuất bằng cách nung chảy đá vôi với đất sét.



Năm 1903 lần đầu tiên xi măng được sử dụng trong môât giếng dầu

để cách ly tầng nước.



Năm 1910, A. Perkins giới thiêâu đầu trám xi măng hai nút ở
California.



Đến năm 1917 xi măng Portland vẫn là thành phần cơ bản để trám
giếng dầu.



Năm 1920, P. Halliburton giới thiêâu kỹ thuâât trám xi măng giếng dầu.



Từ năm 1940, đăâc biêât từ năm 1983 đến nay đã có nhiều loại xi
măng và phụ gia được sản xuất và sử dụng.



Trang thiết bị phòng thí nghiêâm xi măng, công nghêâ bơm trám xi
măng ngày càng được hoàn thiêân



Ngày nay, viêâc trám xi măng giếng dầu các công ty dịch vụ kỹ thuâât
chuyên ngành đảm trách.

XI MĂNG

3


Thành phần hoá học
 Viện dầu khí Hoa Kỳ API dựa vào tính chất và đặc điểm kỹ

thuật phân làm 8 loại A, B, C, D, E, F, G và H.
1. Thành phần hoá học

 Tricalcium Aluminate (C3A - 3CaO.Al2O3): thời gian đông
cứng, phát triển độ bền của xi măng.
 Tricalcium silicate (C3S - 3CaO.SiO2): thành phần chính
trong xi măng Portland.
 Dicalcium Silicate (C2S - 2CaO.Si2O2): tạo độ bền cuối
cùng của xi măng.
 Tetracalcium Aluminoferrite (C4AF - 4CaO.Al2O3.Fe2O3):
độ bền của xi măng

XI MĂNG

4


Thành phần hoá học
Thành phần xi măng (%)
Loại xi măng

C3S

C2S

C3 A

C4AF

Độ mịn (cm3/g)

A
B
C
D&E
G&H

53
47
58
26
50

24
32
12
54
30

≥8
≤5

8
2
5

8
12
8
12
12

1500 - 1900
1500 - 1900
2000 - 2800
1200 - 2800
1400 - 1700

 Ngoài ra còn có những thành phần khác: thạch cao, kali

sulfate, magiê, vôi… Những nguyên liệu này không ảnh
hưởng đến quá trình xi măng đông cứng nhưng tác động
đến quá trình thuỷ hoá của xi măng, thay đổi tỷ trọng vữa vá
tính kháng các hoá chất có hại.

XI MĂNG

5


Thành phần hoá học
 Khi cần những tính chất đặc biệt thì có thể thực hiện theo

những khuyến cáo sau:
Tính chất
Phát triển
nhanh

độ

Cách thực hiện
bền Tăng hàm lượng C3S, nghiền mịn
hơn.

Chậm đông

Khống chế C3S, C3A, nghiền thô hơn.

Nhiệt thuỷ hoá thấp

Giới hạn C3S, C3A.

Tính kháng sulfate

Giới hạn C2S.

XI MĂNG

6


Phân loại xi măng

 Chọn xi măng tuỳ thuộc vào:

 Nhiêât đôâ tĩnh và đôâng ở đáy giếng ảnh hưởng đến thời
gian đông cứng của vữa xi măng.
 Tỷ trọng vữa được quy định với các giới hạn về áp suất
vỡ vỉa của thành hêâ khoan qua.
 Đôâ nhớt dẻo của vữa và các tính thấm lọc.
 Thời gian đông cứng và phát triển đôâ bền chịu nén theo
thời gian.
 Đôâ bền của xi măng trong các môi trường ăn mòn và
nhiêât đôâ ở đáy giếng.

XI MĂNG

7


Phân loại xi măng
 Phân loại và điều kiện sử dụng xi măng theo API 10:

Loại

Điều kiện sử dụng

A

0 - 6000 ft: loại thường, giếng không đòi hỏi tiêu chuẩn đặc biệt

B

0 - 6000 ft: đòi hỏi xi măng có độ bền từ trung bình đến cao đối với
sulfate

C

0 - 6000 ft: độ bền chịu nén ban đầu cao, độ bền với sulfate từ kém, trung
bình đến cao

D

6000 -12000 ft: nhiệt độ và áp suất tương đối cao, độ bền với sulfate từ
trung bình đến cao

E

6000 - 14000 ft: giếng có nhiệt độ và áp suất cao, độ bền với sulfate từ
trung bình đến cao

F

10000 - 16000 ft: giếng có nhiệt độ và áp suất cao, độ bền với sulfate từ
trung bình đến cao

G

0 - 8000 ft: xi măng cơ bản, có thể sử dụng với các chất phụ gia đông
nhanh hoặc đông chậm để trám trong các giếng có chiều sâu và nhiệt độ
khác nhau, có độ bền với sulfate từ trung bình đến cao

H

0 - 8000 ft: xi măng cơ bản, có thể được sử dụng trong cùng điều kiện như
loại G, chỉ có độ bền trung bình với sulfate
XI MĂNG

8


Vữa xi măng
 Yêu cầu chung
 Trôân và bơm dễ dàng, có tính lưu
biến tối ưu cho viêâc thay thế dung
dịch khoan
 Bảo đảm tính chất đồng nhất trong
suốt quá trình bơm đẩy
 Bảo đảm được đôâ kín khi đông
cứng, không cho khí rò rỉ vào
khoảng không vành xuyến
 Tạo liên kết tốt giữa ống chống và
thành hêâ
 Phát triển đôâ bền nhanh khi bơm
trám xong và đôâ bền của đá xi
măng ổn định trong thời gian dài
XI MĂNG

9


Vữa xi măng
 Các tính chất của vữa xi măng và điều kiện sử dụng

Loại

A (Portland)
B (Portland)
C
(Đông
nhanh)
D (Chậm đông)
E (Chậm đông)
F (Chậm đông)
G (Cơ bản)*
H (Cơ bản)*

Tỷ trọng
Lượng nước
vữa
trộn
(lbm/gal
(gal/bao)
)
5,2
5,2
6,3
4,3
4,3
4,3
5,0
4,3

15,6
15,6
14,8
16,4
16,4
16,2
15,8
16,4

Độ sâu
(ft)

Nhiệt độ
tĩnh
(oF)

0 - 6000
0 - 6000
0 - 6000
6000 - 12000
6000 -14000
10000 - 16000
0 - 8000
0 - 8000

80 - 170
80 - 170
80 - 170
170 - 260
170 - 290

230 - 230
80 - 200
80 - 200

*: có thể điều chỉnh thời gian đông nhanh hoặc đông chậm tùy thuộc vào
điều kiện của giếng
XI MĂNG

10


Vữa xi măng
 Tính chất của vữa

 Tỷ số nước/xi măng
−

Lượng nước tối thiểu để trôân với xi măng nguyên chất cho
đôâ sêât của vữa nhỏ hơn 30 Bc.

−

Tỷ số nước/xi măng tối đa là lượng nước thêm vào mà vẫn
giữ ở trạng thái lơ lửng cho đến khi quá trình bơm trám xi
măng hoàn tất.
Tính chất của xi măng nguyên chất

Loại

Tỷ trọng vữa

(lb/gal)

Nước trộn
(gal/bao)

Chỉ số yield
(cuft/bao)

Nước trộn
(%)

A
B
C
D
G
H

15,6
15,6
14,8
16,4
15,8
16,4

5,2
2,5
6,3
4,3
5,0

4,3

1,18
1,18
1,32
1,02
1,15
1,05

46
46
56
38
48
38

XI MĂNG

11


Vữa xi măng
 Tỷ trọng
−

Theo tiêu chuẩn API, tỷ trọng vữa xi măng bị giới hạn
bởi tỷ số nước/xi măng

−

Tỷ trọng thấp thường được sử dụng để tránh hiêân
tượng phá vỡ vỉa đối với thành hêâ yếu.

−

Tỷ trọng cao được sử dụng khi thành hêâ có áp suất cao
với lượng nước tối thiểu cho phép (17.5 - 18 lb/gal).

−

Phụ thuôâc vào đôâ mịn của xi măng sử dụng. Với đôâ mịn
trung bình thì diêân tích bề măât của xi măng loại A và C
thay đổi từ 150 - 220 m2/kg.

XI MĂNG

12


Vữa xi măng
 Chống mất dung dịch
−

Thành hêâ có tính thấm cao dễ xảy ra hiêân tượng mất nước, do
đó làm giảm tỷ số nước/xi măng.

−

Khi đó nếu áp suất bơm lớn hơn áp suất vỡ vỉa đối với những
thành hêâ yếu thì rất dễ xảy ra hiêân tượng mất tuần hoàn vì toàn

bôâ nước đi vào thành hêâ này.

−

Mất nước mang môât phần vâât liêâu xi măng vào trong tầng sản
phẩm, kết quả là làm giảm đôâ thấm lọc của tầng sản phẩm.

−

Lượng nước mất không điều khiển được trong vữa xi măng
nguyên chất trung bình khoảng 800 - 1000 ml/30 phút dưới áp
suất 1000 psi. Giá trị tối ưu là 100 - 200 ml/30 phút dưới áp suất
1000 psi.

Chất phụ gia được dùng chủ yếu hiê ên nay để chống mất dung
dịch là polime hữu cơ tổng hợp lỏng và dẫn suất cellulose.

XI MĂNG

13


Vữa xi măng
 Tính lưu biến
−

Đối với mỗi lưu chất thì các thông số về dòng chảy bị chi phối
bởi chế đôâ dòng chảy và tính lưu biến của dòng chảy đó. Khả
năng vữa xi măng đi vào các khe nứt, đứt gãy phụ thuôât lớn vào
đôâ sêât của nó.

−

Sự thành công của quá trình bơm trám xi măng phụ thuôâc nhiều
vào viêâc đo và tính toán các thông số lưu biến của vữa xi măng
để tối ưu tốc đôâ bơm đẩy và áp suất trong điều kiêân thiết bị và
giếng khoan hiêân có mà vẫn không làm thay đổi tính chất của
vữa xi măng theo thiết kế.

−

Được đo bằng nhớt kế tiêu chuẩn FANN 35 hoăâc FANN 50 trong
phòng thí nghiêâm. Viêâc sử dụng các chất phụ gia cũng làm thay
đổi đôâ nhớt của vữa, ví dụ lignosulfonate có thể làm giảm đôâ
nhớt, còn cellulose lại làm tăng đôâ nhớt của vữa.

XI MĂNG

14


Vữa xi măng
 Thời gian đông quánh
−

Là thời gian tính từ thời điểm bắt đầu bơm vữa ở điều kiêân nhiêât
đôâ và áp suất ban đầu đến khi vữa đạt đến đôâ sêât (khoảng 100
Bc) không còn bơm được nữa.

−

Xi măng thường hoăâc xi măng có phụ gia đều có thể sử dụng ở
những điều kiêân nhiêât đôâ và áp suất giếng khác nhau.

−

Để thay đổi thời gian đông quánh có thể thêm vào chất phụ gia
nhanh đông hay chââm đông tùy theo từng điều kiêân cụ thể của
giếng.

−

Hầu hết vữa trước khi bơm đều phải được thí nghiêâm ở điều kiêân
tương tự điều kiêân giếng khoan.

−

Thời gian đông quánh của vữa thường được thiết kế lớn hơn thời
gian cần thiết để bơm trám hay thời gian hoàn tất công viêâc. Thời
gian này thay đổi khoảng từ môât giờ hay bằng 50% thời gian bơm
trám.

XI MĂNG

15


Tính chất của đá xi măng
 Đô ê bền nén

 Giá trị đôâ bền nén tối ưu của đá xi măng phải tương đương với
đôâ bền của thành hêâ được cách ly
 Đá xi măng phải phát triển đôâ bền nén đủ để:
−

Bảo vêâ ống chống trong giếng khoan

−

Chịu được rung đôâng, va chạm trong quá trình khoan và
bắn mở vỉa

−

Tránh hiêân tượng gây nứt vỡ thành hêâ khi áp suất thủy tĩnh
cao.

 Đá xi măng đông cứng trong giếng chịu tác đôâng bởi lực nén
ngang do áp suất thành hêâ gây ra và ứng suất kéo do trọng
lượng của côât ống chống.
 Độ bền xi măng phải đủ lớn để tạo sự liên kết giữa ống chống
và xi măng để bảo vệ cột ống chống.
XI MĂNG

16


Tính chất của đá xi măng
 Tính cách ly
 Đôâ thấm và đôâ bền của liên kết xi măng và ống chống là hai

yếu tố ảnh hưởng đến khả năng cách ly của đá xi măng.
 Đôâ thấm của xi măng đông cứng thường rất thấp (khoảng 0.01
md). Khi bơm trám xi măng ở những thành hêâ chứa khí có áp
suất cao thì tính cách ly của xi măng đông cứng rất quan trọng
(nhất là các khí gây ăn mòn).
 Đôâ thấm của xi măng thay đổi tuỳ theo tỷ lêâ nước trôân trong
vữa xi măng. Vữa có tỷ trọng thấp thường sử dụng bơm trám
qua thành hêâ có đôâ thấm cao.
 Sự liên kết giữa ống chống và vành đá xi măng không bị ảnh
hưởng bởi các phản ứng hoá học nhưng bị chi phối bởi các
hiêân tượng vâât lý. Do sự co ngót của xi măng trong suốt quá
trình thủy hoá côâng sự biến dạng của côât ống chống sẽ tạo các
vi khe nứt trong khoảng không vành xuyến cho phép chất lưu
thấm qua. Cần sử dụng vành xi măng giãn nở để khắc phục
hiêân tượng này.
XI MĂNG

17


Tính chất của đá xi măng
 Sự suy giảm đôô bền ở nhiêôt đôô cao
 Ở điều kiêân nhiêât đôâ bình thường, xi măng đông cứng tiếp tục
quá trình thuỷ hoá và phát triển đôâ bền cho đến môât giá trị xác
định.
 Ở nhiêât đôâ lớn hơn 110oF xi măng sẽ đạt được đôâ bền tối đa
trong vài tuần đầu, sau đó đôâ bền này bắt đầu giảm, quá trình
này gọi là suy giảm đôâ bền của đá xi măng.
 Trong môât vài trường hợp, đôâ bền của đá xi măng tiếp tục giảm
cho đến khi bị phá hủy hoàn toàn.

XI MĂNG

18


Tính chất của đá xi măng
 Nguyên nhân gây ra sự suy giảm đôâ bền ở nhiêât đôâ cao:

 Sự thay đổi cấu trúc của xi măng đã liên kết với nước trong
quá trình thủy hoá và sự mất nước: môât trong những thành
phần của đá xi măng là calcium-silicate-hydrate khi ở nhiêât đôâ
250oF bị biến thành alpha-dicalcium- silicate-hydrate. Điều này
làm tăng đôâ rỗng, do vâây tăng mức đôâ nhiễm bẩn và giảm đôâ
bền của đá xi măng.
 Đôâ thấm của đá xi măng tăng lên dẫn đến sự gia tăng các lỗ
rỗng tạo điều kiêân dễ dàng cho quá trình ăn mòn xi măng, làm
giảm đôâ bền của xi măng. Để hạn chế sự suy giảm đôâ bền của
đá xi măng, trong xi măng Portland đều sử dụng 30 - 40% silica
mịn (silica oxit). Silica này ở nhiêât đôâ cao sẽ ngăn chăân sự hình
thành alpha-dicalcium-silicate, đồng thời làm giảm đôâ thấm của
xi măng. Thử nghiêâm cho thấy cùng môât loại đá xi măng nhưng
đôâ thấm sau 7 ngày tăng từ từ 0,1 md ở 90oC lên 4,58 md ở
160oC. Viêâc tăng tỉ lêâ nước/xi măng cũng gây suy thoái đôâ bền.
XI MĂNG

19


Tính chất của đá xi măng

 Tính kháng sulfate
 Sulfate được xem là chất ăn mòn xi măng nhất. Thông thường nước
trong thành hêâ chứa dầu thường chứa magnesium và sodium sulfate.
Xi măng tiếp xúc với nước sulfate sẽ dần dần bị mềm đi và phân rã.
Thời gian tiếp xúc càng lâu và lượng nước sulfate được bổ sung sẽ gây
tổn hại và làm xi măng mất dần tính liên kết.
 Magnesium (Mg) hay sodium sulfate (Na2SO4) phản ứng với vôi trong xi
măng tạo ra magnesium (Mg(OH)2) hay sodium hydroxit (NaOH) và
calcium sulfate (CaSO4). Calcium sulfate phản ứng với C3A tạo thành
calcium sulfoaluminate có thể tích lớn hơn lỗ rỗng của C3A làm cho lớp
xi măng giãn nở gây áp lực tách lớp xi măng bảo vêâ ống chống.
 Để tăng tính kháng sulfate cho xi măng, người ta thường giảm lượng
C3A có trong xi măng hay giảm lượng vôi tự do trong xi măng đông
cứng bằng cách thêm vào vâât liêâu pozzolan, chất này phản ứng với vôi
tạo thêm môât phần vâât liêâu xi măng. Ngoài ra cũng có thể thêm vào xi
măng lượng calcium sulfate tương ứng với C3A để tạo thành calcium
sulfoaluminate trước khi vữa xi măng đông cứng. Tuy nhiên không có
phương pháp nào loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của sulfate mà chỉ hạn
chế ở môât mức đôâ nhất định.
XI MĂNG

20