Bài giảng Dung dịch khoan - ximăng - Đỗ Hữu Minh Triết

119 trang hapham 1660

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Dung dịch khoan - ximăng - Đỗ Hữu Minh Triết", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_dung_dich_khoan_xi_mang_do_huu_minh_triet.pdf

Nội dung text: Bài giảng Dung dịch khoan - ximăng - Đỗ Hữu Minh Triết

Tài liệu tham khảo Kỹ thuật khoan dầu khí, Lê Phước Hảo, 1995 DUNG DỊCH KHOAN - XIMĂNG Bài giảng dung dịch khoan và vữa trám, Trần Đình Kiên, 2002 Applied Drilling Engineering, A. T. Bourgoyne Jr., K. K. Millheim, M. E. Chenevert, F. S. Young Jr., SPE, 1991 Drilling fluids, Solids Control and Hydraulics (Module A-E), Smith GV: Đỗ Hữu Minh Triết International, 1990 Principles of Drilling Fluid Control, 12nd Edition, API, 1969 Email: dhmtriet@hcmut.edu.vn Cementing, Dwight K. Smith, SPE monograph vol. 4, 1990 Well Cementing, Erick B. Nelson, 1990 2 GEOPET Kiểm tra – Đánh giá Nội dung tóm tắt A. Dung dịch khoan Kiểm tra tại lớp, bài tập: 20% Các khái niệm, tính chất, các thông số cơ bản của dung dịch Kiểm tra giữa học kỳ (tuần 8): 20% khoan, cách gia công hóa học chúng. Cách rửa lỗ khoan bằng nước lã và các dung dịch tự nhiên. Các loại dung dịch Thi cuối kỳ (tuần 16): 60% dùng trong điều kiện phức tạp. Cách làm sạch dung dịch. B. Ximăng Các tính chất cơ bản của ximăng, cách chọn vữa ximăng, các nguyên tắc của phương pháp trám ximăng. 3 GEOPET 4 GEOPET 1
Nội dung chi tiết Tuần Nội dung 1-2 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ RỬA LỖ KHOAN 3-4-5 CHƯƠNG 2: DUNG DỊCH SÉT 6 CHƯƠNG 3: GIA CÔNG HÓA HỌC DUNG DỊCH SÉT 7-8-9 CHƯƠNG 4: DUNG DỊCH KHOAN TRONG ĐIỀU KIỆN PHỨC TẠP 10 CHƯƠNG 5: LÀM SẠCH DUNG DỊCH 11 CHƯƠNG 6: XIMĂNG PORLAND 12 CHƯƠNG 7: CHỌN VỮA XIMĂNG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ 13-14 CHƯƠNG 8: KỸ THUẬT BƠM TRÁM XIMĂNG GIẾNG KHOAN DẦU KHÍ 5 GEOPET 2
RỬA LỖ KHOAN LÀ GÌ? GEOPET CHƯƠNG 1 Rửa lỗ khoan là dùng chất lỏng hay chất khí để thực hiện 2 nhiệm vụ: KHÁI NIỆM CHUNG Làm sạch đáy lỗ khoan Bôi trơn và làm mát dụng cụ khoan VỀ RỬA LỖ KHOAN Định nghĩa Dung dịch khoan là bất kì dung dịch nào được tuần hoàn hoặc bơm từ bề mặt vào cần khoan, đi qua choòng khoan và quay lại bề mặt bằng khoảng không vành xuyến trong công tác khoan. Dung dịch khoan có thể là chất lỏng hoặc khí Dung dịch khoan là không khí Dung dịch khoan dạng bọt Dung dịch khoan là nước Dung dịch khoan gốc dầu Dung dịch khoan gốc polyme tổng hợp (olefin và este) 1-2 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ SỬ DỤNG GEOPET I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ SỬ DỤNG GEOPET CÁC LOẠI DUNG DỊCH VÀO CÔNG TÁC KHOAN CÁC LOẠI DUNG DỊCH VÀO CÔNG TÁC KHOAN - Thế kỷ XIX ở Trung Quốc người ta đã tiến hành rửa lỗ khoan bằng - 1937, tinh bột được dùng làm giảm độ thoát nước của dung dịch. nước lã, sau đólà nước lã và các hạt sét có sẵn. - 1944, Carboxymetyl Celullose (CMC) được dùng làm giảm độ thoát - 1905, dung dịch sét đã được dùng để rửa lỗ khoan trong giếng khoan nước của dung dịch. đầu tiên ở Texas. - Sau đó, ở Mỹ và Nga đồng thời tìm ra dung dịch gốc dầu để mở vỉa dầu. - 1921, ôxit sắt xay nhỏ được dùng để làm nặng dung dịch ở bang - 1939 – 1940, người ta dùng huyền phù carbonat để rửa lỗ khoan. Arkansas và bang Louissiana (Mỹ). Sau đó, barit được tìm thấy có khả - 1943, người ta dùng dung dịch có vôi để có thể chịu được nhiệt độ hơn năng làm nặng dung dịch tốt hơn. 190oC mà không bị đặc. - Đồng thời với việc làm nặng dung dịch người ta tìm ra xút (NaOH) và - 1953, dùng dung dịch thạch cao để thực hiện mục đích trên. aluminat natri để làm ổn định dung dịch và giữ các hạt chất làm nặng ở - Ngoài việc rửa lỗ khoan bằng chất lỏng, còn dùng chất khí để rửa lỗ trạng thái lơ lửng. khoan, thực hiện đầu tiên vào 1918. 1-3 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-4 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
Hệ thống tuần hoàn dung dịch GEOPET II. CHỨC NĂNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN GEOPET ¾ 1. Rửa lỗ khoan, nâng mùn khoan lên khỏi giếng ¾ 2. Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng tuần hoàn Ổn định thành giếng ¾ 3. Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ Ngăn sự xâm nhập Giúp xác định ¾ 4. Giữ thành lỗ khoan không bị sập lở, tránh mất của chất lưu lưu chất vỉa nước rửa và hiện tượng dầu-khí-nước vào lỗ khoan ¾ 5. Gây tác dụng lý hóa khi phá hủy đất đá ¾ 6. Truyền năng lượng cho turbin khoan Vận chuyển Bôi trơn, mùn khoan làm mát lên bề mặt bộ khoan cụ 1-5 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-6 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết Chức năng 1 II. CHỨC NĂNG CỦA DUNG DỊCH KHOAN GEOPET GEOPET Rửa lỗ khoan, nâng mùn khoan lên khỏi giếng Các chức năng khác Đây là điều kiện để đạt được tốc độ cơ học khoan cao. Muốn rửa sạch đáy lỗ khoan thì phải kịp thời đưa ¾ Đảm bảo tính chính xác cho công tác đánh giá vỉa mùn khoan lên mặt đất theo khoảng không vành xuyến giữa thành lỗ khoan và cần khoan. Mức ¾ Kiểm soát sự ăn mòn thiết bị (O , CO , H S) 2 2 2 độ rửa sạch lỗ khoan phụ thuộc vào số lượng và ¾ Hỗ trợ quá trình trám ximăng và hoàn thiện giếng chất lượng nước rửa bơm vào lỗ khoan: tốc độ dòng nước rửa đi lên, tính chất cơ học, cấu trúc ¾ Giảm thiểu các tác hại cho môi trường của nước rửa, kích thước và trọng lượng các hạt mùn khoan. ¾ Truyền thông tin địa chất lên mặt đất ¾ Là môi trường trung gian để truyền tín hiệu điều khiển Năng suất máy bơm càng lớn, lượng nước rửa bơm vào lỗ khoan càng nhiều, đáy lỗ khoan càng rửa sạch thì tốc độ khoan càng tăng. 1-7 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-8 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
Chức năng 2 Chức năng 2 GEOPET GEOPET Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng tuần hoàn Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng tuần hoàn (tt) Trong quá trình khoan thường xảy ra hiện tượng ngừng khoan một Khả năng giữ các hạt mùn khoan ở trạng thái lơ lửng của một loại cách đột ngột hoặc khi tiếp cần, thay choòng khoan. Lúc đótrong nước rửa được đánh giá bằng kích thước lớn nhất của các hạt mùn khoảng không vành xuyến còn rất nhiều mùn khoan chưa được nâng khoan không bị chìm trong loại nước rửa ấy. lên mặt đất. Do trọng lượng bản thân, các hạt mùn khoan lắng xuống gây ra hiện tượng kẹt lỗ khoan. Khi rửa lỗ khoan bằng nước lã hoặc chất khí, do tính lưu biến của các loại dung dịch này rất thấp, chỉ được ngừng tuần hoàn sau khi đưa hết Để tránh hiện tượng kẹt lỗ khoan, phải dùng dung dịch có tính lưu biến mùn khoan lên mặt đất. Đồng thời phải nhanh chóng khôi phục lại sự cao. Dung dịch loại này khi ở trạng thái yên tĩnh, ứng suất giới hạn của tuần hoàn của dung dịch. chúng tăng lên (quá trình gel hóa), đủ để giữ các hạt mùn khoan không bị lắng xuống. 1-9 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-10 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết Chức năng 3 Chức năng 3 GEOPET GEOPET Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ Làm mát, bôi trơn bộ khoan cụ (tt) Việc làm mát dụng cụ phá đáphụ thuộc lưu lượng, tỉ nhiệt và nhiệt độ Trong quá trình khoan, dụng cụ phá đábị nóng do nhiệt độ ở đáy (địa ban đầu của chất để rửa lỗ khoan. Lưu lượng và tỉ nhiệt càng lớn thì nhiệt) và do ma sát với đất đá. nhiệt độ trung bình ở chỗ tiếp xúc càng nhỏ. Mặt khác khi lỗ khoan càng lớn thì việc làm lạnh choòng khoan càng nhanh. Năng lượng cơ học do ma sát sẽ sinh ra nhiệt. Một phần làm nóng dụng cụ phá đávàmột phần đi vào đất đá. Nhiệt độ ở vùng tiếp xúc 800 - Thực tế cho thấy dung dịch làm lạnh dụng cụ phá đátốt nhất là nước 1000oC sẽ giảm độ bền và độ chống mòn của dụng cụ. lã, sau đólàdung dịch sét và các chất lỏng khác, cuối cùng là chất khí. Khi dùng các chất lỏng và khí để rửa lỗ khoan thì chất đósẽ thu nhiệt Nước rửa còn bôi trơn ổ bi, các chi tiết khác của turbin, choòng khoan dẫn đến sự cân bằng nhiệt độ: nhiệt độ tỏa ra do quá trình ma sát sau cần khoan và ống chống do nước rửa làm giảm độ ma sát ở các bộ một thời gian bằng nhiệt độ các chất rửa lỗ khoan. Lúc ấy nhiệt độ của phận quay, bôi trơn và làm giảm nhẹ sự làm việc của các cơ cấu dẫn dụng cụ phá đásẽ không đổi. đến tăng độ bền của chúng, đặc biệt quan trọng trong khoan turbin. Hiệu quả bôi trơn càng tăng nếu pha vào dung dịch 8 - 10% dầu diesel hoặc dầu hỏa. Dung dịch nhũ tương dầu có tác dụng bôi trơn tốt nhất, dùng dung dịch này khi khoan moment quay giảm 30%. 1-11 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-12 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
Chức năng 4 Chức năng 4 GEOPET GEOPET Giữ thành lỗ khoan không bị sập lở, tránh mất nước Giữ thành lỗ khoan không bị sập lở, tránh mất nước rửa và hiện tượng dầu-khí-nước vào lỗ khoan rửa và hiện tượng dầu-khí-nước vào lỗ khoan (tt) Mỗi lớp đất đá, vỉa khoáng sản, mỗi tầng chứa dầu, khí, nước nằm trong lòng đất đều có áp lực vỉa Pv của chúng (áp lực địa tĩnh) từ vài atm, vài trăm đến Khi Pv P thì đất đá, dầu khí nước sẽ đi vào lỗ khoan gây ra hiện tượng v tt Khắc phục bằng cách dùng dung dịch sét chất lượng tốt, tỷ trọng nhỏ tạo nên sập lở thành lỗ khoan hay hiện tượng dầu, khí, nước vào lỗ khoan làm bão một vỏ sét chặt sít ngăn cách giữa lỗ khoan và vỉa, đồng thời do P nhỏ sẽ hòa dung dịch, đôi khi có thể đẩy dung dịch ra khỏi lỗ khoan và phun lên. tt thành lập nên một trạng thái cân bằng Ptt = Pv để chống mất nước rửa. Trong Tăng tỷ trọng Ptt có tác dụng chống lại Pv. Mặt khác khi dùng dung dịch sét trường hợp mất nước rửa mạnh, người ta dùng các hỗn hợp đông nhanh để sẽ tạo nên một lớp vỏ mỏng sét chặt sít xung quanh thành lỗ khoan, ngăn khắc phục. cách giữa vỉa và lỗ khoan thì thành lỗ khoan ổn định. 1-13 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-14 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết Chức năng 5 Chức năng 5 GEOPET GEOPET Gây tác dụng lý hóa khi phá hủy đất đá Gây tác dụng lý hóa khi phá hủy đất đá (tt) Là một thông số chế độ khoan. Đất đácó độ bền không đồng nhất, trong màng tinh thể có chỗ rất yếu và trên bề mặt có những khe nứt ngang dọc. Khi nước rửa thấm sâu vào làm các khe nứt bị sâu thêm, rộng ra tạo điều kiện cho việc phá hủy đádễ dàng hơn. Nước rửa qua lỗ thoát của choòng có kích thước nhỏ có tốc độ khá lớn và dự trữ một động năng. Động năng này được sử dụng làm sạch đáy lỗ khoan và khi gặp đất đámềm, nó phá hủy trực tiếp. Hiệu quả đó tăng thêm khi ta thêm vào nước rửa các chất giảm độ cứng. Tác dụng các chất này là tăng lực tương tác hóa lý giữa môi trường phân hóa và bề mặt mới của đất đátạo ra trong quá trình phá hủy cơ học. Tác động cơ học của dòng nước rửa lên đáy lỗ khoan được đánh giá bằng áp lực hay lực đập của dòng nước rửa khi tiếp xúc với đất đá ở đáy. Lực đập này phụ thuộc tốc độ, khối lượng và mật độ của dòng nước rửa. Các chất làm giảm độ cứng như hoạt chất cacbon, fenol, axit và các muối kiềm của chúng. Khi khoan qua đất đácứng, nước rửa chỉ góp phần vào việc tăng tốc độ cơ học + Các chất điện phân: NaCl, MgCl2, CaCl2, AlCl3 khoan vì nước đã làm giảm độ cứng của đất đá. + Các muối của kim loại kiềm NaOH, Na2CO3 Lưu ý: Khi nồng độ các chất trên trong nước rửa nhỏ thì có tác dụng, khi nồng độ tăng thì tác dụng ngược lại. 1-15 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-16 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
Chức năng 6 Chức năng 6 GEOPET GEOPET Truyền năng lượng cho turbin khoan Truyền năng lượng cho turbin khoan (tt) Đối với một số trường hợp khoan giếng định hướng có góc nghiêng lớn và Muốn Q tăng để tăng công suất quay của turbin thì tăng Nb hay giảm p. khoan ngang, người ta sử dụng động cơ đáy (tuabin hoặc động cơ thể tích). Trong kỹ thuật, Nb có thể điều chỉnh dễ dàng nên tăng Q dễ dàng nhưng Động cơ này làm việc nhờ năng lượng của dòng dung dịch tuần hoàn trong trong kỹ thuật khoan, do kích thước các ống dẫn hạn chế nên khi Q tăng giếng. làm p giảm. Tùy theo độ bền của ống dẫn thủy lực, bơm và dụng cụ khoan mà p tăng đến trị số p < pmax do giá trị pmax đã làm hạn chế Q máy bơm. Yếu tố quyết định là lượng nước rửa bơm vào turbin nghĩa là năng suất máy bơm. 3 Khi Nb không đổi, muốn tăng Q thì phải giảm các tổn thất cục bộ. Điều này N t1  Q1  thực hiện bằng 2 cách. =   N t2  Q 2  - Tăng đường kính của các phần có nước rửa chảy qua như ống dẫn, Î lượng nước rửa tăng lên ít nhưng công suất của turbin thay đổi rất nhiều cần khoan và đầu nối, các lỗ thoát của choòng. Î tăng tiến độ khoan. - Dùng nước rửa linh động có tỷ trọng và độ nhớt nhỏ. Khi Q không đổi thì tổn thất thủy lực sẽ nhỏ nhất nếu làm sạch lỗ khoan Ở máy bơm có sự liên hệ: N = pQ b bằng nước lã. Trong đó: Nb: công suất của máy bơm dung dịch p: áp lực ống thoát của máy bơm Q: lưu lượng của máy bơm dung dịch 1-17 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-18 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết Chức năng 6 GEOPET III. CÁC PHƯƠNG PHÁP RỬA LỖ KHOAN GEOPET Truyền năng lượng cho turbin khoan (tt) Tính toán thủy lực khoan nhằm tối ưu ROP (Rate of Penetration) bằng cách: Tăng khả năng tách mùn khoan tại choòng 1. Phương pháp rửa thuận Tối đa độ giảm áp tại choòng Tối ưu lực va đập thủy lực tại đáy giếng 2. Phương pháp rửa nghịch Áp lực tại choòng được làm giảm bằng cách: Dùng cần khoan và đầu nối có kích thước nhỏ Dùng động cơ đáy 3. Phương pháp rửa cục bộ Dùng thiết bị đo trong khi khoan Tổn thất áp suất cao khi: Dung dịch có tỉ trọng lớn Dung dịch có độ nhớt lớn Thành phần rắn trong mùn khoan cao 1-19 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-20 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
1. Phương pháp rửa thuận GEOPET 2. Phương pháp rửa nghịch GEOPET Nước rửa bơm vào lỗ khoan qua phía trong cần khoan tới đáy, đưa mùn Nước rửa bơm vào lỗ khoan qua khoảng không vành xuyến giữa thành lỗ khoan lên theo khoảng không giữa thành lỗ khoan và cần khoan. khoan và cần khoan, tới đáy, đưa mùn khoan lên theo phía trong của cần khoan. Phương pháp này thường dùng trong các lỗ khoan đường kính nhỏ hay khoan qua cát, cát kết bị phong hóa. Ưu điểm Đơn giản, không cần thiết bị phức tạp. Ưu điểm Nước rửa có tốc độ lớn nhưng chuyển động trong cần khoan nên không phá sựổn định thành lỗ khoan. Do tiết diện cần khoan nhỏ nên tốc độ dòng nước rửa đi lên nhanh. Tốc độ nước rửa lớn tạo áp lực phá hủy đất đámềm dẫn đến tốc độ Mùn khoan và mẫu cũng được nâng nhanh, có thể lấy mẫu liên tục cơ học khoan cao. Va đập vào thành lỗ khoan nhỏ. Không bị tắt cần, có thể khoan trong điều kiện mất dung dịch. Khuyết điểm: Khuyết điểm Cần có thiết bị bít miệng lỗ khoan. Tốc độ nâng mẫu chậm đối với lỗ khoan sâu và đường kính lớn. Không khoan được trong điều kiện mất nước. Dễ gây kẹt lắng mùn khoan khi ngừng tuần hoàn. Cấu trúc bộ dụng cụ khoan phức tạp, dễ bị tắt cần khoan. 1-21 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-22 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết CÁC PHƯƠNG PHÁP RỬA LỖ KHOAN 3. Phương pháp rửa cục bộ GEOPET GEOPET 1 1 2 1 2 Nước rửa bơm vào lỗ khoan như trong phương pháp rửa thuận. Trên cần 2 khoan có gắn thêm thiết bị thu mùn khoan. Phương pháp này được dùng Cần khoan trong trường hợp không thể rửa toàn bộ lỗ khoan hay để nâng cao tỉ lệ lấy mẫu hoặc sau khi xảy ra hiện tượng rơi rớt thiết bị vào lòng giếng, choòng 1 khoan bị mất răng cắt 1 Ống lắng 3 Thành 2 lấy mẫu giếng mùn khoan Ngoài ra, người ta còn dùng phương pháp tuần hoàn hỗn hợp khi khoan khoan qua đất đákém bền vững, ở vùng tỉ lệ mẫu thấp, vùng dễ mất nước rửa, ở vùng thiếu nước để gia công dung dịch khoan. 2 2 Phương pháp tuần hoàn hỗn hợp cần thiết bị bơm chuyên dụng đặt chìm. Ưu điểm: tiêu hao dung dịch ít, tỉ lệ mẫu cao. Tuy nhiên, phương pháp này Rửa thuận Rửa nghịch Rửa cục bộ bị hạn chế bởi chiều sâu lỗ khoan và công suất nâng hạ dụng cụ. 1 Đường dung dịch vào 2 Đường dung dịch ra 3 Mùn khoan vào ống lắng 1-23 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-24 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
IV. CÁC CHẤT ĐỂ RỬA LỖ KHOAN GEOPET IV. CÁC CHẤT ĐỂ RỬA LỖ KHOAN GEOPET Tùy theo môi trường phân tán, chia thành 2 loại: Một số chất để rửa lỗ khoan tương đối phổ biến: Chất rửa lỗ khoan có môi trường phân tán là chất lỏng Nhóm có môi trường phân tán là nước: dung dịch sét, dung dịch tự Dung dịch sét dùng trong điều kiện địa chất không phức tạp lắm, có tác nhiên (dung dịch cacbônat, sunfat), huyền phù nước thô. dụng làm sạch đáy lỗ khoan, làm lạnh dụng cụ phá đá, làm chắc thành lỗ Nhóm có môi trường phân tán không phải là nước (dầu mỏ hay khoan, tránh sự lắng đọng mùn khoan khi ngưng tuần hoàn, tránh sự cacbua hydro): dung dịch gốc dầu, dung dịch nhũ tương sét. xâm nhập của dầu, khí, nước vào lỗ khoan. Chất rửa lỗ khoan có môi trường phân tán là chất khí: không khí hay chất Nước lã dùng để khoan qua đất đá tương đối ổn định. Khi khoan, nước lã khí tự nhiên. hòa lẫn với mùn khoan tạo thành dung dịch tự nhiên (khoan qua đávôi, dolomit tạo thành dung dịch cacbonat, khi khoan qua anhydrit thạch cao, Ngoài ra còn dùng dung dịch nhẹ là hỗn hợp giữa khí và nước. dung dịch sun phát). Ưu điểm: Trọng lượng riêng nhỏ, tổn thất áp lực ít do đó tăng tốc độ cơ học khoan 15 - 20% so với sử dụng các loại dung dịch khác. Theo quan điểm tốc độ cơ học khoan, các chất rửa lỗ khoan tốt nhất theo thứ tự: chất khí, nước lã, dung dịch sét. Nhưng xét một cách toàn diện thì Khuyết điểm: Không giữ mùn khoan lơ lửng do đódễ gây kẹt bộ dụng các chất rửa tốt nhất theo thứ tự: dung dịch sét, nước lã, chất khí. cụ khoan. 1-25 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-26 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. CÁC CHẤT ĐỂ RỬA LỖ KHOAN GEOPET IV. CÁC CHẤT ĐỂ RỬA LỖ KHOAN GEOPET Dung dịch nhũ tương sét: nhũ tương dầu hay sản phẩm của dầu Dung dịch muối bão hòa: Dùng để khoan qua các vỉa muối khoáng trong dung dịch sét. Loại dung dịch này ngăn cản các hạt mùn hay các lớp đất đá liên kết bằng các loại muối khoáng có thể hòa khoan dính nhau và hạn chế việc tạo “nút” đất đá nên người ta tan được. Khi khoan qua loại muối nào thì dùng dung dịch bão hòa thường dùng để khoan trong vùng dễ bị sập lở, kẹt mút. Dung dịch là loại muối đó. Dung dịch muối khoáng không bị đóng băng ở nhiệt này có khả năng làm giảm độ mòn của choòng và giảm công suất độ âm do đó người ta dùng dung dịch này để khoan qua vùng đóng quay cột cần khoan do chúng bôi trơn tốt hơn các loại rửa khác. băng quanh năm. Dung dịch gốc dầu: Môi trường phân tán là dầu (diesel ) và chất Khí nén: Dùng để rửa lỗ khoan ở vùng không có nước, vùng đóng phân tán là bitum hay các chất hữu cơ khác (đóng vai trò chất tạo băng hay vùng dễ mất nước rửa. Dùng không khí tự nhiên, khí thải cấu trúc, ổn định dung dịch). Dùng để khoan qua vùng dầu có áp của động cơ đốt trong sẽ tăng tốc độ cơ học khoan từ 2 đến 5 lần lực vỉa thấp, tạo điều kiện thoát dầu khi khai thác chúng, loại dung so với dùng các loại nước rửa. Phương pháp này bị hạn chế trong dịch này có độ nhớt cao, tỷ trọng nhỏ hơn 1. các vùng có nước áp lực. Ngoài ra người ta còn dùng dung dịch nhẹ là hỗn hợp nước hay dung dịch với không khí hay khí tự nhiên. 1-27 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-28 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
GEOPET CÂU HỎI GEOPET 1. Trình bày các chức năng cơ bản của dung dịch khoan và phân tích các chức năng đó. KẾT THÚC CHƯƠNG 1 2. Trình bày nguyên tắc hoạt động của các phương pháp rửa lỗ khoan cơ bản. So sánh ưu điểm và nhược điểm của phương pháp rửa thuận và phương pháp rửa nghịch. 3. Phân loại các chất rửa lỗ khoan phổ biến trong khoan dầu khí. 1-29 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 1-30 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
NỘI DUNG GEOPET CHƯƠNG 2 I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG DUNG DỊCH SÉT II. DUNG DỊCH SÉT III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA DUNG DỊCH SÉT IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT 2-2 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET 1.1. Sự hình thành và phân loại 1.1. Sự hình thành và phân loại Sét là một loại đátrầm tích phổ biến trong vỏ trái đất, có khả năng 1.2. Các tính chất tác dụng với nước thành vật thể dẻo và giữ nguyên trạng thái có a. Tính dẻo sẵn khi khô, khi nung lên thì có độ cứng khá cao. b. Tính chịu nhiệt Sét là các khoáng chất phyllosilicat nhôm ngậm nước, được hình thành do kết quả của quá trình phong hóa các khoáng vật như c. Tính hấp phụ fenpat, silicat, cacbonat và cả đất đámacma. d. Khả năng sét tạo thành huyền phù bền vững Tùy theo thành phần vật chất của đất đá ban đầu, điều kiện lý hóa e. Tính trương nở (môi trường axít, kiềm, trung tính), khí hậu mà kết quả quá trình phong hóa có thể tạo thành các đất sét có thành phần khoáng vật và f. Tính ỳ với hóa học tính chất rất khác nhau. Có khoảng 30 loại đất sét “nguyên chất”. 2-3 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-4 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET Hình thành Phân loại Môi trường axit Theo nguồn gốc hình thành: sét eluvi và sét trầm tích • Sét eluvi: sự tích tụ tại chỗ của các sản phẩm phong hóa từ đất đá • Sét trầm tích: do sự dịch chuyển và lắng đọng tại một chỗ khác của sản phẩm đất đábị phong hóa K2OAl2O3.6SiO2 + CO2 + 2H2O = K2CO3 + 4SiO2 + Al2O3.2SiO2.2H2O Trong mỗi loại sét trên, người ta lại chia nhỏ thành sét lục địa và Fenspat Kaolinit sét biển. Môi trường kiềm Theo thành phần khoáng vật của sét: chia sét thành nhiều loại, nhóm, mỗi nhóm có thành phần hóa học và mạng tinh thể khác nhau. Một trong những dấu hiệu xác định của khoáng vật sét là tỉ số K OAl O .6SiO + CO + H O = K CO + 2SiO + Al O .4SiO .H O 2 2 3 2 2 2 2 3 2 2 3 2 2 Al2O3/SiO2. Tỉ số này đánh giá khả năng trương nở và phân tán của Fenspat Montmorillonit sét khi gặp nước. Tỉ số càng nhỏ thì tính ưa nước của đất sét càng mạnh, sét trương nở và phân tán mạnh trong nước. 2-5 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-6 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET Theo tỉ số Al2O3/SiO2, có 3 nhóm sét phổ biến và quan trọng là: Nhóm Montmorillonit (M) – Công thức thực nghiệm: Na0.2Ca0.1Al2Si4O10(OH)2(H2O)10 Nhóm sét Công thức Tỉ số – Tìm thấy vào thế kỉ XIX. phân tử Al2O3/SiO2 –Gồm Montmorillenit, beidellit, palưgorkit. Có màu trắng hồng, đỏ nâu, xanh nhạt. Mạng tinh thể có khả năng mở rộng nên khi bị Al2O3.4SiO2.H2O Montmorillonit (M) 1/4 thấm nước sét M nở ra. M được tạo thành chủ yếu ở vùng phong (Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·n(H2O) hóa bề mặt trong môi trường kiềm, phần lớn M được tạo thành do Al O .3SiO .2H O sự phân hủy dưới nước của các tro núi lửa. Hydromica (H) 2 3 2 2 1/3 (K,H3O)(Al,Mg,Fe)2(Si,Al)4O10[(OH)2,(H2O)] Al O .2SiO .2H O Kaolinit (K) 2 3 2 2 1/2 Al2Si2O5(OH)4 2-7 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-8 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET Nhóm Hydromica (H) Nhóm Kaolinit (K) 2+ – Công thức thực nghiệm: K0.6(H3O)0.4Al1.3Mg0.3Fe 0.1Si3.5O10(OH)2·(H2O) –Gồm: Ilit, brammalit, montmoternit –Làmột trong những khoáng vật phổ biến nhất, gồm kaolinit, dikkit, hakrit, naluazit. Màu xám sáng, màu vàng, màu xanh da trời. Khi có oxit – H thường gặp ở dạng các sản phẩm phong hóa tầng dưới của các sắt sẽ có màu từ hồng đến đỏ. khoáng sản kaolin. –K được tạo thành ở điều kiện phong hóa bề mặt trong môi trường axit. – Được dùng nhiều nhất trong sản xuất giấy, thành phần quan trọng để sản xuất giấy glossy. Để điều chế dung dịch sét thì nhóm M là tốt nhất. Đất sét chứa nhiều M gọi là sét bentonit. Sét K nếu không gia công hóa học thì không tạo thành dung dịch tốt. Sét H có tính chất trung gian giữa 2 loại trên. 2-9 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-10 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET 1.2. Các tính chất a. Tính dẻo: khả năng đất sét khi hợp với nước thành khối bột nhão. Dưới tác dụng của ngoại lực, khối bột nhão có thể biến dạng và không bị đứt, nứt. Hình dạng này vẫn được giữ nguyên sau khi ngừng tác Kaolin Kaolinit dụng lực hay đem phơi khô và nung nóng. Phân loại: Sét dẻo cao (rất dẻo) - dẻo trung bình (dẻo) - dẻo vừa phải (khá dẻo) - dẻo thấp (hơi dẻo) - không dẻo. Tính dẻo phụ thuộc chủ yếu vào thành phần khoáng vật của sét, mức độ phân tán của chúng, lượng nước có trong chúng và lượng muối hòa tan chứa trong nước. Trong kỹ thuật gọi sét béo: tính dẻo mạnh, ít cát; sét gầy: tính dẻo thấp, nhiều cát. Một mỏ kaolin ở Bulgaria 2-11 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-12 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET b. Tính chịu nhiệt: xác định khả năng chế tạo các sản phẩm chịu nhiệt c. Khả năng hấp phụ: khả năng sét hấp phụ lên trên bề mặt của mình sử dụng trong công nghiệp, đặc trưng bằng nhiệt độ nóng chảy. các ion và các phần tử của môi trường xung quanh. o o –Sét chịu nhiệt: t nc > 1580 C o o – Sét khó nóng chảy: t nc = 1350 - 1580 C Sét M có tính hấp phụ tốt nhất. Tính hấp phụ của sét được ứng dụng o o làm sạch dầu và mỡ trong công nghiệp thực phẩm, dầu hỏa, làm sạch –Sét dễ nóng chảy: t nc < 1350 C nước. Sét K có độ chịu nhiệt cao. M và H có độ chịu nhiệt kém, dễ nóng chảy. 2-13 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-14 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET d. Khả năng sét tạo thành huyền phù bền vững e. Tính trương nở: khả năng tăng thể tích của sét khi bị thấm nước gọi Sét M và Beidellit ở dạng tự nhiên có khả năng tạo thành huyền phù khi là tính trương nở. có thừa nước. Sét có cấu tạo và thành phần khác nhau thì tính trương nở của chúng Trong huyền phù các hạt sét riêng biệt bị dính lại với nhau và khi nồng độ cũng khác nhau. Một trong những yếu tố xác định tính trương nở là sét trong nước đủ lớn thì chúng sẽ tạo thành một mạng lưới liên tục trong thành phần khoáng vật của sét. Sét Na (M) nở mạnh nhất. toàn bộ thể tích huyền phù. Mạng lưới này ngăn cản những hạt lớn như cát không bị lắng xuống trong huyền phù. Các loại sét sau có tính nở giảm dần là: Beidellit, Monnoternit, Hydromica, Kaolinit (hầu như không nở). Dung dịch sét dùng trong khoan địa chất yêu cầu có khả năng giữ được các hạt chất làm nặng (barit, hematit ) và các hạt mùn khoan ở trạng thái Sét Na (M) nở rất mạnh và rất nhanh. Sét Ca (M) ở trạng thái tự nhiên lơ lửng. không có tính trương nở. 2-15 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-16 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
I. SÉT VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG GEOPET II. DUNG DỊCH SÉT GEOPET f. Tính ỳ với hóa học: tính chất sét không tham gia vào các liên kết hóa 2.1. Khái niệm về dung dịch học với một vài loại axít hay kiềm. 2.2. Hệ phân tán Nguyên nhân của hiện tượng này do thành phần hóa học của sét. 2.3. Dung dịch sét Ứng dụng: K tạo nên độ cứng và độ chịu axit của cao su và làm trắng giấy, B dùng để tạo nhiều bọt trong công nghiệp xà phòng. 2-17 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-18 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết II. DUNG DỊCH SÉT GEOPET II. DUNG DỊCH SÉT GEOPET 2.1. Khái niệm về dung dịch: đường kính φ hạt hòa tan <10-6 mm. 2.2. Hệ phân tán: đường kính Φ chất phân tán ≥10-6 mm. Dung dịch là 1 hệ đồng thể bao gồm 2 hay nhiều vật chất. Vật chất bị Là 1 hệ bao gồm 2 hay nhiều pha (tướng) mà một trong những pha đóbị phân chia thành những phân tử riêng biệt gọi là chất hòa tan. Còn chất phân chia thành những phần tử rất nhỏ trong những pha khác. chứa các phân tử bị phân chia gọi là môi trường hòa tan. Chất bị phân tán thành những phần tử rất nhỏ gọi là chất phân tán hay Dung dịch thật: nước muối, các dung dịch kiềm, dung dịch axit. Trong đó pha phân tán, chất chứa các phần tử nhỏ bị chia ra gọi là môi trường chất hòa tan bị phân chia thành từng phân tử, nguyên tử hay ion và phân phân tán. bố đều trong môi trường hòa tan. Tính chất của dung dịch thật sẽ không Hệ phân tán được chia ra làm nhiều loại: thay đổi nếu như không để một phản ứng hóa học nào xảy ra trong chúng. – Hệ phân tán có môi trường phân tán là chất lỏng: dầu trong nước, khí Ngoài dung dịch thật còn có các loại dung dịch khác trong đó các phần tử tự nhiên trong dung dịch bị phân chia ra không phải là một phân tử bao gồm hàng chục, trăm, – Hệ phân tán có môi trường phân tán là chất khí: sương mù, khói, bụi. nghìn hay hàng triệu phân tử ví dụ như: sữa, thủy tinh lỏng (Na SiO ), 2 3 – Hệ phân tán có môi trường phân tán là chất rắn: dung dịch keo rắn thuốc màu hòa với nước. 2-19 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-20 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
II. DUNG DỊCH SÉT GEOPET II. DUNG DỊCH SÉT GEOPET 2.3. Dung dịch sét Do thành phần của sét trong tự nhiên không đồng nhất nên khi cùng một loại sét tiếp xúc với nước, không phải tất cả các hạt sét đều đạt tới kích Khi sét tiếp xúc với nước, nước phủ lên trên các khối sét và thấm vào thước nhất định, mà bên cạnh những hạt sét nhỏ vẫn còn những hạt sét bên trong chúng theo các khe nứt và vết rạn nhỏ - làm chúng bị phân tán lớn, do cấu tạo bản thân không thể phân tán nhỏ hơn được. Như vậy, dù thêm thành những phần tử nhỏ hơn. Sự phân tán này càng có hiệu quả điều chế bằng bất cứ một loại sét gì ta cũng không thể thu được một hệ khi có thêm tác dụng của các lực cơ học hay thủy lực trong quá trình phân tán đồng chất được. phân tán. Trong dung dịch sét tồn tại hai hệ phân tán: hệ phân tán keo và hệ phân Kết quả của quá trình phân tán tạo thành hệ phân tán gồm 2 pha: pha tán huyền phù, gọi là hệ phân tán keo - huyền phù, chứ không phải là phân tán là sét và môi trường phân tán là nước. dung dịch như ta thường gọi. Nhưng do thói quen nên người ta vẫn dùng tên gọi này. Tùy theo tính chất của từng loại sét mà khi rơi vào trong nước, chúng phân tán thành các hạt có kích thước khác nhau, mức độ phân tán khác nhau và tạo thành Sét Bentonit Na + H2O → các thể misel (hạt keo) các hệ phân tán có chất lượng khác nhau. Do trọng lượng nhỏ + chuyển động Brawn → Hệ phân tán bền vững -6 -4 Hệ phân tán keo: kích thước các hạt sét từ 10 -10 mm Sét Bentonit Ca + H2O → không phân chia thành các hạt sét nhỏ hơn Hệ thống huyền phù: kích thước các hạt >10-4 mm → hệ phân tán không bền 2-21 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-22 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Bao gồm các thông số sau: 3.1. Trọng lượng riêng (ρ, kg/m3) Αα Alpha a Νν Nu n 1. Trọng lượng riêng (γ) Ββ Beta b Ξξ Xi x Trọng lượng riêng của dung dịch là trọng lượng của một đơn vị thể tích. 2. Độ nhớt (µ) Γγ Gamma g Οο Omicron o P mg 3. Ứng suất trượt tĩnh (τ) γ = = = ρg ∆δ Delta d Ππ Pi p V V 4. Độ thải nước (B) Εε Epsilon e Ρρ Rho r P: Trọng lượng của khối dung dịch 5. Hàm lượng cát (Π) Ζζ Zeta z Σσ, ς Sigma s V: Thể tích khối dung dịch 6. Độ ổn định (C) Ηη Eta e, ē Ττ Tau t m: Khối lượng khối dung dịch 7. Độ lắng ngày đêm (O) Θθ Theta th Υυ Upsilon u, y ρ: Khối lượng riêng của dung dịch Ιι Iota i Φφ Phi ph g: gia tốc rơi tự do Κκ Kappa k Χχ Chi ch Λλ Lambda l Ψψ Psi ps Trọng lượng riêng của dung dịch sét phụ thuộc vào tỷ lệ và tính chất của Μ µ Mu m Ωω Omega o nước và sét để pha chế dung dịch, phụ thuộc vào lượng chất phản ứng, chất làm nặng, cát, bọt, khí. 2-23 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-24 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Trọng lượng riêng của dung dịch có tác dụng tạo nên áp suất thủy tĩnh Trọng lượng riêng được xác định bởi phù kế & tỷ trọng kế dạng cân. tác động vào thành lỗ khoan để chống lại các hiện tượng sập lở, hiện tượng phun, dầu, khí, nước Khi khoan vào những tầng đất đá có áp lực vỉa cao, dung dịch cần có trọng lượng riêng lớn để tạo nên một áp lực thủy tĩnh lớn trên thành lỗ khoan. Trong điều kiện khoan bình thường không nên tăng trọng lượng riêng của dung dịch vì những tác hại sau: làm giảm tốc độ khoan, tăng công suất tiêu hao cho bơm, tăng tổn thất dung dịch vào các khe nứt, lỗ hổng. Tỉ trọng kế dạng cân 9 Trong điều kiện khoan bình thường: ρ = 1,05 - 1,25 g/cm3 9 Trong điều kiện khoan phức tạp: ρ = 1,3 - 1,8 g/cm3 Phù kế 2-25 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-26 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Mud balance Tỷ trọng của một số thành phần dung dịch thông thường graduated arm Đơn vị Vật liệu g/cm3 lb/gal lb/ft3 lb/bbl rider Nước 1,0 8,33 62,4 350 spirit level lid Dầu 0,8 6,66 50 280 Barite 4,3 35,8 268 1500 knife edge Sét 2,5 20,8 156 874 counterweight Muối 2,2 18,3 137 770 cup base 2-27 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-28 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
GEOPET GEOPET Công thức quy đổi cơ bản: Ví dụ đổi kg/m3 thành psi/ft: – Kích thước: 1 in = 2,54 cm, 1 ft = 0,3048 m 3 3 3 3 –Thể tích: 1 in = 16,39 cm ; 1 m = 35,31 ft psi6,8948× 1032 P 6894,8 N / m == –Khối lượng: 1 kg = 2,205 lbm ft0,3048 m 0,3048 m –Tốc độ: 1 m/s = 196,85 ft/min = 2,237 mph (6894,8/9,81)kg ==2305,89kg / m3 –Áp suất: 1 psi = 6,8948 kPa = 0,068 at = 51,715 mmHg 0,3048m3 – Công suất: 1 kW = 1,341 hp –Khối lượng riêng: 1 g/cm3 = 62,3 lb/ft3 = 8,33 lb/gal –Nước: ρ = 1000 kg/m3 = 0,434 psi/ft –Dầu: ρ = 900 kg/m3 = 0,39 psi/ft Biết dầu có khối lượng riêng ρ = 900 kg/m3, – Không khí ở đk thường: ρ = 1,168 kg/m3 = 5.10-4 psi/ft hãy tính khối lượng riêng của dầu đóbằng đơn vị psi/ft? 2-29 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-30 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT 3.2. Độ nhớt (µ, cp) Chất lỏng Newton: dung dịch không chứa các phần tử lớn hơn kích thước phân tử: nước, dung dịch muối, dầu, glycerine, Độ nhớt là hệ số góc của Lưu biến học: nghiên cứu sự biến dạng và chảy của vật chất, bao gồm đường đặc tính ổn định (consistency curve). chất rắn có tính dẻo (chất dẻo, cao su, ) và chất lỏng phi Newton (dầu, Chất lỏng phi Newton: dung dịch chứa đáng kể các phân tử kích thước lớn dung dịch khoan, ximăng, sơn, mực in, thực phẩm, dịch cơ thể hơn phân tử, bao gồm: người, ). Về tổng quát, tính lưu biến phụ thuộc ứng suất trượt, vận tốc –Chất lỏng Bingham: đặc trưng bằng ứng suất trượt tới hạn (yield-point) - ứng trượt, nhiệt độ và áp suất. suất tối thiểu để chất lỏng bắt đầu xuất hiện sự biến dạng. Khi ứng suất vượt quá ứng suất trượt tới hạn, chất lỏng tuân theo mô hình Newton. Ví dụ: dung Độ nhớt: một đặc tính của lưu chất, thể hiện khả năng chống lại sự dịch dịch sét có hàm lượng hạt rắn cao. chuyển tương đối giữa các phần tử của lưu chất. –Chất lỏng tuân theo mô hình hàm mũ: quan hệ giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt tuân theo quy luật hàm mũ. Dung dịch khoan, tùy theo hàm lượng hạt rắn, thể hiện đặc tính trung gian giữa chất lỏng dẻo Bingham và chất lỏng theo mô hình hàm mũ. 2-31 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-32 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Các mô hình chất lỏng Độ nhớt thực: tỉ số của ứng suất trượt và tốc độ trượt. am ingh Đối với dung dịch khoan, độ nhớt thực tỉ lệ nghịch với tốc độ trượt. Hiện ẻo B ng d ất lỏ tượng này gọi là shear thinning (giảm trượt). Ch ởng lý tư mũ hàm hình Độ nhớt dẻo Mô n Dd khoan điển hình ạ t i h t ớ ượ n t t to w ượ Ne t tr ng ượ ỏ ấ ất l t tr Ch ấ t tr ấ ng su ng su Ứ Ứ ng su µ µ3 Ứ 2 Độ nhớt µ1 Tốc độ trượt V1 V2 V3 Tốc độ trượt 2-33 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-34 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Trong cần khoan: tiết diện nhỏ, tốc độ dung dịch cao Độ nhớt dung dịch <> Tốc độ khoan Î độ nhớt thấp Î ít hao tốn công suất bơm 9 Khi tăng độ nhớt của dung dịch, có thể khoan được trong đất đánứt nẻ, nhiều lỗ hổng, có áp lực vỉa thấp và dung dịch đỡ bị mất mát. Đồng Trong khoảng không vành xuyến: tiết diện lớn, tốc độ dung dịch thấp thời, khi tăng độ nhớt còn giúp cho việc lấy mẫu đạt tỷ lệ cao, tạo điều Î độ nhớt cao kiện tốt để mang mùn khoan lên mặt đất và tăng độ ổn định của thành Î khả năng nâng mùn khoan cao giếng khoan trong đất đábở rời. 9 Tuy nhiên, khi độ nhớt tăng, tổn hao công suất bơm tăng, hệ số hút Tỉ số của ứng suất trượt tới hạn (yield point) và độ nhớt dẻo (plastic đẩy của máy bơm giảm và khó loại trừ mùn khoan khỏi dung dịch. viscosity) đặc trưng và tỉ lệ thuận với độ lớn của hiện tượng giảm trượt. Ngoài ra, dung dịch khoan còn có hiện tượng thixotropy: độ bền gel của dung Ở điều kiện khoan bình thường, người ta không dùng dung dịch có độ dịch tăng theo thời gian sau khi kết thúc những dao động. Nếu sau khi giữ nhớt cao, độ nhớt qui ước của dung dịch thay đổi trong khoảng 20 - 25s. trạng thái yên tĩnh, dung dịch khoan bị trượt đều, độ nhớt của nó sẽ giảm theo thời gian do hệ thống gel bị bẻ gãy. Khi đạt tới trạng thái cân bằng, độ nhớt sẽổn định. 2-35 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-36 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Khi khoan qua tầng sét, độ nhớt của dung dịch sét không ngừng tăng dần Đo độ nhớt: trong thực tế thường dùng khái niệm độ nhớt qui ước, lên. Vì vậy phải xử lý dung dịch bằng hóa chất hoặc pha thêm nước lã vào được xác định bằng nhớt kế Marsh: là chỉ số chảy loãng của dung dịch dung dịch sét theo từng chu kỳ. biểu thị bằng thời gian (đo bằng giây) chảy hết 946 cm3 dung dịch qua phểu có dung tích 1500 cm3 và đường kính trong lỗ phễu là 4,75 mm. Các chất làm giảm độ bền gel của dung dịch gốc nước lại gây tác dụng Ví dụ: độ nhớt ổn định của nước sạch ở 20oC là 26s. ngược: chúng làm phân tán sét thành các mảnh nhỏ. Các mảnh này 9 Trong điều kiện khoan bình thường: độ nhớt T = 30 - 35s không thể tách ra tại bề mặt mà tiếp tục tuần hoàn cho tới khi còn kích 9 Trong điều kiện khoan phức tạp: độ nhớt T > 60s thước keo. Î việc kiểm soát độ nhớt dung dịch rất khó khăn và tốn kém khi khoan qua các thành hệ sét keo bằng dung dịch gốc nước. Nhớt kế Marsh 2-37 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-38 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Độ nhớt thực µ (mPa s hay cp) được xác định bằng tỉ số giữa ứng suất trượt (τ) và tốc độ trượt (V ) t τ µ = Vt Trong thực tế việc xác định độ nhớt thực rất khó. Độ nhớt biểu kiến của dung dịch được xác định bằng công thức thực nghiệm sau: 300θ µ = n a N Trong đó: θn: số đo trên nhớt kế Fann, biểu diễn giá trị ngẫu lực do dung dịch khoan truyền cho xilanh bên trong ứng với một tốc độ quay xác định của nhớt kế Fann, độ. N: tốc độ của nhớt kế Fann, vòng/phút. Nhớt kế Fann 2-39 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-40 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT 3.3. Ứng suất trượt tĩnh (τ, mG/cm2) • Clay yield (sản lượng sét): Là đại lượng đặc trưng cho độ bền cấu trúc (hay tính lưu biến) của dung số barrel dung dịch khoan có độ nhớt 15 cp có thể sản dịch khi để nó yên tĩnh sau một thời gian xác định. xuất được từ 1 tấn sét. Độ bền cấu trúc của dung dịch được đo bằng một lực tối thiểu cần đặt vào một đơn vị diện tích 1cm2 vật thể nhúng trong dung dịch để làm nó chuyển • Ví dụ: 20 lb/bbl của sét động. bentonit có thể tạo được Ứng suất trượt tĩnh của dung dịch sét phụ thuộc vào sét, nước và chất dung dịch có độ nhớt 15 cp. 15 Dung dịch này sẽ chứa 6% phóng hóa học tạo thành dung dịch. Sét có độ phân tán càng kém, nước khối lượng hạt rắn, sản càng cứng thì ứng suất trượt tĩnh của dung dịch càng nhỏ, cấu trúc của nó lượng sét là 90 bbl/ton, 2,5% có độ bền kém. thể tích hạt rắn và có tỉ trọng là 8,7 ppg. 2-41 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-42 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Công thức tính độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh khi đo Dung dịch có ứng suất trượt tĩnh lớn sẽ được dùng làm nước rửa khi bằng máy Fann: khoan qua đất đácóáp lực vỉa thấp, nhiều lỗ hổng và khe nứt. Khi đóhiện tượng mất nước rửa sẽ bị hạn chế. Dung dịch cần làm nặng thì ban đầu cũng phải có ứng suất trượt tĩnh lớn. Những điều này được giải thích như • Độ nhớt dẻo µp(cp) = θ600 - θ300 sau: mạng lưới cấu trúc của dung dịch càng bền (ứng suất trượt tĩnh càng lớn) thì khả năng từng phân tử sét hoặc nước tách ra khỏi khối dung dịch • Ứng suất trượt tới hạn τy (lb/100 sqft) = θ300 -µp để đi vào các kẽ nứt, lỗ hổng khó hơn và khả năng của dung dịch giữ • Độ nhớt biểu kiến µa (cp) = 0,5.θ600 những hạt chất làm nặng ở trạng thái lơ lững tốt hơn. với θ300, θ600: số đo tương ứng với số vòng quay 300 và 600 vòng/phút 2 của nhớt kế Fann. Dung dịch sét chất lượng bình thường τ = 15-40 mG/cm . Để pha chế chất làm nặng, dung dịch sét ban đầu phải có τ = 30-50 mG/cm2. Để chống sự mất nước, dung dịch phải có: τ = 100 - 120 mG/cm2. 2-43 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-44 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Trong thực tế, cần thiết kế để ứng suất trượt tĩnh của dung dịch chỉ vừa Tính lưu biến của dung dịch khoan rất quan trọng khi tính toán: đủ để giữ mùn khoan và barite ở trạng thái lơ lửng khi ngưng tuần hoàn. 1. Tổn thất áp suất dọc đường ống và khoảng không vành xuyến Nếu ứng suất trượt tĩnh quá lớn: 2. Áp suất nâng-thả (swab-surge) khi khoan − Ngăn cản quá trình tách mùn khoan và khí ra khỏi dung dịch 3. Tỉ trọng dung dịch tuần hoàn tương đương (ECD) − Cần phải tăng áp suất để tái tuần hoàn dung dịch sau khi thay choòng 4. Mô hình dòng chảy trong khoảng không vành xuyến − Khi nâng cần khoan, dễ xảy ra hiện tượng sụt áp cột dung dịch tại 5. Ước lượng hiệu quả làm sạch đáy giếng choòng, có thể gây ra hiện tượng xâm nhập nếu cột áp chênh lệch lớn 6. Đánh giá khả năng nâng hạt rắn − Tương tự, khi hạ cần khoan, có thể gây vỡ vỉa và thất thoát dung dịch 7. Vận tốc vòi phun và tổn thất áp suất tại choòng 8. Vận tốc lắng của hạt cắt trong giếng thẳng đứng 2-45 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-46 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT 3.4. Độ thải nước (B, cm3/30’) Quá trình hình thành vỏ sét trên thành giếng khoan Độ thải nước của dung dịch sét là khả năng nước lã tách ra khỏi dung dịch để đi vào khe nứt và lỗ hổng của đất đá xung quanh thành lỗ –Các hạt sét hoặc mùn khoan có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ rỗng khoan dưới tác dụng của áp suất dư ∆P = P -P tt v của thành hệ sẽ bám vào bề mặt các lỗ rỗng. Độ thải nước API là lượng nước tính bằng cm3 thoát ra từ dung dịch –Các hạt có kích thước nhỏ hơn sẽ được vận chuyển sâu hơn vào trong khoan khi thấm lọc qua giấy lọc có đường kính 75 mm sau khoảng lỗ rỗng. thời gian 30 phút dưới áp suất 100 psi. –Lớp vỏ sét hình thành từ từ và chỉ cho phép hạt kích thước càng ngày Kèm theo hiện tượng thải nước là sự tạo thành vỏ sét trên thành lỗ càng nhỏ xâm nhập qua. khoan. Độ dày vỏ sét càng thấp càng tốt, giá trị bình thường: 3 mm. –Cuối cùng, lớp vỏ sét chỉ cho thấm chất lỏng. • Trong điều kiện khoan bình thường B = 10-25 cm3/30' •Phức tạp: B < 10 cm3/30' 2-47 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-48 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Dung dịch sét có độ thải nước lớn sẽ tạo ra trên thành lỗ khoan lớp vỏ sét Độ thấm của vỏ sét xốp, dày, làm tiết diện lỗ khoan bị thu hẹp lại → khoan chậm hoặc kẹt bộ dụng cụ khoan khi nâng. Sự thải nước vào đất đá xung quanh thành lỗ khoan còn phá hoại sựổn định của đất đá liên kết yếu → hiện tượng –Phụ thuộc kích cỡ hạt trong dung dịch khoan, dung dịch càng chứa trương nở và sập lở đất đá đóbịt kín và làm mất lỗ khoan. Dung dịch sét nhiều hạt kích thước nhỏ (keo) thì độ thấm càng thấp. có độ thải nước nhỏ sẽ tránh được những sự cố kể trên. –Phụ thuộc tính điện hóa của dung dịch Độ thải nước và bề dày vỏ sét tùy thuộc vào mức độ mài mòn của bề mặt –Muối hòa tan trong dung dịch sét làm tăng độ thấm của vỏ sét. Để vỏ sét trong quá trình khoan. khắc phục, cần bổ sung một số chất keo hữu cơ. • Khi dung dịch khoan ổn định, độ thải nước và bề dày vỏ sét tỉ lệ thuận với căn –Các chất làm giảm độ bền gel thường cũng làm giảm độ thấm của vỏ bậc 2 của thời gian. sét do chúng phân tán sét thành các hạt nhỏ. • Khi dung dịch khoan vận động, nếu sự hình thành vỏ sét cân bằng với tốc độ mài mòn thì vỏ sét có bề dày ổn định và độ thải nước cũng ổn định. 2-49 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-50 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT Khi khoan qua vỉa sản phẩm, cần tối thiểu hóa độ thải nước và hình thành vỏ sét, do: – Độ thấm của vỉa sản phẩm có chứa sét sẽ giảm do sét trương nở khi gặp nước hoặc nước vận chuyển các hạt mịn tại chỗ vào sâu trong vỉa –Áp suất vỉa không đủ lớn để đẩy tất cả nước xâm nhập ra khỏi vỉa khi đưa giếng vào khai thác. –Các hạt mịn trong mùn khoan xâm nhập và bít nhét các kênh dẫn. –Tương tác hóa học giữa dung dịch và vỉa có thể tạo kết tủa trong vỉa. Cấu tạo thiết bị đo độ thải nước 2-51 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-52 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT Các loại thiết bị đo độ thải nước 3.5. Hàm lượng cát (Π, %) Định nghĩa: Hàm lượng cát và các phần tử chưa tan là thể tích cặn thu được khi để dung dịch pha loãng bằng nước lã theo tỉ lệ 9:1 ở trạng thái yên tĩnh sau 1 phút, tính bằng % theo thể tích dung dịch. Là đại lượng thể hiện phẩm chất của đất sét pha chế dung dịch và mức độ nhiễm bẩn của nó. Dung dịch có hàm lượng cát lớn thì mức độ làm mòn dụng cụ khoan và các chi tiết của máy bơm lớn; dễ gây kẹt dụng cụ khoan do hình thành vỏ sét dày. Giá trị hàm lượng cát của dung dịch sét bình thường nhỏ hơn 4% là đạt yêu cầu. Tiêu chuẩn Tạo áp bằng CO2 Nhiệt độ cao, áp suất cao Xác định hàm lượng cát bằng bình lắng. 2-53 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-54 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN Bộ dụng cụ đo hàm lượng cát GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT Quy trình đo hàm lượng cát 1. Đổ dung dịch cần đo vào ống lắng tới mức “Mud to here”. Sau đó Wash bottle thêm nước cho tới mức “Water to here”. Bịt kín ống lắng và lắc mạnh, đều. Funnel 2. Đổ dung dịch từống lắng qua rây lọc và làm sạch ống lắng bằng nước sạch. Dung dịch qua rây và nước rửa ống lắng được thu hồi. Hạt rắn còn lại trên rây được rửa sạch. Không dùng lực để ép hạt rắn qua rây. Glass Measuring Tube 3. Gắn phểu vào phía trên rây và từ từ lật ngược rây. Hướng đầu phểu Sieve vào ống lắng. Dùng tia nước nhỏ để rửa sạch rây. Chờ cho cát lắng. 4. Ghi lại hàm lượng hạt rắn. Lưu ý: đối với dung dịch khoan gốc dầu, dùng dầu diesel thay cho nước. Plastic Carrying Case 2-55 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-56 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT CỦA DUNG DỊCH SÉT Tiêu chuẩn API về cỡ hạt 3.6. Độ ổn định (C, g/cm3) Là đại lượng đặc trưng cho khả năng giữ dung dịch ở trạng thái keo. Kích thước Phân loại hạt Cỡ rây Có thể hiểu độ ổn định là hiệu số tỷ trọng của hai phần dung dịch dưới và bên trong cùng một cốc, sau khi để chúng yên tĩnh một ngày đêm. Hơn 2000 micron Thô 10 Giá trị độ ổn định càng nhỏ thì chứng tỏ dung dịch được giữ vững ở 2000 – 250 micron Lớn 60 trạng thái keo (dung dịch ổn định). Dung dịch sét ổn định có khả năng 250 – 74 micron Trung bình 200 giữởtrạng thái lơ lửng những hạt mùn khoan và những hạt chất làm nặng. Dung dịch kém ổn định dễ dẫn đến sự cố kẹt dụng cụ khoan. 74 – 44 micron Mịn 325 Phân loại: 44 – 2 micron Cực mịn _ • Dung dịch sét bình thường: C ≤ 0,02 (g/cm3) 2 – 0 micron Keo _ •Sét nặng C ≤ 0,06 (g/cm3) Xác định độ ổn định bằng dụng cụ đo độ ổn định. 2-57 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-58 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET CỦA DUNG DỊCH SÉT 3.7. Độ lắng ngày đêm (O, %) Hiệu quả của dung dịch khoan liên quan trực tiếp tới Là lượng nước thoát ra trên bề mặt dung dịch sét sau khi để nó yên trọng lượng riêng, độ nhớt, độ bền gel và tính thấm tĩnh một ngày đêm. Độ lắng ngày đêm lớn thì chứng tỏ dung dịch sét không ổn định, mức độ phân tán của sét thấp không thể làm nước rửa lọc. Các tính chất này do thành phần keo hoặc sét có trong những điều kiện khoan phức tạp. trong dung dịch quyết định. Dung dịch sét bình thường có O = 2-4%, dung dịch sét chất lượng tốt có O rất nhỏ. Xác định độ lắng ngày đêm của dung dịch bằng bình chia độ. 2-59 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-60 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET 4.1. Chọn nguyên liệu 4.1. Chọn nguyên liệu 4.2. Tính toán để điều chế dung dịch sét Quá trình điều chế dung dịch là sự phân tán đất sét đến các phần tử nhỏ nhất trong nước. Chất lượng dung dịch điều chế được, phụ thuộc chủ yếu 4.3. Điều chế dung dịch sét vào chất lượng của nước và đất sét đem dùng để điều chế dung dịch. Chọn nước –Nước dùng để điều chế dung dịch phải là nước mềm. Do trong nước cứng chứa nhiều muối hòa tan, nên nếu dùng sẽ tạo dung dịch có độ nhớt lớn (dung dịch bị ngưng kết). Mặt khác trong nước cứng sét không được phân tán hoàn toàn và kích thước các hạt sét sẽ lớn. Như vậy dùng nước cứng sẽ tạo nên dung dịch có chất lượng kém. –Nước đem dùng phải không có sức ăn mòn kim loại, nghĩa là độ pH phải lớn. Độ cứng của nước cho ta biết hàm lượng muối Ca2+ và Mg2+ chứa trong chúng. – Để biểu thị độ cứng của nước tùy từng nước mà người ta dùng các đơn vị khác nhau. 2-61 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-62 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET Tính độ cứng của nước theo miligam đương lượng Thường trong nước cứng chứa cả muối Ca2+ và muối Mg2+. Muốn xác (Đương lượng: khối lượng tính bằng gam của một chất sẽ phản ứng với 6,022.1023 electron.) định độ cứng của nước, phải đổi từ lượng Mg2+ sang Ca2+ bằng cách Bằng cách biểu thị này, 1 miligam đương lượng tương đương với 20,04 mg Ca2+ nhân với 1,4. Tổng lượng CaO và MgO (đã đổi ra theo CaO) chia cho số 2+ hay 12,16 mg Mg . Theo Alekin, nước có độ cứng 1,5-3 mg-eq là nước mềm. mg tương ứng với 10 của độ cứng, ta sẽ được độ cứng của nước tính Nước có độ cứng 3-6 mg-eq có thể dùng để điều chế dung dịch được, còn từ 6-9 theo độ Đức, độ Anh, độ Pháp. mg-eq không thể điều chế dung dịch. Bảng chuyển đổi từ độ sang miligam đương lượng: Tính độ cứng của nước tùy theo độ Theo phương pháp này người ta quy định hàm lượng muối ứng với 1 độ cứng và Quốc gia Hệ số chuyển đổi theo đómàxác định độ cứng của nước theo hàm lượng muối chứa trong chúng. Thang đo độ cứng không thống nhất giữa các nước. Do đókhi gọi đơn vị độ cứng Đức 0,36663 thường kèm theo tên của nước sử dụng đơn vị độ cứng đó. Anh 0,28483 • Ở Liên Xô, Đức: 10 của độ cứng ứng với 10 mg CaO trong 1 lít nước. 0 Pháp 0,19982 • Ở Pháp 1 ứng với 10 mg CaCO3/l nước. 0 • Ở Mỹ 1 ứng với 1 mg CaCO3/l nước. Mỹ 0,01998 0 • Ở Anh 1 ứng với 1 mg CaCO3/galon nước. 2-63 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-64 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET Tùy theo độ cứng của nước tính theo các độ trên, người ta chia nước ra Để điều chế dung dịch, không được dùng nước có độ cứng > 120 Đức. làm nhiều cấp. Nếu nước có độ cứng lớn thì phải thêm vào nước các hóa chất để làm Ví dụ: nếu tính theo độ Đức: giảm độ cứng. Thường người ta dùng trinatriphotsphat (Na3PO4) hay soda - Nước mềmH0 30 Đức trinatriphotsphat. Chú ý: soda chỉ dùng để làm mềm nước khi trong nước không có muối Bicacbonat Canxi (Ca(HCO3)2) hay BicacbonatManhe (Mg(HCO3)2). Khi dùng nước khoáng hay nước biển để điều chế dung dịch hay khi khoan qua các vỉa muối mỏ, đất đáchứa các muối hòa tan, thì phải cho vào dung dịch các chất hóa học đặc biệt. 2-65 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-66 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET Chọn sét Đánh giá sơ bộ sét dùng để điều chế dung dịch: Sét có tác dụng quyết định đến chất lượng của dung dịch. – Khi sét có độ ẩm tự nhiên và trong không khí thô thì có sức chống vỡ khá lớn và khi vỡ tạo thành các mép nhọn. Trong đa số các trường Để đánh giá chất lượng của sét, phải biết được thành phần khoáng vật, hợp, ngay cả đối với các khối sét nhỏ cũng không thể dùng ngón tay thành phần độ hạt và hàm lượng muối chứa trong chúng. mà ấn được. Theo thành phần độ hạt, sét được dùng để điều chế dung dịch cần có các –Khi cắt bằng dao thì có mặt bằng phẳng và có màu sẩm hơn so với tỷ lệ như sau: vết vỡ. − Hạt có kích thước > 0,1mm (cát): 6% − > 0.05mm: 40 – 50% Ngoài các dấu hiệu trên, để đánh giá chất lượng của sét, người ta còn dùng phương Nếu trong sét, hàm lượng cát chiếm tỷ lệ > 6% thì không nên dùng. pháp nhúng ướt. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc: các bột sét khô có thành Tùy theo hàm lượng muối ở trong sét mà sét có thể sử dụng ở các phạm phần khoáng vật khác nhau sẽ hút một lượng nước hay chất điện phân xác định vi khác nhau. Khi điều chế dung dịch bằng sét có nhiều muối, thì phải (1cm3 chẳng hạn) trong các khoảng thời gian khác nhau. dùng các kỹ thuật đặc biệt để gia công chúng. 2-67 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-68 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET 4.2. Tính toán để điều chế dung dịch sét Trong thực tế, người ta thường tính gần đúng thể tích dung dịch trong lỗ khoan bằng cách nhân thêm hệ số mở rộng thành lỗ khoan K. Hệ số này Xác định lượng dung dịch cần điều chế để rửa lỗ khoan thay đổi tùy theo tính chất của đất đá: đất đácàng cứng, thành lỗ khoan ít Lượng dung dịch cần thiết để đảm bảo tuần hoàn trong lỗ khoan được bị phá rộng thì hệ số K sẽ nhỏ và ngược lại đất đá càng mềm, bở rời thì K tính bằng tổng lượng dung dịch trong lỗ khoan (không kể thể tích của sẽ càng lớn. Trường hợp phức tạp K = 2 – 2.5. bộ dụng cụ khoan) và lượng dung dịch trong hệ thống máng, bể chứa. Khi nâng bộ dụng cụ khoan ra khỏi lỗ khoan thì lượng dung dịch cần thiết Việc xác định thể tích dung dịch trong hệ thống máng và bể chứa có để đảm bảo sự tuần hoàn dung dịch trong quá trình khoan sẽ bằng tổng thể dựa theo kích thước cụ thể của chúng. của thể tích lỗ khoan (đã kể đến sự mở rộng thành lỗ khoan) và thể tích bể chứa. Xác định thể tích trong lỗ khoan thì khó khăn hơn vì đường kính thực tế của lỗ khoan và đường kính của choòng không giống nhau, muốn tính chính xác phải có dụng cụ đo đường kính lỗ khoan. 2-69 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-70 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET Lượng dung dịch cần trong quá trình tuần hoàn Xác định lượng sét để điều chế dung dịch VV=++lk V bc V ml Khi điều chế một đơn vị thể tích dung dịch sét, ta có biểu thức: trong đó: Vlk –thể tích lỗ khoan ρdss= vv.(1).ρρ+− sn V –thể tích bể chứa bc 3 trong đó: ρd –khối lượng riêng của dung dịch sét, g/cm Vml –thể tích máng lắng 3 n ρs –khối lượng riêng của sét, thay đổi 2,5 – 2,9 g/cm π 2 ρ –khối lượng riêng của nước, thay đổi 1,0 – 1,03 g/cm3 VKlk= ∑ Dl i . i n 4 i=1 vs –thể tích sét cần để điều chế một đơn vị thể tích dung dịch trong đó: K – hệ số mở rộng thành lỗ khoan Từ biểu thức trên suy ra: Di - đường kính từng đoạn lỗ khoan li -chiều dài đoạn lỗ khoan tương ứng với đường kính Di ρdn− ρ vs = ρs − ρn 2-71 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-72 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET Do vậy khối lượng sét cần thiết để điều chế một đơn vị thể tích dung dịch là: Lượng sét cần thiết để điều chế toàn bộ dung dịch sét sẽ là ρdn− ρ pv== ρρ Pss= β pV ssssρ − ρ s n trong đó: β -hệ số tổn thất dung dịch, β = 1,03. Nếu kể đến độ ẩm của sét, thì: Trong các công thức trên, ta đều tính lượng sét ở dạng khối chặt xít. Trong ρsd()ρρ− n thực tế, sét được đập nhỏ thành khối nhỏ hoặc nghiền thành bột. Do vậy khối ps = lượng riêng của chúng nhỏ hơn. ρs −−+ρρns(1nn . ) Khi tính toán lượng sét, dùng đơn vị thể tích dễ dàng hơn đơn vị khối lượng trong đó: n – độ ẩm của sét, % nên người ta thường tính đổi lượng sét cần để điều chế dung dịch ra thể tích. 2-73 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-74 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET Khối lượng riêng của sét khi đã bị đập nhỏ thành khối nhỏ hoặc bột: 1,6 - 2,1 Xác định lượng nước để điều chế dung dịch T/m3, trung bình: 1,9 T/m3. Khi điều chế một đơn vị thể tích dung dịch sét ta cũng có biểu thức: Do vậy thể tích sét cần thiết để điều chế dung dịch có thể tính theo công ρdnn= vv.(1).ρρ+− ns thức: Ps trong đó: vn –thể tích nước cần để điều chế một đơn vị thể tích dung dịch. Vs = 1, 9 ρs − ρd Suy ra: vn = ρs − ρn ps Hoặc: vn =1− ρs 2-75 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-76 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET Thể tích nước cần thiết để điều chế toàn bộ dung dịch: 4.3. Điều chế dung dịch sét Muốn điều chế dung dịch sét, người ta dùng các máy làm phân tán các VvVnn= β khối hoặc bột sét, chất làm nặng và các chất hóa học trong nước. Hiện Bằng các công thức tính toán trên và qua thực tế kinh nghiệm, người ta cũng nay, người ta dùng nhiều loại máy trộn khác nhau, có thể chia làm hai lập được các bảng tính sẵn để xác định lượng nước, lượng sét cần thiết để nhóm: các máy trộn cơ học và các máy trộn thủy lực. điều chế dung dịch có các khối lượng riêng khác nhau. Các máy trộn cơ học 9 Dùng để điều chế sét cục 9 Các máy trộn cơ học có nhiều loại tùy theo cấu tạo và dung tích của máy. Hiện nay thường dùng máy trộn một trục đứng, hai trục ngang, máy cắt nhỏ đất sét. 2-77 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-78 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET Cấu tạo máy trộn cơ học Trên trục người ta hàn thêm các cánh hợp với nhau một góc 900. Đầu cuối của các cánh này cách mép trong của thùng trộn 35 – 40 mm. Để tăng Vỏ bằng kim loại hình trụ hoặc ovan mức độ phân tán sét giữa các cánh với nhau, người ta nối bằng các dây đặt thẳng đứng hay nằm ngang tùy xích kim loại. thuộc bố trí của trục. Trục quay nhờ có bánh nặng lắp ở đầu trục nhô ra ngoài ăn khớp với bánh răng khác lắp đồng trục với puli dẫn động. Puli này quay được nhờ động cơ điện (hay động cơ đốt trong) qua hệ thống đai truyền. Máy trộn có dung tích nhỏ (0,75 m3) có một trục; những máy có dung tích Trên vỏ máy trộn, có một “cửa sổ” để đổ sét vào. Để giữ lại các khối sét lớn (5m3) có hai trục. lớn, trên cửa người làm các chắn song bằng các thanh sắt nhỏ đặt song song nhau. Nước để trộn dung dịch cũng được dẫn bằng các ống và qua cửa này vào Máy trộn sét cơ học máy trộn. 2-79 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-80 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET Khi điều chế dung dịch, người ta đổ nước vào tới ngang trục của máy. Các máy trộn thủy lực Cho trục quay, đồng thời đổ sét bột hay sét cục qua “cửa sổ” phía trên của 9 Dùng để điều chế sét bột. máy. Sét trước khi đem điều chế nếu được phơi khô, đập nhỏ thì càng tốt, khi vào nước chúng sẽ phân tán nhanh và háo nước mạnh. Cần chú ý là 9 Sét bị phân tán do lực đập của dòng nước hay dung dịch. phải đổ sét từ từ, không nên đổ nhiều một lúc. Không đổ hết sét rồi mới cho nước vào vì như vậy có thể làm cong cánh quạt của máy hay sẽ làm Cấu tạo máy trộn thủy lực “chết máy”. –Phểu (1), dưới phễu có đặt Dưới tác động của các cánh quạt và nước trong máy trộn, sét bị phân tán van để điều chỉnh lượng và tạo thành khối bột nhão. Sau đó người ta tiếp tục đổ hết lượng nước sét bột rơi xuống ống nối. đã tính toán vào. – Ống nối hai đầu (2) Qua 30 – 40 phút, lấy mẫu dung dịch trong máy trộn để đo độ nhớt. Cho – Ống dẫn (3) máy trộn tiếp tục quay và đo độ nhớt của dung dịch nhiều lần, tới khi độ – Thùng chứa (4) nhớt của dung dịch không đổi thì coi như dung dịch đã điều chế xong. –Tấm chắn (5) Máy trộn sét thủy lực 2-81 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-82 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET Dòng dung dịch hay nước được bơm vào với áp lực lớn (25 – 30 atm), đi Cung cấp dung dịch cho lỗ khoan qua ống dẫn với tốc độ 65 – 80 m/s, gặp bột sét rơi xuống sẽ mang theo Việc đảm bảo dung dịch cho lỗ khoan có thể thực hiện bằng hai cách: chúng và đập vào tấm chắn (5). Do ống dẫn hàn theo hướng tiếp tuyến điều chế dung dịch tại chỗ hoặc điều chế dung dịch tại trạm rồi vận với thùng chứa nên khi vào trong thùng dòng nước có sét bột sẽ chuyển chuyển lên lỗ khoan. động theo đường xoắn ốc từ dưới lên trên. Phía trên của thùng có ống Điều chế dung dịch tại lỗ khoan bằng các thiết bị điều chế riêng được tiến thoát dẫn dung dịch ra ngoài. hành khi khoan các lỗ khoan riêng biệt, hay việc cung cấp dung dịch từ Tấm chắn (5) chịu va đập nhiều, nên tuy dày 25 – 30 mm dần dần cũng bị trạm điều chế lên tới lỗ khoan gặp nhiều khó khăn. mòn. Để có thể thay thế được dễ dàng, người ta gắn chúng vào thùng Điều chế dung dịch tại trạm được tiến hành khi khoan nhiều lỗ khoan cùng bằng các đinh vít. một lúc, các lỗ khoan tương đối gần nhau và cách cung cấp dung dịch Điều chế dung dịch bằng phương pháp này có ưu điểm là không phải đến từng lỗ khoan tương đối dễ dàng. dùng động cơ riêng để chạy máy. Dòng nước rửa được bơm vào bằng Tùy theo thời gian thực hiện các lỗ khoan nhanh hay lâu mà người ta có máy bơm ở hiện trường lỗ khoan nên tương đối đơn giản. thể lập các trạm điều chế di động hay cố định. Năng suất của loại máy này là 20 – 40 m3/h. 2-83 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-84 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
IV. ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH SÉT GEOPET GEOPET Việc điều chế dung dịch tại trạm điều chế so với việc điều chế dung dịch tại lỗ khoan có một số ưu điểm sau: 9 Tổ khoan không phải mất thì giờ điều chế dung dịch. 9 Chất lượng dung dịch đảm bảo do có tính toán và kiểm tra. 9 Thời gian điều chế dung dịch tại trạm giảm do tổ chức điều chế hợp lý. KẾT THÚC CHƯƠNG 2 9 Trong trạm luôn luôn có dung dịch dự trữ, có thể kịp thời cung cấp ngay cho các lỗ khoan gặp điều kiện phức tạp. 9 Tại trạm có thể sử dụng lại các dung dịch đã dùng trong lỗ khoan, lấy lại chất làm nặng và chất hóa học đã gia công, do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn. Từ trạm điều chế, dung dịch được bơm lên bằng các máy bơm có công suất lớn, qua các ống dẫn tới lỗ khoan. Nếu không dùng ống dẫn, trong điều kiện giao thông cho phép, có thể dùng ô tô vận chuyển dung dịch (nếu ở trên đất liền) và tàu (nếu ở biển). 2-85 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết CÂU HỎI GEOPET BÀI TẬP VÍ DỤ GEOPET 1. Cơ sở phân loại sét và các tính chất cơ bản của sét? 1. Xác định khối lượng riêng của dung dịch khoan gốc nước (tính bằng 2. Dung dịch là gì? Hệ phân tán là gì? Đặc điểm của dung dịch sét? g/cm3) có bổ sung 30 lbm/bbl sét và 120 lbm/bbl barit. Biết tỷ trọng sét 3. Trình bày các thông số cơ bản của dung dịch sét: định nghĩa, đơn vị, là 2,5 và tỷ trọng barit là 4,3. phương pháp đo và thiết bị đo. (đổi đơn vị: 1 g/cm3 = 8,33 lbm/gal = 350 lbm/bbl). 4. Trình bày hiện tượng giảm trượt. Phân tích mối quan hệ giữa độ nhớt, ứng suất trượt tĩnh của dung dịch với các thông số chế độ khoan. 2. Có 1000 bbl dung dịch khoan khối lượng riêng 16 lbm/gal và hàm lượng 5. Tiêu chuẩn lựa chọn nước và sét để điều chế dung dịch là gì? Tính hạt rắn là 0,06%. Cần tăng khối lượng riêng dung dịch lên 17 lbm/gal và toán sơ bộ lượng nước và sét để điều chế. giảm hàm lượng hạt rắn xuống còn 0,035% bằng cách bổ sung barit 6. Các loại máy trộn dung dịch và các hình thức cung cấp dung dịch cho lỗ (ρba = 1470 lbm/bbl) và pha loãng với nước (ρn = 350 lbm/bbl). Thể tích khoan? dung dịch cuối cùng cần là 1200 bbl. Xác định lượng dung dịch ban đầu cần bỏ đi và lượng nước, barit cần thêm vào. 2-87 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-88 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
GIẢI GEOPET GEOPET 2. Thể tích hạt rắn lấy đi: Vr = 1000.0,06% – 1200.0,035% = 0,6 – 0,42 = 0,18 (bbl) Thể tích dung dịch cần bỏ: Vb = Vr /0,06% = 0,18/0,06% = 300 (bbl) 1. Khối lượng riêng của sét: ρ = 2,5 x 350 = 875 lbm/bbl sét Cân bằng thể tích: Khối lượng riêng của barite: ρ = 4,3 x 350 = 1505 lbm/bbl barit V = V + V + V = V + V + m /ρ (1) Tổng thể tích ứng với 1 bbl nước: 2 1 w ba 1 w ba ba Cân bằng khối lượng: vt = vnước + vsét + vbarit = 1 + (30/875) + (120/1505) = 1,114 bbl V ρ = V ρ + V ρ + m (2) Khối lượng riêng của dung dịch tạo thành: 2 2 1 1 w w ba mba tính theo (1), thay vào (2), suy ra: ρdd = mt/vt = (350 + 30 + 120)/1,114 V ρ = V ρ + V ρ + (V –V –V )ρ = 448,83 (lbm/bbl) = 10,7 (lbm/gal) = 1,28 (g/cm3) 2 2 1 1 w w 2 1 w ba Vw = [(ρba - ρ2)V2 –(ρba - ρ1)V1]/(ρba - ρw) Thể tích nước thêm vào: Vw = [(1470 – 17.41,95).1200 – (1470 – 16.41,95).700]/(1470 – 350) = 311,7 (bbl) Từ (1), khối lượng barit thêm vào: mba = (V2 –V1 –Vw)ρba = (1200 – 700 – 311,7).1470 = 276.801 (lbm) 2-89 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 2-90 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
NỘI DUNG GEOPET CHƯƠNG 3 GIA CÔNG HÓA HỌC I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU GIA CÔNG HÓA HỌC II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH SÉT III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH V. NGUYÊN TẮC GIA CÔNG HÓA HỌC DUNG DỊCH SÉT 3-2 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU GEOPET GEOPET GIA CÔNG HÓA HỌC GIA CÔNG HÓA HỌC 1.1. Mục đích công tác gia công hóa học 1.2. Yêu cầu gia công hóa học dung dịch Gia công hóa học dung dịch sét nhằm: Bao gồm 4 yêu cầu sau: 9 Tạo ra dung dịch có các thông số thích hợp với từng điều kiện địa chất. 9 Độ nhớt của dung dịch dù được gia công bằng các chất phụ gia khác 9 Khôi phục các tính chất của dung dịch đã bị mất đi trong quá trình khoan nhau đều phải phù hợp với độ nhớt đã được chọn trước. dưới tác dụng của đất đá hòa tan, nước khoáng và các yếu tố khác; đảm 9 Bằng mọi cách phải đạt được các thông số yêu cầu của dung dịch với bảo thỏa mãn các yêu cầu của các công tác thiết kế chế độ khoan. lượng tiêu hao chất phụ gia ít nhất (phụ gia thừa: không kinh tế và ảnh 9 Tạo cho dung dịch những tính chất đặc biệt khi cần thiết, ví dụ khi khoan hưởng đến việc điều chỉnh các thông số khác của dung dịch). qua các tầng sập lở, trương nở mạnh, mất nước nặng nề 9 Cần tiến hành thí nghiệm trước trong phòng để tìm được liều lượng chất phụ gia thích hợp, tránh gây lãng phí, mất thời gian tại hiện trường. Sở dĩ đạt được các mục đích trên là do các tính chất hóa học, các chất 9 Điều kiện thí nghiệm trong phòng phải tương tự điều kiện ngoài lỗ khoan. phụ gia và nồng độ của chúng tạo nên các phản ứng hóa học trong dung dịch làm thay đổi các tính chất của dung dịch ban đầu. 3-3 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-4 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU GEOPET GEOPET GIA CÔNG HÓA HỌC GIA CÔNG HÓA HỌC Thời gian giữa 2 lần đo kiểm tra thông số dung dịch: Phân loại các chất phụ gia Theo tính tan: hòa tan và không hòa tan; hòa tan trong chất lỏng hữu cơ Khoảng thời gian giữa 2 lần đo (giờ) Thông số Theo độ bền muối: không bền, bền trung bình, bền Bình thường Phức tạp Theo khả năng chịu nhiệt: chịu nhiệt và không chịu nhiệt. Độ thải nước (B) 8 4 Theo công dụng: chất giảm độ thoát nước, chất giảm độ nhớt, chất tạo cấu trúc, chất tạo bọt hoặc khử bọt, chất bôi trơn, Ứng suất trượt tĩnh (θ) 4 0,5 Tính chất của chất phụ gia thay đổi tùy theo điều kiện và nồng độ sử dụng. Tỉ trọng (γ) 2 0,5 Độ nhớt quy ước (T) 2 0,5 3 nhóm chất phụ gia chính: Hàm lượng cát (Π) 4 4 Các chất điện phân Nhiệt độ (to) 4 4 Các chất keo bảo vệ (các chất ổn định) Các chất với công dụng đặc biệt 3-5 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-6 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET Các chất điện phân là những chất vô cơ khi hòa tan trong nước thì phân ly ra Các chất điện phân điển hình trong gia công dung dịch sét: các ion âm (anion) và ion dương (cation). Các chất điện phân hoạt động và gây ảnh hưởng trong dung dịch theo nguyên tắc chung như sau: 1. Na2CO3 (xôđa) Các cation của chất phản ứng sẽ thay thế các cation liên kết các hạt sét (H+, 2. NaOH (xút) Ca2+, Al3+), phá vỡ mối liên kết này, gây hiện tượng phân chia nhỏ các hạt sét → mức độ phân tán của dung dịch sét tăng. Với một nồng độ nhất định, các 3. Na2OnSiO2 (thủy tinh lỏng) cation của chất phản ứng còn có khả năng tạo nên một lớp vỏ bảo vệ dày và 4. Na3PO4 bền xung quanh mỗi hạt keo, làm cho tính chất keo của dung dịch tốt hơn. Các anion của chất phản ứng sẽ kết hợp với các cation của khoáng vật sét 5. NaCl (muối ăn) vừa được giải phóng. Sự kết hợp này thường gây kết tủa → sẽ tránh được những ảnh hưởng xấu do các ion mới được giải phóng gây ra (thường làm giảm tính keo và độ ổn định của dung dịch). Khi dung dịch được giữởtrạng thái keo thì hàng loạt những thông số của nó được cải thiện. 3-7 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-8 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET 2.1. Natri cacbonat (Na2CO3 - xôđa) Chú ý về nồng độ Na2CO3 Là chất bột mịn màu trắng đến xám, hút ẩm, dễ hòa tan trong nước, do đó 1 - 1,5% : độ thải nước và độ dày của dung dịch sét giảm nhanh, cần được bảo quản ở nơi khô ráo. (B = 10 cm3/30'), độ ổn định và độ keo tăng. + 2- Trong dung dịch: Na2CO3 → 2Na + CO3 3 - 3,5% : ứng suất trượt tĩnh và độ nhớt tăng lên cực đại Các ion Na+ thay thế các ion H+, Ca2+, Al3+ có trong khoáng vật sét, chia nhỏ (Tmax = 38 – 40 s, Qmax = 50 mg/cm3) các hạt sét và bám quanh chúng tạo nên lớp vỏ bảo vệ chắc chắn. Các ion 3,5% : các hạt sét sẽ tách ra khỏi dung dịch, chất lượng của dung 2- + 2+ 3+ CO3 sẽ kết hợp với các ion H , Ca , Al vừa được giải phóng tạo thành dịch sẽ xấu đi (độ lắng ngày đêm tăng, độ keo và tính ổn định giảm, độ 2- 2+ chất kết tủa lắng xuống. Ví dụ: CO3 + Ca = CaCO3↓ thải nước và độ dày vỏ sét tăng ) > 3,5% : lớp vỏ bị phá hủy hoàn toàn, không còn khả năng bảo vệ Tác dụng: -nồng độ thấp: làm giảm độ thải nước và độ dày vỏ sét. nữa, dung dịch không tồn tại ở trạng thái keo. -nồng độ cao: làm tăng độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh. (Nồng độ 1% nghĩa là 1 kg chất phản ứng pha vào 100 lít dung Ngoài ra Na2CO3 còn dùng để giảm độ cứng của nước. dịch, là nồng độ quy ước dùng cho tất cả các chất điện phân) 3-9 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-10 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET 2.2. Xút ăn da (NaOH) 2.3. Thủy tinh lỏng (Na2OnSiO2) (trong kỹ thuật khoan thường dùng n = 2,4 – 3) Chất kiềm màu trắng, có thểởdạng rắn hay lỏng và được chứa trong bao Dạng chất lỏng sệt (ρ = 1,36 - 1,5 g/cm3), dễ bị hỏng dưới tác dụng của khí o o cách ẩm và bảo quản ở nơi khô ráo. Để ngoài trời xút hút ẩm và bị chảy ra. CO2 và bị đông cứng ở nhiệt độ t = 0 C. Cần bảo quản thủy tinh lỏng trong thùng kín và để nơi ấm áp. Ảnh hưởng chủ yếu của thủy tinh lỏng là tăng ứng suất trượt tĩnh và độ Khối lượng riêng của xút rắn là 2,13 g/cm3. Ảnh hưởng của xút đối với dung nhớt của dung dịch. Dung dịch như vậy được dùng để rửa lỗ khoan trong dịch sét tương tự như xôđa, nhưng không tạo thành chất kết tủa. những tầng mất nước. Ngoài ra thủy tinh lỏng còn dùng để pha chế hỗn hợp đông nhanh trám lỗ khoan. NaOH rất dễ hấp phụ trên thành lỗ khoan làm đất đá ở thành lỗ khoan kém Nồng độ pha chế của thủy tinh lỏng: ổn định và chất lượng dung dịch giảm. – 2 - 5%: tăng khả năng chịu nhiệt của dung dịch khoan, chuyển các cation kim loại hóa trị cao thành hợp chất khó tan, không hoạt tính – 0,1 - 1%: giảm độ nhớt của dung dịch không chứa muối 3-11 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-12 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET II. GIA CÔNG CÁC CHẤT ĐIỆN PHÂN GEOPET 2.5. Muối ăn (NaCl) 2.4. Natri phốt phát (Na3PO4) Muối ăn có tác dụng hạ nhiệt độ đóng băng của dung dịch. Natri phốt phát (Na3PO4) có dạng bột, màu trắng, dễ hòa tan trong nước. Nó được chứa trong bao cách ẩm và bảo quản ở nơi khô ráo. Muối ăn còn được dùng để phòng ngừa sự đông tụ của nước rửa khi khoan Ảnh hưởng của natri phốtphát và nồng độ pha vào dung dịch sét tương tự trong những tầng vôi và những tầng đất đá acgilit, alêrôlit (nồng độ 0,5 - 3%) 2+ 2+ và để tăng ứng suất trượt tĩnh của dung dịch khi đã được xử lý bằng chất như Na2CO3. Nó cũng tạo thành các hợp chất kết tủa của Ca và Mg . Vì keo bảo vệ tùy theo từng trường hợp mà nồng độ thay đổi từ 3 - 26%. thế Na3PO4 được sử dụng chủ yếu để giảm độ cứng của nước. Ngoài các chất kể trên, vôi sống, xi măng cũng thuộc nhóm các chất điện Ngoài Na3PO4 còn nhiều loại phốt phát tổng hợp khác phức tạp hơn, ví dụ tripôli phốt phat Na(Na5P3O10), pirôphôtphat Na(Na4P2O7) là dạng bột màu phân. Vôi sống được pha vào dung dịch trong trường hợp phải tăng nhanh trắng hòa tan tốt trong nước. Chúng được dùng chủ yếu để hạ độ nhớt của độ nhớt của dung dịch mà không có cách nào khác. Xi măng cũng được sử dung dịch (khi khoan qua những tầng sét dày) với nồng độ pha chế không dụng như vôi sống để tăng độ nhớt của dung dịch nhưng với nồng độ cao lớn hơn 1,2%. hơn. Nhược điểm của xi măng là làm tăng tỷ trọng của dung dịch. 3-13 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-14 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Khi trộn lẫn các chất hữu cơ với kiềm, trước tiên thành phần axit hữu cơ Các chất keo bảo vệ điển hình trong gia công dung dịch sét: chứa trong chúng tác dụng với kiềm, tạo thành một loại muối hữu cơ tương ứng. Các muối hữu cơ này thường dễ dàng hòa tan trong nước, tạo thành dung dịch keo là những hạt rất nhỏ bị bao bọc bởi lớp vỏ bảo vệ, có khả 1. Chất phản ứng kiềm than nâu năng bám lên bề mặt các hạt sét, tạo nên lớp vỏ bảo vệ xung quanh mỗi hạt. 2. Chất phản ứng kiềm than bùn 3. Axit lignosulfonit (bã rượu sunfit) Do khả năng phân tán chia nhỏ và bám xung quanh các hạt sét tạo nên lớp vỏ bảo vệ mà các chất keo bảo vệ làm cho các hạt sét không bị dính lại với 4. Carboxymetyl cenlullose (CMC) nhau, dung dịch được giữởtrạng thái keo tốt hơn. Qua nghiên cứu, người ta 5. Tinh bột thấy các chất keo bảo vệ có tác dụng giảm độ thoát nước, độ dày vỏ sét và tăng độ ổn định, độ keo của dung dịch. 3-15 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-16 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET 3.1. Chất phản ứng kiềm than nâu Khi gia công dung dịch sét bằng chất phản ứng KTN, các hạt muối hữu cơ sẽ bám lên bề mặt các hạt sét tạo thành lớp vỏ bảo vệ không cho các hạt sét Kiềm than nâu (KTN) là hỗn hợp hóa học của dung dịch NaOH và than nâu. dính lại với nhau. Đồng thời làm cho độ thải nước, độ dày vỏ sét, ứng suất trượt tĩnh và độ nhớt của dung dịch sét bị hạ, độ ổn định và độ keo tăng lên. Than nâu là một loại than có nguồn gốc hữu cơ, ở dạng bột màu nâu với kích thước hạt từ 3 - 5mm. Than nâu chứa axit hữu cơ tên là axit humic. Thành phần của chất phản ứng kiềm than được biểu thị bằng hai chữ số, thí dụ 180: 20 có nghĩa là trong 1m3 chất phản ứng kiềm than thì chứa 180kg Ở thể khô, than nâu có khối lượng 0,8 – 1kg/lít. Dung dịch axit humic ở trong than nâu thô và 20kg xút. kiềm là chất tạo keo và làm tốt chất lượng dung dịch. Nếu sử dụng than nâu ẩm thì tính toán khối lượng của nó theo thể khô bằng Qua nghiên cứu và thử nghiệm, người ta thấy rằng thành phần muối hữu cơ cách nhân với đại lượng W là độ ẩm của than nâu (%). Thí dụ: 100kg than (humátnatri) do sự kết hợp giữa axit humic và kiềm tạo thành một chất háo nâu ẩm, với độ ẩm W = 30% thì tương ứng với 70kg than nâu khô. nước và có khả năng hoạt động trên bề mặt của các hạt sét. 3-17 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-18 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Nếu không có xút ăn da, có thể gia công chất phản ứng kiềm than bằng Ngoài cách gia công chất phản ứng kiềm than ở thể lỏng như trên, người ta xôđa. Khi đun sôi xôđa thì natri hyđrôxit và khí cacbonic được tạo thành theo còn có thể tạo nó dưới dạng bột nhão bằng cách tăng lượng than nâu, xút công thức: lên hai, ba hoặc bốn lần và giảm lượng nước đi tùy theo độ đặc của nó. Chất phản ứng chế tạo dưới dạng bột nhão dễ chuyên chở hơn và có thể tận dụng được cả những thành phần còn lại Na2CO3 + H2O = 2NaOH + CO2↑ Trong thực tế, người ta sản xuất chất phản ứng kiềm than bằng cách đơn Khí CO2 bị bay đi, còn lại NaOH sẽ tác dụng với than nâu như đã xét ở trên. giản: đầu tiên đổ tất cả những thành phần của hỗn hợp đã tính toán vào thùng trộn, cho máy trộn làm việc trong khoảng 3 đến 4 giờ rồi xả hỗn hợp Như vậy để đạt được khối lượng xút theo tính toán, cần phải tốn xôđa lớn vào bể chứa, để yên tĩnh một ngày đêm rồi đem sử dụng. hơn hai lần theo trọng lượng. Thí dụ để gia công 1m3 chất phản ứng kiềm than với tỷ lệ 180:20, cần phải đổ vào thùng trộn 40kg xôđa, 180kg than nâu và đổ đầy nước với nhiệt độ 85 đến 100oC. Khuấy trộn và đun sôi hỗn hợp khoảng 15 phút. 3-19 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-20 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Để sản xuất dung dịch sét bằng chất phản ứng kiềm than, người ta cho trước 3.2. Chất phản ứng kiềm than bùn lượng chất phản ứng và nước lã vào thùng trộn, cho máy làm việc và đổ đất Kiềm than bùn (KTB) là hỗn hợp hóa học của dung dịch xút và than bùn. sét vào. Thời gian máy làm việc tùy thuộc dung tích của thùng trộn và yêu cầu cụ thể về các thông số của dung dịch. Than bùn là một loại than có nguồn gốc hữu cơ, màu nâu tối, ở dạng lớp phân phiến với kích thước từ 2 đến 5cm. Ngoài đặc điểm cấu tạo, các đặc Nồng độ pha chế vào dung dịch của các chất keo bảo vệ đều được tính theo tính khác của than bùn tương tự như than nâu. lít/1m3 dung dịch. Nồng độ cụ thể phải xác định bằng thực nghiệm. Với chất phản ứng kiềm than nâu, nồng độ pha chế thường từ 150 đến 200 lít/1m3 dung dịch. Khi trộn lẫn than bùn với dung dịch xút cũng tạo thành muối hữu cơ (humát natri). Sự hoạt động và ảnh hưởng của nó trong dung dịch như đã phân tích trong chất kiềm than nâu. Đặc biệt do có đặc điểm cấu tạo riêng như trên nên nó dễ dàng làm tăng độ nhớt của dung dịch sét. 3-21 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-22 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Dung dịch gia công bằng chất phản ứng kiềm than bùn dùng để rửa lỗ khoan 3.3. Axit lignosulfonit (bã rượu sunfit) khi khoan trong tầng mất nước rửa rất tốt, vì nó có độ thải nước nhỏ, độ nhớt Axit lignosulfonit có nhiều trong chất thải của công nghiệp thủy phân (công cao. Ngoài ra, khi bị khuấy trộn, những lớp than bùn phân phiến sẽ chuyển nghiệp chế biến giấy từ gỗ hoặc công nghiệp chế biến rượu). Nó là một chất sang dạng sợi, có khả năng bịt kín các kẽ nứt nhỏ. Dung dịch gia công bằng lỏng sánh, màu nâu tối, tỷ trọng khoảng 1,2 - 1,3 g/cm3, chứa khoảng 50% chất phản ứng kiềm than có độ thải nước nhỏ nhất là 2 – 3 cm3/30’. các chất khô. Có khi người ta chế tạo chất này ở dạng đóng băng. Để sản xuất 1m3 chất phản ứng kiềm than bùn, chi phí vật liệu và cách sản Axít hữu cơ là lignosulfonit, dễ dàng chuyển sang dung dịch keo là chất hoạt xuất nói chung cũng như khi sản xuất 1m3 chất phản ứng kiềm than nâu, động bề mặt. Khi cho chất này vào môi trường kiềm (NaOH), axit lignosulfonit nhưng thành phần xút thường từ 20 đến 30 kg. tác dụng với kiềm, tạo thành muối của axit lignosulfonit có tác dụng làm ổn định dung dịch. Nồng độ pha chế của kiềm than bùn vào dung dịch cũng khoảng 150 đến 3 200 lít/1m . Chú ý: axit lignosulfonit phải pha loãng (chất khô chiếm 20 đến 30%) vì nếu đặc quá bã rượu sunfít dễ dàng bị đông tụ khi tác dụng với xút biến thành chất không tan. 3-23 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-24 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Ảnh hưởng của chất phản ứng kiềm axít lignosulfonit đối với dung dịch sét Với những đặc điểm và ảnh hưởng trên, lignosulfonat thường được sử dụng tương tự như kiềm than nâu và kiềm than bùn, nghĩa là làm giảm độ thải để gia công dung dịch bằng nước biển khi khoan qua các tầng chứa muối và nước, độ dày vỏ sét, tăng độ ổn định v.v nhưng với hiệu quả thấp hơn. khi khoan vào các vỉa có áp suất thấp. So với kiềm than nâu và kiềm than bùn thì chất này có những điểm khác cơ Dung dịch gia công bằng lignosulfonat có ưu điểm là không làm sét bị trương bản sau đây: nở khi khoan qua. Trong những trường hợp đó, dung dịch có độ nhớt giảm –Khi cómặt các muối, chất phản ứng lignosulfonat không làm tăng mà tiếp tục xuống và lignosulfonat được coi là chất để pha loãng dung dịch. giảm độ thải nước của dung dịch: giá trị nhỏ nhất của độ thải nước có thể đạt được là 2 – 5 cm3/30’. Nhưng khả năng làm giảm độ thải nước của chất phản Trình tự sản xuất chất phản ứng lignosulfonat như sau: ứng này cũng rất dễ thay đổi khi có sự thay đổi nồng độ muối như khi giảm bớt o 3 hay tăng nồng độ này đều làm độ thải nước dễ dàng tăng lên. - Đổ nước nóng (70 đến 80 C) đến 2/3 dung tích của thùng trộn 1m , rồi đổ –Chất phản ứng lignosulfonat luôn luôn tạo bọt khi chế tạo cũng như khi dùng 380 kg axit lignosulfonit dạng những mảnh nhỏ vào và cho máy làm việc. để gia công dung dịch, làm bão hòa, hạ khối lượng riêng dung dịch và giảm - Sau 30 phút khuấy trộn, đổ dung dịch xút (ρ = 1,18 g/cm3) theo lượng đã khả năng nạp đầy của máy bơm. tính toán và đổ nước đến miệng thùng trộn. 3-25 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-26 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET -Khuấy trộn chất phản ứng thêm 15 đến 20 phút rồi mới đổ vào thùng chứa Nồng độ pha chế của chất lignosulfonat vào dung dịch sét từ 30 đến 150 bằng kim loại hoặc bằng gỗ. kg/1m3. Định lượng tốt nhất được xác định bằng thực nghiệm. Để giảm hiện tượng tạo bọt, người ta đổ vào lượng dầu rượu tạp thích hợp Ngoài các chất chủ yếu trên, trong nhóm các chất keo bảo vệ còn nhiều chất từ 0,05 đến 0,3% theo thể tích. như: chất phản ứng kiềm kết hợp, tinh bột v.v Nếu axit lignosulfonit ở thể lỏng thì người ta sản xuất trực tiếp trong thùng chứa bằng phương pháp thủ công (khuấy bằng tay) và có thể sử dụng nước Chất phản ứng kiềm kết hợp gồm 90% than nâu, 7% NaOH, 3% axit có nhiệt độ bình thường. lignosulfonit theo khối lượng chất khô trên một đơn vị thể tích chất phản ứng. Xút được đổ vào theo tính toán từ 45 - 60kg ở thể lỏng (nồng độ 50%). Chất phản ứng kiềm kết hợp không còn những nhược điểm của kiềm than Để giảm hiện tượng tạo bọt khi pha chất kiềm bã rượu sunfít vào dung dịch nâu và kiềm than bùn. Khi xử lý dung dịch sét bằng chất phản ứng kiềm kết sét, người ta có thể cho thêm một lượng dầu mỏ, dầu rượu tạp, dầu nhựa hợp, độ thải nước giảm xuống, độ nhớt tăng không đáng kể, độ dày vỏ sét cây, chất xúc tát đen trung tính v.v với tỷ lệ 0,05% theo dung tích của nó. nằm trong giới hạn cho phép và không sinh bọt. 3-27 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-28 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET 3.4. Carboxymetyl cenlullose (CMC) 3.5. Tinh bột CMC là sản phẩm nhân tạo, là loại dung dịch nhớt, đục hòa tan tốt trong Tinh bột là chất cao phân tử, công thức chung (C6H10O5)n. Tinh bột không tan nước. Nó làm giảm độ thải nước và độ nhớt của dung dịch đất sét. Tùy theo trong nước lạnh mà chỉ hòa tan trong nước nóng hay môi trường kiềm. thành phần khoáng vật và muối, nó bảo vệ tốt dung dịch sét khỏi bị ngưng kết do muối gây ra. Vì vậy CMC rất quý khi khoan qua đất đácómuối. Tinh bột được dùng làm chất phản ứng sau khi kết hợp với NaOH. Thành phần chất phản ứng theo khối lượng thường là 10% tinh bột và 1-2% NaOH. Người ta thường dùng CMC với nồng độ 10-50 kg/m3dd. Chất phản ứng trên được dùng hạn chế vì giá thành cao. Khi tăng liều lượng, CMC không làm Để điều chế chất phản ứng, người ta trộn NaOH vào nước, sau khi khuấy giảm chất lượng của dung dịch sét. trộn kỹ mới đổ tinh bột vào. Quá trình điều chế tiến hành ở nhiệt độ 60-650C. Với tỉ lệ thành phần như trên, chất phản ứng có độ nhớt rất cao. Nhưng sau Trong thực tế đôi khi rửa lỗ khoan bằng dung dịch nước lã pha CMC. khi khuấy trộn, sẽ giảm xuống. Chất phản ứng để sau một ngày đêm biến thành xirô đặc dùng để gia công dung dịch rất tốt. 3-29 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-30 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET Khi gia công dung dịch, tinh bột làm giảm độ thoát nước mạnh và không phụ Để tránh hiện tượng lên men, có thể dùng các phương pháp sau: thuộc vào độ khoáng hóa của dung dịch. Lượng chất phản ứng sử dụng ít hơn rất nhiều so với axit lignosulfonit. Điều này làm dễ dàng cho việc gia + Tăng hàm lượng muối của dung dịch (có thể tăng >20% NaCl) công và nhanh chóng thu được các thông số cần thiết. + Thêm vào dung dịch các chất chống lên men (CaCl2, formalin) + Giữ tinh bột trong môi trường kiềm cao (độ pH>12) Nhược điểm - Giá thành đắt vì tinh bột là sản phẩm của công nghiệp thực phẩm. Trộn tinh bột vào dung dịch xút sẽ được một chất phản ứng có tác dụng làm - Dung dịch được gia công bằng tinh bột thường có độ nhớt và ứng suất giảm độ thải nước của dung dịch trong điều kiện đất đábị nhiễm mặn đồng trượt tĩnh rất cao. Để làm giảm độ nhớt có thể thêm vào dung dịch chất phản thời cũng làm cho độ nhớt của dung dịch tăng lên. ứng axit lignosulfonit với tỉ lệ 5-6%. -Tinh bột dễ bị lên men và dần dần bị rữa ra. Do vậy độ thoát nước lại tăng lên, dung dịch bị sủi bọt vì có khí CO2 sinh ra trong quá trình lên men. -Tinh bột không bền nhiệt (<130oC). 3-31 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-32 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
III. GIA CÔNG CÁC CHẤT KEO BẢO VỆ GEOPET IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET Khi sử dụng tất cả những chất phản ứng thuộc nhóm điện phân cũng như Các tính chất của dung dịch có thể điều chỉnh bằng gia công nhóm chất keo bảo vệ để gia công hóa học dung dịch, cần phải chú ý những hóa học: điểm sau: 9 Nồng độ chất phản ứng phải căn cứ vào kết quả thí nghiệm trong 1. Trọng lượng riêng từng điều kiện cụ thể. Những số liệu chỉ ra ở tất cả các chất chỉ có 2. Độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh tính chất đặc trưng. 3. Độ thải nước 9 Phải thực hiện nghiêm ngặt những biện pháp kỹ thuật an toàn đối với từng chất phản ứng khi bảo quản cũng như khi sử dụng. Khi sử dụng phải có găng tay, kính, giày, ủng bảo hộ lao động. 3-33 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-34 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET 4.1. Điều chỉnh trọng lượng riêng •Các chất làm nặng phải đảm bảo: Dung dịch sét bình thường có tỷ trọng 1,15 – 1,25. Tùy điều kiện cụ thể của đất đá khoan qua mà phải điều chỉnh sao cho áp suất thủy tĩnh tạo thành cân –Khả năng phân tán nhỏ trong dung dịch: đủ nhỏ để giữ trạng thái lơ lửng và bằng với áp suất vỉa. không quá nhỏ để tránh làm tăng độ nhớt dung dịch. – Tính trơ: không tác dụng hóa học với các thành phần của dung dịch. – Độ ẩm: > 12% sẽ làm loãng dung dịch; quá khô sẽ tốn hao năng lượng khi Tăng trọng lượng riêng sấy, dễ dính vào nhau và lắng đọng. Thông thường độ ẩm chất làm nặng tùy •Bổ sung các chất làm nặng. điều kiện khô hoặc ướt từ 6 – 12%. • Tùy theo tỷ trọng, các chất làm nặng được chia thành 3 nhóm: –Hàm lượng muối: phải thấp để tránh gây ngưng kết trong dung dịch. Yêu cầu: – Nhóm 1 (γ≈3): sét, bột phấn, đávôi muối hóa trị 1 ≤ 0,35%, muối hóa trị 2 ≤ 0,05%. – Nhóm 2 (γ≈3,8 – 5): barit và quặng sắt hematit, manhetit. Hematit (Fe2O3) có độ cứng cao gây mài mòn thiết bị. Manhetit (FeOFe2O3-Fe3O4) có từ tính, dễ bám vào cần khoan và ống chống, làm bó hẹp giếng khoan và dễ gây kẹt cần. – Nhóm 3 (γ≈6 – 7): hợp chất sắt-mangan, sắt-phốtpho. Nhìn chung không 3-35 được sử dụng vì khi phân hủy tạo sản phẩm dễDungnổ dvàịch khoanđộc. & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-36 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET • Điều kiện để điều chế dung dịch nặng: 4.2. Điều chỉnh độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh Độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh của dung dịch ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ – Đảm bảo dung dịch giữ được chất làm nặng ở trạng thái lơ lửng: điều chỉnh độ và hiệu quả của công tác khoan cũng như chi phối từng phần đến các tính nhớt và ứng suất trượt tĩnh trước khi bổ sung chất làm nặng. Theo kinh chất khác của dung dịch. nghiệm: B < 10 cm3/30’, θ = 25-50 mG/cm2. – Làm mềm dung dịch bằng xôđa hoặc natri phốtphát. Điều chỉnh độ nhớt –Nắm chắc đặc điểm địa chất và yêu cầu đối với dung dịch. Khi khoan trong đất đábền vững thì cần độ nhớt thấp, khi khoan trong đất đá –Cóthể thấm ướt chất làm nặng trước khi gia công. sập lở, mất nước thì cần tăng độ nhớt của dung dịch. Tăng độ nhớt: bổ sung sét hoặc các chất tạo cấu trúc: muối ăn, thủy tinh lỏng. Giảm trọng lượng riêng Cần làm thí nghiệm để xác định nồng độ phù hợp vì tính chất dung dịch sẽ • Pha loãng dung dịch với nước thay đổi nếu thừa các chất trên. • Thay toàn bộ dung dịch bằng dung dịch tỷ trọng nhỏ hơn. Giảm độ nhớt: thêm nước hoặc các chất giảm độ nhớt: linhosulfonat Fe-Cr, • Thêm các chất tạo bọt, dùng dung dịch gốc dầu oxit linhin, tananh tổng hợp. 3-37 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-38 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET IV. ĐIỀU CHỈNH TÍNH CHẤT CỦA DUNG DỊCH GEOPET Điều chỉnh ứng suất trượt tĩnh 4.3. Giảm độ thải nước Sử dụng đường cong pha loãng theo phương pháp Giukhovitski để xác định Độ thải nước của dung dịch phụ thuộc nhiều vào nồng độ và loại muối hòa trạng thái của dung dịch: ngưng kết thừa (quá ngưng kết), ngưng kết tốt và tan. Nồng độ muối cao thì độ thải nước lớn và khó điều chỉnh. ổn định thừa (kém ngưng kết). Tăng ứng suất trượt tĩnh Để giảm độ thải nước, dùng các chất điện phân và các chất keo bảo vệ. (khi dung dịch kém ngưng kết): –Chất điện phân chứa các ion Na+ sẽ thay thế ion Ca2+ (hoặc các kim giảm nồng độ các chất ổn định, giảm θ Ngưng kết thừa khả năng bảo vệ của các chất ổn định, loại hóa trị cao khác) làm cho sét dễ trương nở, tăng độ phân tán, hạt t keo sét có lớp vỏ OH dày và bền vững. tăng tỷ lệ sét. tố ết k ng Giảm ứng suất trượt tĩnh gư –Chất keo bảo vệ: sử dụng tùy thuộc nồng độ muối. N (khi dung dịch quá ngưng kết): thêm Ổn định thừa • Dung dịch có nhiều muối: dùng bã rượu sunfit, tinh bột, KTN, các polime nước, bổ sung các chất ổn định, • Dung dịch có ít muối (nồng độ 3-5%): dùng KTN hoặc dùng kiềm kết hợp. lưu ý nồng độ muối trong dung dịch T • Dung dịch không muối: dùng KTN. để chọn chất ổn định phù hợp. 3-39 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-40 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
V. NGUYÊN TẮC GIA CÔNG HÓA HỌC V. NGUYÊN TẮC GIA CÔNG HÓA HỌC GEOPET GEOPET DUNG DỊCH SÉT DUNG DỊCH SÉT Khi gia công hóa học dung dịch sét, phải tuân theo các nguyên tắc sau đây. Gia công lần thứ hai nhằm khôi phục các tính chất của dung dịch đã được gia công lần đầu, khi nó bị thay đổi dưới tác dụng của đất đá khoan qua, của nước khoáng v.v Khi gia công lần hai, người ta thêm chất phản ứng thích 5.1. Quá trình gia công: được tiến hành theo hai bước: gia công lần hợp theo chu kỳ cho đến khi khôi phục các tính chất đã có của dung dịch. đầu và gia công lần thứ hai. Cần chú ý là dù gia công lần đầu hay lần hai đều phải rất kịp thời. Nếu gia Gia công lần đầu được tiến hành khi bắt đầu khoan hoặc khi cần thay dung công lần đầu với mục đích ngăn ngừa những khó khăn điển hình trong từng dịch nhằm tạo cho dung dịch những tính chất cần thiết ứng với điều kiện cụ tầng nhất định thì việc gia công phải hoàn thành trước khi gặp tầng đó. Gia thể. Muốn thực hiện được bước gia công lần đầu, phải làm thí nghiệm, thay công lần hai cũng vậy, nếu không kịp thời, có thể trở nên vô hiệu quả vì sự đổi thành phần, tỷ lệ pha chế để định ra một thành phần và tỷ lệ pha chế xác thay đổi tính chất của dung dịch có thể không phù hợp với sự thay đổi tính định. Dùng thành phần và tỷ lệ này gia công khối lượng dung dịch sét đủ để chất của đất đá. bắt đầu khoan hoặc đủ để thay thế. 3-41 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-42 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết V. NGUYÊN TẮC GIA CÔNG HÓA HỌC V. NGUYÊN TẮC GIA CÔNG HÓA HỌC GEOPET GEOPET DUNG DỊCH SÉT DUNG DỊCH SÉT 5.2. Sự thay đổi một thông số của dung dịch thường kéo 5.3. Khi chọn chất hóa học, tính chất và liều lượng của theo nhiều thông số khác thay đổi chúng phải căn cứ vào ba yếu tố sau: 9 Mục đích gia công hóa học là đạt được các thông số yêu cầu của dung dịch với mức tiêu tốn ít nhất chất phản ứng (ý nghĩa kinh tế) Ví dụ: khi khoan qua tầng sét, trọng lượng riêng của dung dịch tăng và độ và không khó khăn khi gia công dung dịch lần hai. nhớt, ứng suất trượt tĩnh của dung dịch cũng tăng v.v Do đó trong trường 9 Liều lượng pha chế chất phản ứng xác định từ trước không thể hợp chỉ yêu cầu một thông số của dung dịch thay đổi thì phải dùng hai hay dùng cho những lần gia công sau. Những kinh nghiệm tích lũy nhiều chất hóa học để các chất này đồng thời điều chỉnh các thông số khác được chỉ giúp cho việc chọn chất phản ứng ở một chừng mực nhau của dung dịch. nào đó. Công thức pha chế và nồng độ chất phản ứng phụ thuộc vào một số lớn yếu tố, không thể tính toán trước được. 9 Liều lượng pha chế các chất phải xác định bằng thực nghiệm tại lỗ khoan hoặc bằng thí nghiệm với những điều kiện hoàn toàn giống lỗ khoan (nhiệt độ ở đáy, mức độ phức tạp v.v ). 3-43 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-44 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
GEOPET CÂU HỎI GEOPET 1. Mục đích và yêu cầu của công tác gia công hóa học dung dịch khoan là gì? Các nguyên tắc chủ yếu khi gia công hóa học dung dịch? 2. Trình bày đặc điểm, tính chất và tác dụng của các chất điện phân thông thường KẾT THÚC CHƯƠNG 3 trong gia công hóa học dung dịch khoan: xôđa, xút, thủy tinh lỏng, natri phốtphát, muối ăn. 3. Trình bày đặc điểm, tính chất và tác dụng của các chất keo bảo vệ thông thường trong gia công hóa học dung dịch khoan: KTN, KTB, bã rượu sunfit, CMC, tinh bột. 4. Nguyên tắc điều chỉnh tỷ trọng, độ nhớt và ứng suất trượt tĩnh của dung dịch? 5. Giảm độ thải nước bằng phụ gia như thế nào? 3-45 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 3-46 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
NỘI DUNG GEOPET CHƯƠNG 4 DUNG DỊCH KHOAN I. MẤT DUNG DỊCH II. SẬP LỞ THÀNH LỖ KHOAN TRONG ĐIỀU KIỆN PHỨC TẠP III. DẦU, KHÍ, NƯỚC VÀO LỖ KHOAN IV. KẸT DỤNG CỤ KHOAN 4-2 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết I. MẤT DUNG DỊCH GEOPET I. MẤT DUNG DỊCH GEOPET Mất dung dịch là một trong những sự cố trầm trọng và tốn kém chi phí để Trong quá trình khoan có sử dụng dung dịch, cột dung dịch trong lỗ khoan sẽ khắc phục nhất trong công tác khoan. Mất dung dịch có thể xảy ra tại bất kì tạo nên áp lực thủy tĩnh. Áp lực này hướng vào các lớp đất đá trên thành lỗ độ sâu nào khi khoan bằng dung dịch thường hoặc dung dịch làm nặng. khoan. Bản thân mỗi lớp đất đá khoan qua hay các vỉa dầu và khí lại có áp lực vỉa tương ứng. Như vậy, trong hệ thống lỗ khoan và vỉa có hai loại áp lực Cần phân biệt hiện tượng mất dung dịch với hiện tượng thải nước. và tùy theo chênh lệch giữa chúng mà điều kiện khoan có thể bình thường hay phức tạp. Các thí nghiệm đã chứng minh rằng hiện tượng mất toàn bộ dung dịch chỉ xảy ra khi có sự hiện diện của khe nứt, lỗ hổng. Đối với đất đánguyên khối, Áp lực thủy tĩnh của cột dung dịch khoan có thể tính bằng công thức: độ thấm tối thiểu để xảy ra hiện tượng mất toàn bộ dung dịch là 300 darcy. Ptt = 0.052γH Chất lượng trám ximăng kém cũng là một nguyên nhân gây ra hiện tượng trong đó: Ptt –áp lực thủy tĩnh cột dung dịch, psi mất dung dịch. γ –tỉ trọng dung dịch H – chiều cao cột dung dịch, ft 4-3 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 4-4 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết
I. MẤT DUNG DỊCH GEOPET I. MẤT DUNG DỊCH GEOPET Nếu áp lực thủy tĩnh không cân bằng với áp lực vỉa thì sẽ gây nhiều khó khăn Chênh lệch giữa áp lực vỉa và áp lực thủy tĩnh càng lớn thì sự phức tạp cho công tác khoan. Có hai trường hợp: trong quá trình khoan càng nhiều, đôi khi không thể tiến hành khoan. - Áp lực thủy tĩnh > áp lực vỉa: dung dịch sẽ đi vào vỉa theo các khe nứt, Khi áp lực thủy tĩnh cân bằng với áp lực vỉa thì quá trình khoan tiến hành hang hốc của đất đá gây nên hiện tượng mất dung dịch. Mực dung dịch trong bình thường, dung dịch chỉ bị giảm đi do chất lỏng bị lọc ra từ dung dịch lỗ khoan sẽ hạ xuống, áp lực thủy tĩnh giảm, kéo theo hiện tượng sập lở hay mất mát tự nhiên. Các ảnh hưởng xấu của hiện tượng dầu, khí hay thành lỗ khoan phía trên cột dung dịch. nước vào lỗ khoan cũng không xảy ra. - Áp lực thủy tĩnh > Ptd : có thể xảy ra hiện tượng mất dung dịch hoàn toàn, dẫn tới sập lở các lớp đất đánằm trên. Tùy từng trường hợp mà nguyên nhân của hiện tượng mất dung dịch có thể khác nhau nhưng nói chung, hiện tượng mất dung dịch khi khoan xảy 9 Nếu γ > P : có thể xảy ra hiện tượng mất dung dịch. td ra do áp lực thủy tĩnh vượt quá áp suất vỉa, tức là: 9 Nếu γ Pv 9 Nếu γ << Ptd : dầu, khí nước sẽ tràn ra miệng lỗ khoan và có thể phun lên bề mặt. Trong trường hợp này hiện tượng sập lở xảy ra một cách dễ dàng nếu các lớp đất đákém bền vững. Khi ở trạng thái tĩnh, trong lỗ khoan có đầy dung dịch thì sự cân bằng tĩnh 9 Nếu γ≈Ptd : trong hầu hết các trường hợp, việc khoan tiến hành bình thường. của hệ thống lỗ khoan – vỉa được biểu diễn bằng đẳng thức: Pv = Ptt 4-7 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết 4-8 Dung dịch khoan & ximăng – Đỗ Hữu Minh Triết