Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất tới sự phát triển độ hydrat hóa và tính chất cơ học của đá xi măng giếng khoan

Nội dung text: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất tới sự phát triển độ hydrat hóa và tính chất cơ học của đá xi măng giếng khoan

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 50, 4-2015, tr.1-7 DẦU KHÍ (trang 1÷15) NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ ÁP SUẤT TỚI SỰ PHÁT TRIỂN ĐỘ HYDRAT HÓA VÀ TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐÁ XI MĂNG GIẾNG KHOAN VŨ MẠNH HUYỀN, Vietnam CurisTec NGUYỄN VĂN KHƯƠNG, Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam TRIỆU HÙNG TRƯỜNG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến sự phát triển độ hydrat hóa và tính chất cơ học của xi măng giếng khoan được nghiên cứu bằng thực nghiệm và lý thuyết. Các mô hình đã được công bố chủ yếu dựa trên lý thuyết tạo mầm và tăng trưởng trên bề mặt, được phát triển đầu tiên bởi Cahn (1956). Do vậy, bài báo trình bày một mô hình bán thực nghiệm về sự phát triển của xi măng, có tính toán đến các yếu tố nhiệt độ và áp suất. Mô hình cho phép tính toán độ hydrat hóa hoặc tính chất cơ học của xi măng ở một thời điểm bất kì từ giai đoạn ngưng kết đến giai đoạn ổn định. Mô hình đơn giản và có tính ứng dụng cao trong ngành dầu khí. 1. Giới thiệu cho phép tính toán độ hydrat hóa hoặc tính chất Một trong những khâu đầu tiên của việc xác cơ học của xi măng ở một thời điểm bất kì từ định loại xi măng thích hợp để trám cho các giai đoạn ngưng kết đến giai đoạn ổn định. giếng khoan dầu khí nói chung và các giếng khai 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến thác đường kính nhỏ nói riêng là mô hình hóa thời gian đông kết của vữa xi măng một cách chính xác sự phát triển tính chất cơ học Sự phụ thuộc của tốc độ sinh mầm I và tốc của xi măng. Sự phát triển này phải được mô độ tăng trưởng G vào áp suất và nhiệt độ được hình hóa cho tất cả 4 giai đoạn hydrat chính của đưa ra bởi Scherer và đồng nghiệp (2010) theo xi măng: giai đoạn ngưng kết, giai đoạn tăng tốc, biểu thức sau [6][8]: giai đoạn giảm tốc và giai đoạn ổn định. Các mô EGG p V hình đã được công bố chủ yếu dựa trên lý thuyết G T, p G0 exp , (1) RT tạo mầm và tăng trưởng trên bề mặt, được phát triển đầu tiên bởi Cahn (1956) [3]. EII p V IB T, p I0 exp , (2) Những mô hình dựa trên lý thuyết của Cahn RT (1956) chưa mô hình hóa được giai đoạn cuối trong đó EG và VG là năng lượng hoạt động và của quá trình ngưng kết và không đề cập tới các thể tích hoạt động cho sự tăng trưởng, EI và VI tính chất cơ học chủ yếu dùng để tính toán ổn năng lượng hoạt động và thể tích hoạt động cho định cho xi măng dầu khí. Bởi vậy, một mô sự nảy mầm. Chúng độc lập với nhiệt độ và áp hình tính toán mới cần được đưa ra để tính toán suất. I0 và G0 không đổi và R là hằng số của khí lý thời gian ngưng kết, sự phát triển của tính chất tưởng (8.314 JK-1mol-1). Chú ý rằng năng lượng cơ học của xi măng từ giai đoạn ngưng kết cho hoạt động là một đại lượng dương trong khi thể đến giai đoạn ổn định có xem xét tới ảnh hưởng tích hoạt động mang giá trị âm. Giá trị âm này của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hydrat hóa. giải thích tại sao phản ứng giữa xi măng và nước Bài báo trình bày một nghiên cứu về ảnh mạnh hơn khi tăng áp suất. hưởng của nhiệt độ và áp suất đến sự phát triển Theo Thomas (2007), tại thời điểm ngưng độ hydrat hóa và tính chất cơ học của xi măng kết, mức độ hydrat hóa của xi-măng được tính giếng khoan trên cơ sở xây dựng một mô hình theo công thức sau: bán thực nghiệm về sự phát triển của xi măng 44 có tính toán đến các yếu tố nhiệt độ và áp suất Xset 1 exp kB t set , (3) 3 1
2. trong đó: Ví dụ, ở 20°C, áp suất 1MPa xi măng cần B314 tới 20 giờ để đạt được một mô đun đàn hồi kB T, p I B O v G 10GPa trong khi ở nhiệt độ 60°C và áp suất 33 E E p V p V GIGI (4) 1MPa, xi măng chỉ cần 15 giờ để đạt được cùng 14 B3 44 giá trị của mô đun đàn hồi 10 GPa. Tương tự IOG0 v 0 exp RT như công thức (11), để xi măng ở nhiệt độ, áp suất (T,p) có tính chất tương đương với xi măng Xi măng ngưng kết khi độ bão hòa đã đạt ở nhiệt độ, áp suất một giá trị ngưỡng X set không phụ thuộc vào (T0, p0), thì thời gian cần thiết sẽ là: điều kiện nhiệt độ và áp suất. Từ công thức (3), E 11 V p p0 t T, p t0  exp ,(12) ta có: RTTRTT 1/4 00 13 tX ln 1 . (5) trong đó t0 là thời gian để đạt được giá trị của setk set B tính chất cơ học đó trong điều kiện nhiệt độ, áp Thay công thức (4) vào công thức (5) và rút suất (T0,p0). Thời gian t(T,p) gọi là thời gian gọn lại, ta nhận được: tương đương ở nhiệt độ, áp suất (T,p). 1/4 13 E p V 3. Mô hình hóa độ hydrat hóa và tính chất cơ tX exp ln 1 (6) set set học của xi măng trong quá trình hydrat hóa k0 RT trong đó: Hiện nay, tồn tại một số mô hình có thể tính 3 EE toán được sự phát triển của độ hydrat hóa của xi E GI ; (7) măng theo thời gian và nhiệt độ. Tuy nhiên, 4 việc nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất chưa 3 VV V GI ; (8) được quan tâm một cách thỏa đáng. Hơn nữa, 4 những mô hình này không mô tả được sự tăng B314 k0 I 0 O v G 0 . (9) trưởng của độ hydrat hóa trong giai đoạn ngưng Ở một áp suất và nhiệt độ quy chiếu kết của xi măng. pT, , thời gian ngưng kết đo được là t : Thực tế, việc tăng tính chất cơ nhiệt học 00 set0 của xi măng có thể mô hình hóa bằng phương 13 E p V 1/4 0 pháp đồng nhất hóa khi biết phần trăm các chất tXset0 exp ln 1 set .(10) k00 RT có mặt trong xi măng ở một thời điểm nhất Ta có thể tính toán thời gian ngưng kết ở định. Tuy nhiên, thành phần của xi măng luôn một nhiệt độ và áp suất bất kì bằng cách so sánh được bảo mật bởi các công ty dịch vụ. Do vậy, hai biểu thức (6) và (10), ta có: chúng ta chỉ có thể đánh giá sự tăng trưởng các E 11 V p p tính chất của xi măng theo thời gian bằng 0 tset T, p t set0  exp .(11) RTTRTT phương pháp bán thực nghiệm. Phương pháp 00 này dựa trên mô hình toán học kết hợp với các Biểu thức (11) giúp tính toán thời gian đóng tham số thực nghiệm, có thể mô tả được quá rắn ở điều kiện nhiệt độ áp suất bất kì. Trong đó trình ngưng kết của xi măng từ lúc bắt đầu tiếp các tham số E và V được xác định bằng xúc với nước, tới lúc ổn định tính chất cơ học. thực nghiệm. Thời gian ngưng kết giảm với Ở đây chúng tôi xin đưa ra dạng công thức thực nhiệt độ và áp suất, cho phép chúng ta khẳng nghiệm để đánh giá độ hydrat hóa, mô đun đàn định rằng xi măng ở dưới sâu ngưng kết nhanh hồi, mô đun nén, độ bền chịu nén và góc ma sát hơn xi măng ở lớp phía trên. Nói cách khác, như sau: tính chất cơ nhiệt học của xi măng là không C1Y Y t C3YYY a tan t C 2 atan C 2  . đồng đều trên toàn bộ vành xuyến xi măng (13)  1 exp C  t Y giếng dầu. Điều này cũng có nghĩa là ở nhiệt độ 00Y và áp suất cao hơn, xi măng cần một khoảng trong đó: thời gian ngắn hơn để đạt được cùng một trị số - Y(t) là độ hydrat hóa, mô đun đàn hồi E, mô về tính chất cơ học. đun nén K, độ bền chịu nén UCS, góc ma sát ; 2
3. - t, t0 là thời điểm được xét và ở thời điểm Để tính tới ảnh hưởng của nhiệt độ và áp ban đầu; suất tới sự phát triển của độ hydrat hóa và các - C1Y, C2Y và C3Y là tham số. Các tham số tính chất cơ học của xi măng, định nghĩa thời thực nghiệm này xác định bằng giá trị ban đầu gian tương đương ở trên được sử dụng và công Y(t0) (khi xi măng chưa ngưng kết), giá trị cuối thức (16) trở thành: cùng Y(t ) (khi xi măng đã ổn định tính chất cơ YY C Y t 0 a tan t1Y C atan C  học), thời gian giai đoạn ngưng kết và hình 0 2YY 2 atanC  dáng của đường cong tăng trưởng: 2 2Y  1 exp C  t Y . (17) YCCCY  atan  . (14) 0Y 0 0 3YYY2 3 2 0 E 11 V p p t t T, p  exp 0 (18) Chúng ta xác định được tham số C3Y : 0 RTTRTT 00 YY C 0 3Y . (15) atanC2Y  2 Như vậy công thức (15) được viết dưới dạng: [GPa] YY 0 C1Y Y t  a tan t C22YY atan C  . đànhồi atanC  2 2Y  1 exp C00Y  t Y (16) Mô đun Tính chất cơ học của xi măng ở một thời điểm t được đánh giá nếu chúng ta biết giá trị ban đầu và giá trị cuối cùng của tính chất này. Thời gian (h) Tham số C0Y và C1Y xác định tốc độ tăng của Hình 2. Ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ lên sự tính chất. Tham số C2Y xác định thời gian giai phát triển của mô đun đàn hồi theo thời gian đoạn ngưng kết của xi măng. Hình 1 minh họa Y0 = 0 GPa, Y1 = 10 GPa, một ví dụ về sự tăng của mô đun đàn hồi theo C0=0,0, C1=0,7, C2=10, thời gian. Các tham số này đặc trưng cho từng V=-30 (m3/mol), E=40000 (J/mol) đại lượng Y. Trong trường hợp C0=0, chúng ta cũng có thể viết công thức (17) như sau: dY t E 11 V p p AY exp 0 (19) [GPa] dt R T T00 R T T YY 0 AYC 1Y . đànhồi atanC  2 2Y C1Y 1 Mô đun  C1Y atanC  2 2Y tan Y t atan C22YY C YY 0   2 (20) Thời gian (h)  Hình 1. Ví dụ sự tăng mô đun đàn hồi atanC  2 2Y theo thời gian tan Y t atan C2Y  1 YY 0 Y0 = 0 GPa, Y1 = 10 GPa, C0=0,0 , C1=0,7,  C2=10 3
4. Riêng cho trường hợp độ hydrat hóa: dt E 11 V p p 0 (21) A  exp dt R T T00 R T T  AC   0 . 1 atan C 2 2 C1 1  C1 atan C 2 2 (22) tan  t atan C22 C  0   2  atan C 2 2 tan  tC atan 2 1  0 Thời gian (h)  Hình 4. Ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ lên ái Chúng ta tìm thấy công thức (22) có dạng lực hóa học theo thời gian công thức cổ điển dùng để tính toán độ hydrat Y0 = 0 GPa, Y1 = 10 GPa, C0=0,0, hóa của vật liệu xi măng với ảnh hưởng của C1=0,7, C2=10, nhiệt độ và áp suất. A() chính là ái lực hóa học 3 V=-30 (m /mol), E=40000 (J/mol) của xi măng. Tính ưu việt của công thức so với các công thức cổ điển là nó được sử dụng trong Nhiệt độ và áp suất tăng với độ sâu. Do đó, suốt quá trình phản ứng của xi măng với nước sự phát triển tính chất cơ học của xi măng toàn (từ pha ngưng kết, tới pha giảm tốc và ổn định). chiều sâu của giếng là không đồng nhất. Chúng Trên hình 3, chúng ta có thể thấy rằng ta có thể đưa ra một ví dụ đơn giản để xem xét: đường cong của ái lực theo độ hydrat hóa không xi măng được trám từ 100m sâu đến 500m sâu. bị ảnh hưởng bởi các yếu tố áp suất và nhiệt độ. Áp suất chất lỏng được giả sử bằng áp suất của Hình 4 chỉ ra rằng sự phát triển của ái lực hóa cột nước tương ứng với độ sâu cần xét. Nhiệt độ học theo thời gian thay đổi theo nhiệt độ và áp ở 100m sâu giả sử là 20°C, và gradient nhiệt độ suất. Ảnh hưởng của nhiệt độ mạnh hơn so với là 0,03 °C/m. Kết quả tính toán được minh họa áp suất. Ở nhiệt độ hay áp suất càng cao, ái ực trên hình 5, hình 6 và hình 7. hóa học càng mạnh và phản ứng hóa học giữa xi măng và nước xảy ra càng nhanh. Thời gian (h) Độ hydrat hóa Hình 3. Ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ Hình 5. Ảnh hưởng của chiều sâu lên sự phát lên ái lực hóa học theo độ hydrat hóa triển của mô đun đàn hồi theo thời gian Y0 = 0 GPa, Y1 = 10 GPa, C0=0,0, Y0 = 0 GPa, Y1 = 10 GPa, C0=0,0, C1=0,7, C1=0,7, C2=10, C2=10, V=-30 (m3/mol), E=40000 (J/mol) V=-30 (m3/mol), E=40000 (J/mol) 4
5. hóa ở thời điểm đầu bằng 0. Như vậy các tham số còn lại của mô hình là 1, C0, C1, C2. Các tham số này được xác định sao cho sai số giữa đường cong thực nghiệm và đường cong tính toán là nhỏ nhất. Kết quả được giới thiệu trong bBảng 1. Sự so sánh của kết quả thí nghiệm và tính toán ở nhiệt độ và áp suất khác nhau được giới thiệu trên hình 8, 9 và 10, chúng ta có thể nhận thấy rằng mô hình mô tả khá tốt về mặt định tính cũng như định lượng kết quả thí nghiệm. Điều này khẳng định rằng mô hình có thể sử dụng để tính toán mức độ tăng của độ hydrat hóa theo thời gian ở các điều kiện và Thời gian (h) nhiệt độ áp suất khác nhau. Từ đó, mô hình cho Hình 6. Ảnh hưởng của độ sâu lên sự phát triển phép chúng ta tính toán được sự phát triển của của ái lực hóa học theo thời gian xi măng ở các độ sâu khác nhau trong các giếng Y = 0 GPa, Y = 10 GPa, C =0,0, 0 1 0 khoan trong quá trình bơm trám. Điều đó giúp C =0,7, C =10, 1 2 cho chúng ta tính toán kế hoạch khoan hoặc làm V=-30 (m3/mol), E=40000 (J/mol) các thí nghiệm hiện trường một cách chính xác hơn để đảm bảo an toàn cho giếng khoan. Bảng 1. Tham số của mô hình 1 C0 C1 C2 0,68 0,25 0,43 3,20 Đo tại 400C, 0.3 MPa Đo tại 300C, 0.3 MPa Đo tại 250C, 0.3 MPa Đo tại 130C, 0.3 MPa Đo tại 70C, 0.3 MPa Tính toán Thời gian (h) Hình 7. Ảnh hưởng của độ sâu lên sự phát triển Thời gian (h) của độ hydrat hóa của xi măng theo thời gian Hình 8. So sánh đường cong thực nghiệm và Y0 = 0 GPa, Y1 = 10 GPa, C0=0,0, đường cong tính toán ở các điều kiện nhiệt độ C1=0,7, C2=10, khác nhau V=-30 (m3/mol), E=40000 (J/mol) 0.7 Trong trường hợp C0 khác 0, lời giải số học 0.6 của biểu thức A() không tìm thấy mà chúng ta 0.5 phải dùng phương pháp số. 0.4 4. Hợp thức hóa mô hình 0.3 Công thức (17) và (18) được sử dụng để áp Hydrationdegree ĐoMeasured tại 30 at0C, 30°C, 20MPa 20MPa 0.2 dụng lên kết quả thí nghiệm về sự tăng của độ TínhComputed toán at tại 30°C, 30 020MPaC, 20MPa hydrat hóa theo thời gian ở nhiệt độ và áp suất 0.1 ĐoMeasured tại 30 at0C, 30°C, 40MPa 40MPa TínhComputed toán at 30 30°C,0C, 40MPa khác nhau. Do xi măng loại G được sử dụng 0.0 0 5 10 15 20 25 30 nên năng lượng hoạt động có thể lấy bằng Time [h] Thời gian (h) 40000 J/mol và thể tích hoạt động lấy bằng 30 Hình 9. So sánh đường cong thực nghiệm và đường m3/mol như đã giới thiệu ở phần trên. Độ hydrat cong tính toán ở 30°C và áp suất khác nhau 5
6. 0.7 hệ số nở hông, độ bền, góc ma sát và một số 0.6 tính chất cơ học của vật liệu rỗng. 0.5 0.4 TÀI LIỆU THAM KHẢO 0.3 [1]. Avrami M., 1939. Kinetics of phase change Hydrationdegree MeasuredĐo tại 4 at0 040°C,C, 0 ,30.3MPaMPa 0.2 I, J. Chem. Phys., 1103-1112. ComputedTính toán at 40°C,tại 4 00.3MPa0C, 0,3MPa 0 [2]. Bois A.-P., Garnier A., Galdiolo G., Laudet 0.1 MeasuredĐo tại 4 at0 40°C,C, 40MPa 40MPa ComputedTính toán at 40°C,400C, 40MPa 40MPa J-B., 2010. Use of a mechanistic model to 0.0 0 10 20 30 40 forecast cement-sheath intergrity for CO2 Time [h] Thời gian (h) storage, SPE 139668. Hình 10. So sánh đường cong thực nghiệm và [3]. Cahn J.W., 1956. The kinetics of grain đường cong tính toán ở 40°C và áp suất khác boundary nucleated reactions, Acta Metall 4, nhau 449-459. Kết luận [4]. Christian J.W., 1975. The Theory of Một mô hình bán thực nghiệm mới được Transformations in Metals and Alloys, Part 1, đưa ra nhằm tính toán sự phát triển của độ 2rd edition Pergamon Press, Oxford. hydrat hóa và các tính chất cơ học của xi măng [5]. Kondo R., Kodama M., 1967. On the ở điều kiện nhiệt độ và áp suất của các giếng hydration kinetics of cement, Semento Gijutsu, dầu đã được đưa ra. Mô hình này cho phép tính Nenpo 21, 77–828 (in Japanese). toán sự phát triển của xi măng từ giai đoạn [6]. Scherer G.W., Funkhouser G.P., ngưng kết đến giai đoạn ổn định. Mô hình được Peethamparan S., 2010. Effect of pressure on hợp thức hóa bởi các số liệu thí nghiệm đo được early hydration of H and white cement, Cement về sự phát triển của độ hydrat hóa ở các điều and Concrete Research 40, 845-850. kiện khác nhau. Đây là một mô hình đơn giản, [7]. Thomas J.J., 2007. A new approach to chỉ gồm 5 tham số chính. Bởi vậy nó dễ dàng modeling the nucleation and growth kinetics of được sử dụng để tính toán bởi các kĩ sư trong Tricalcium Silicate hydration, J. Am. Ceram. quá trình thiết kế. Soc 90 (10) 3282- 3288. Đối với xi măng giếng khoan, có thể sử [8]. Vu M.H, 2012. Effet des contraintes et de dụng mô hình này có thể hợp thức hóa để tìm ra la température sur l’intégrité des ciments des các tham số thực nghiệm trên cơ sở kết quả thí puits pétroliers, thesis of TOTAL/ Université nghiệm về sự tăng trưởng của modun đàn hồi, Paris Est/ ENPC. ABSTRACT Study on the effects of temperature and pressure on the hydration development and mechanical properties of well cement Vu Manh Huyen, Vietnam CurisTec Nguyen Van Khuong, Petro Vietnam Trieu Hung Truong, Hanoi University of Mining and Geology Effect of temperature and pressure on the hydration evolution and mechanical properties of well cement is investigated by the theoretical and experimental aspects. The model publiced was mainly based on the theorie of nucleation and growth on the surface, was developed initially by Cahn. So the paper proposes a semi-empirical model for the development of cement taking into account the effect of temperature and pressure. This model allows evaluating hydration degree and mechanical properties of cement at any time from the dormant phase to the stable phase. This model is simple and very practical in petroleum industry. 6
7. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU TT Kí hiệu Tên gọi 1. V Vận tốc sóng dọc ở thời điểm t 2. Vin Vận tốc sóng dọc ban đầu 3. V∞ Vận tốc sóng của xi măng khi hydrat hóa hoàn toàn 4. W/C Tỉ lệ nước/xi măng 5. EG Năng lượng hoạt động cho sự tăng trưởng 6. VG Thể tích hoạt động cho sự tăng trưởng 7. E1 Năng lượng hoạt động cho sự nảy mầm 8. V1 Thể tích hoạt động cho sự nảy mầm 9. IB Tốc độ sinh mầm 10. G Tốc độ tăng trưởng 11. R Hằng số của khí lý tưởng (8.314 JK-1mol-1) 12. Xset Mức độ độ hydrat hóa của xi-măng tại thời điểm ngưng kết 13. tset Thời gian ngưng kết Tham số ứng với tốc độ chuyển hóa của nước giữa các bề mặt 14. kG (hạt C3S hay hạt xi măng). Tham số ứng với tốc độ chuyển hóa của các phần đã được tạo 15. kB mầm trên bề mặt (hạt C3S hay hạt xi măng). Tổng diện tích bề mặt của các hạt phản ứng trong một thể tích 16. OB v đơn vị được gọi là diện tích đặc trưng hoặc độ mịn 17. p Áp suất 18. T Thời gian 19. Y(t) Độ hydrat hóa tại thời điểm t 20. C0Y ÷ C3Y, Các tham số thực nghiệm 21. C0,÷ C3, Các tham số thực nghiệm 22. ,,   Các tham số thực nghiệm 0 23. A  Ái lực hóa học của xi măng NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CẤU TẠO CHOÒNG 3 CHÓP XOAY (tiếp theo trang 15) ABSTRACT Upgrating the Design of Small Tricone Roller Bits Drilling in Fractured Basement of Bach Ho Field Nguyen Van Khuong, PetroVietnam Tran Xuan Dao, Nguyen Thai Son, Vietsovpetro Nguyen The Vinh, Tran Huu Kien, Hanoi University of Mining and Geology Actual data shows that drilling in fractured granite basement rock of Bach Ho Field using 4½" tricone roller bit induced low rate of penetration, short life-time of the bit, broken and dull teeth of bit, drop-out cones lead to the extension of drilling time. Based on the analysis of statistical data on the actual use of tricone roller bit in fractured granite basement rocks, the physic- mecanical properties of basement rock such as hardness, abrasion combined with the results of research and evaluation the design, rock destruction principle of drill bit, the authors have proposed technology - technical solutions to improve performance and durability of tricone roller bit by reducing force impact of the bit on rock. These slolutions are: change IADC code of the drill bit, increase the number of teeth on the same section, arange teeth to avoid re-contact with the most recent position while drilling, cover the sides of drill bit with alloy, use bearing seal with HAR technology. 7