سبکسازی سیمان در دیواره‌های جداری و آستری چاه‌های نفت و گاز

///سبکسازی سیمان در دیواره‌های جداری و آستری چاه‌های نفت و گاز

سیمان پرتلند مهم‎ترین ماده مورد استفاده در سیمانکاری چاه‌های نفت و گاز می‎باشد. این سیمان در چاه‌های نفت به لحاظ شرایط دما و فشار بالا، با نوع ساختمانی متفاوت است. سیمان پرتلند دارای مقاومت فشاری بالایی است که ناشی از هیدراسیون ترکیبات سیمان می‌باشد و از مشخصات مهم آن سفت شدن تدریجی، یکنواخت و قابل پیش‎بینی، نفوذپذیری پائین و عدم حلالیت در آب است. چنین خواصی برای ایزولاسیون و پایداری دیواره چاه ضروری است. سیمان پرتلند از چهار ترکیب اصلی تری‌کلسیم سیلیکات (C3S)، دی کلسیم سیلیکات (C2S)، تری کلسیم آلومینات (C3a) و تتراکلسیم آلومینو فریمت (C4af) تشکیل شده است. این ترکیبات درنتیجه واکنش بین آهک، سیلیکا و اکسید آهن و در دمای حدود ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد تشکیل می‌شوند.

سیمان پرتلند مهم‎ترین ماده مورد استفاده در سیمانکاری چاه‌های نفت و گاز می‎باشد. این سیمان در چاه‌های نفت به لحاظ شرایط دما و فشار بالا، با نوع ساختمانی متفاوت است. سیمان پرتلند دارای مقاومت فشاری بالایی است که ناشی از هیدراسیون ترکیبات سیمان می‌باشد و از مشخصات مهم آن سفت شدن تدریجی، یکنواخت و قابل پیش‎بینی، نفوذپذیری پائین و عدم حلالیت در آب است. چنین خواصی برای ایزولاسیون و پایداری دیواره چاه ضروری است. سیمان پرتلند از چهار ترکیب اصلی تری‌کلسیم سیلیکات (C3S)، دی کلسیم سیلیکات (C2S)، تری کلسیم آلومینات (C3a) و تتراکلسیم آلومینو فریمت (C4af) تشکیل شده است. این ترکیبات درنتیجه واکنش بین آهک، سیلیکا و اکسید آهن و در دمای حدود ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد تشکیل می‌شوند.

سیمان‎های مورد استفاده در چاه‌های نفت و گاز نظیر سیمان ساختمانی است ولی با اضافه کردن انواع مواد شیمیایی و انجام عملیات خاص، تحمل شرایط سخت داخل چاه‎های نفت را به‌دست می‌آورند. طبق مقررات API، شش نوع سیمان استاندارد برای چاه‌های نفت ساخته می‌شود.

١- سیمان کلاس A: این سیمان تا عمق ۶٠٠٠ فوت استفاده می‌شود.

٢- سیمان کلاس B: این سیمان تا عمق ۶٠٠٠ فوت استفاده می‌شود و در مقابل ترکیبات گوگردی مقاوم است.

٣- سیمان کلاس C: این سیمان تا عمق ۶٠٠٠ فوت استفاده می‌شود و مقاومت تراکمی زیاد و آنی دارد.

۴- سیمان کلاس D: این سیمان تا عمق ١٢٠٠٠ فوت استفاده می‌شود و برای دما و فشار زیاد چاه مناسب است.

۵- سیمان کلاس E: وقتی‌که دما و فشار خیلی زیاد است، تا عمق ١۴٠٠٠ فوت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۶- سیمان کلاس F: وقتی‌که دما و فشار چاه فوق‌العاده زیاد است، تا عمق ١۶٠٠٠ فوت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

با افزودن انواع افزایه، خواص مختلف سیمان داخل چاه را می‌توان کنترل و تنظیم کرد. برنامه سیمانکاری لوله‌های جداری معمولاً در حین عملیات حفاری انجام می‌شود. با توجه به شرایط چاه و خواص گل حفاری مورداستفاده، سیمان مورداحتیاج انتخاب و در آزمایشگاه گل‌وسیمان آزمایش و سپس برنامه سیمان به عملیات حفاری ابلاغ می‌شود. اولین پارامتر مؤثر در فشار هیدروستاتیک چاه در عملیات حفاری و سیمانکاری، وزن حجمی سیالی است که سازندهای اطراف چاه در تماس و تحت فشار آن‌ها خواهند بود. دومین عامل، جریان‎پذیری سیال در حین تزریق است. عامل وزن سیال را می‏توان در فازهای طراحی و اجرا کنترل نمود اما مسئله کنترل جریان‎پذیری سیال نسبت به کنترل وزن مشکل‎تر است. برای سبک‎سازی دوغاب سیمان سه روش عمده مورد استفاده قرار می‎گیرند که دو روش اول معمول و مورد علاقه اکثر شرکت‎های حفاری است.

  • استفاده از افزودنی‎های آبخواه یا اکستندر
  • استفاده از افزودنی‎های سبک‌وزن جامد در دوغاب برای کاهش وزن
  • استفاده از هیدروکربورهای مایع، مانند گازوئیل یا نفت سفید با وزن مخصوص کمتر از ۱/۰ و ایجاد امولسیون در آب

 

دلایل اصلی استفاده از دوغاب‎های سبک را می‎توان در موارد زیر خلاصه نمود:

  • کاهش فشار هیدروستاتیک ستون سیمان برای جلوگیری از شکستن طبقات سازند و هرزروی و متعاقباً فوران احتمالی چاه
  • کاهش وزن ستون سنگ سیمان پشت لوله جداری به دلیل معلق بودن رشته‌های جداری
  • جلوگیری از کانال زدن و مهاجرت گاز در حالتی که طول رشته جداری زیاد است.
  • جلوگیری از اعمال فشار زیاد توسط پمپ‎ها و جلوگیری از پاره شدن لوله‎ها یا خمیدگی آن‌ها

 

همچنین اهداف استفاده از مواد سبک کننده دوغاب را می‎توان به صورت زیر خلاصه نمود:

  • کاهش وزن دوغاب و درنهایت کاهش وزن سنگ سیمان
  • افزایش استحکام اولیه سنگ سیمان
  • جلوگیری از هرزروی دوغاب
  • تقویت دوام سنگ سیمان در طول زمان با کاهش نفوذپذیری و مقاومت در برابر حرارت
  • کاهش اثر جدایش آب از دوغاب
  • افزایش حجم دوغاب با کمترین مخارج
  • افزایش یا کاهش زمان نیم‌بند شدن دوغاب به‌عنوان اثر جانبی افزودنی‎ها ‏

لوله‌گذاری (casing) و سیمانکاری (cementing) را می‌توان از مهم‌ترین خدمات در طول عملیات حفاری چاه‌های نفت یا گاز دانست. عمر چاه، میزان تولید و مدت بهره‎دهی آن به مقدار وسیعی بستگی به درجه موفقیت این خدمات دارد. در عملیات لوله‎گذاری، چاه به‌وسیله یک رشته لوله فولادی مخصوص پوشیده می‎شود و متعاقب آن در عملیات سیمانکاری، فضای حلقوی بین لوله و دیواره چاه، از یک دوغاب سیمان با ترکیبات معین پر می‎شود. دوغاب سیمانی که به‌این‌ترتیب دالان پشت لوله‌ها را پر می‌کند با گذشت زمان (معمولاً پس از چند ساعت یا چند روز) سخت می‎شود و سنگ سیمان حاصل، چون غلافی محکم لوله‎های پوششی (casing) را در بر می‌گیرد و آن‌ها را با سازند پیوند می‎دهد (شکل ۱). این غلاف سیمانی وظایف متعددی را انجام می‌دهد که شاید بتوان همه آن‌ها را در دو کلمه «محافظت» و «ممانعت» خلاصه کرد. سیمان به دیواره چاه ثبات می‌دهد و لوله‎های پوششی را در مقابل فشارهای خارجی ناشی از طبقات زمین و نیز در مقابل الکترولیز و خوردگی ناشی از آب‎های خورنده زیرزمینی و هیدروکربن‎های ترش یا تماس مستقیم لوله‌ها با چینه‎ها “محافظت” می‎کند و از مهاجرت سیال‌های یک سازند به سازند دیگر و آلوده شدن ناخواسته هیدروکربن‎های ارزشمند (نفت و گاز) “ممانعت” به عمل می‎آورد.

شکل ۱- شماتیکی از موقعیت پوشش سیمان در حفاری چاه

چاه سیمان شده بدون نشتی قادر به هدایت مؤثر سیال از مخزن به سطح است لذا عملیات سیمانکاری طول عمر چاه را تعیین می‌کند و نشان می‎دهد که چاه مورد نظر تا چه مدت می‌تواند مولد بماند. علاوه بر مسئله ایمنی و کاهش هزینه در حفاری‌های خشکی، مسئله زیست‌محیطی مربوط به مواد شیمیایی به علت حفاظت سفره آب‌ها در حین و پس از حفاری از اهمیت برخوردار است. شکل ۲ تصویر چاه سیمانکاری شده را نشان می‏دهد.

شکل ۲- تصویر سیمانکاری بین سازند و لوله‌های جداری

اگر فشار فضای حلقوی کمتر از فشار سازند گردد، سیال داخل سازند وارد چاه می‌شود و باعث ایجاد فوران چاه می‏گردد. اگر فشار هیدروستاتیک فضای حلقوی از فشار سازند بیشتر شود، هرزروی سیال به داخل سازند باعث شکست سازند و آسیب‌دیدگی چاه می‏شود. علاوه بر آن، مقدار قابل‌توجهی سیال حفاری یا سیمان در اثر شکست سازند اتلاف می‏شود. اولین و مهم‎ترین پارامتر مؤثر در فشار هیدروستاتیک چاه در عملیات حفاری و سیمانکاری، وزن حجمی دوغاب سیمان است که سازندهای اطراف چاه در تماس و تحت فشار آن خواهند بود. در حالت معمول، وزن مخصوص دوغاب‏های سبک‌وزن سیمان بین ۹۰ الی ۱۱۱ پوند بر فوت مکعب (pcf) است. با توجه به استاندارد API برای کلاس‎های مختلف سیمان، سبک‎ترین دوغاب خالص را می‎توان با کلاس C و با نسبت آب به سیمان برابر ۵۶/۰ به وزن (pcf 111) تهیه نمود اما مشکل آنجاست که بسیاری از سازندها، تحمل فشار هیدروستاتیکی چنین دوغاب‎هایی را ندارند. برای جلوگیری از شکستن طبقات سازند و هرزروی دوغاب در مقاطع ضعیف و شکننده آن‌ها لازم است که از دوغاب‎های سبک‌تری استفاده شود. وزن مخصوص دوغاب‎های فوق سبک کمتر از pcf 90 است و در چاه‌های نفتی و گازی و ژئونرمال با توجه به مقاومت طبقات زمین در مقابل فشارهای وارده از طبقات فوقانی و مجاور، به‌منظور جلوگیری از خرد شدن سنگ سیمان طراحی و اجرا می‎شوند. در حال حاضر با افزودن مواد کاهنده وزن دوغاب سیمان ازجمله بنتونایت، گلیسونایت و سایر extender های سیمان چاه نفت (مثل پوزولن‌ها، خاک دو اتمی و پرلایت‎ها) سیمان سبک (بین pcf 90 الی pcf 111) ساخته می‎شود اما اقدام عملی برای تهیه سیمان فوق سبک انجام نشده است. در این طرح، مطلوب است روش‏های تهیه و ساخت دوغاب‏های سیمان با وزن مخصوص حدود pcf 80 ارائه گردند که دارای کیفیت و استانداردهای مورد اشاره در این گزارش باشند، لذا این شرکت بزرگ حفاری چاه‌های نفت و گاز در نظر دارد درزمینه “سبک‌سازی سیمان در دیواره‌های جداری و آستری چاه‌های نفت و گاز” با دارندگان این فناوری تعامل و همکاری نماید.

·         تهیه و ساخت دوغاب‏های سیمان با وزن مخصوص حدود pcf 80

·         پایداری دمایی بالایی در ۲۰۰ درجه فارنهایت داشته باشد.

·         در برابر آب شور (با غلظت ۲۵۰ گرم بر لیتر نمک طعام) مقاومت داشته باشد.

·         نسبت به غلظت بالای کلسیم (حدود ۱ درصد وزنی) در آب مقاومت داشته باشد.

·         جریان پذیری مناسبی برای تزریق در چاه داشته باشد.

·         در زمان بندش دوغاب سیمانی تغییری ایجاد نکند.

·         خواص خوردگی آن قابل‌کنترل باشد و باعث خوردگی شدید لوله‌های جداری و ابزار درون‌چاهی نگردد.

·         قابلیت سازگاری با انواع سیالات حفاری (پایه آبی و پایه نفتی) داشته باشد.

·         تهیه و آماده نمودن مخلوط موردنظر در شرایط عملیاتی مقدور باشد.

·         حد تراکم‌پذیری سیمان را تغییر ندهد (شکل ۴).

شکل ۴ تراکم‌پذیری مناسب سیمان باعث تزریق آن به فضای بین لوله جداری و سازند می‏شود بدون آنکه به فشارهای تزریق بالاتری نیاز باشد.

با توجه به اینکه پروپوزال‌های دریافت شده توسط تیم ارزیابی موردبررسی قرار خواهد گرفت، این امکان وجود دارد که در مرحله ارزیابی و قبل از انتخاب مناسب‌ترین گزینه برای همکاری از فناوران سؤالاتی در خصوص شفاف‌سازی بیشتر پروپوزال‌ها پرسیده شود.

    جزئیات همکاری از طریق گفتگو و مشاوره با طرف‌های ذی‌ربط مشخص خواهد شد.

 

(راه‌حل‌های پیشنهادی لزوماً محدود به پیشنهادهای زیر نخواهد بود)

  • استفاده از مواد پلیمری و کامپوزیتی سبک که قادر به حفظ مقاومت و نیز بهبود رئولوژی دوغاب سیمان باشند.
  • استفاده از نانو تکنولوژی در فرآیند تولید به جهت دستیابی به کیفیت بهتر
  • استفاده از مواد اسفنجی برای کاهش وزن دوغاب سیمانی
  • استفاده از مواد پلیمری برای کاهش وزن دوغاب سیمانی
  • استفاده از مواد و روش‌های نوین برای کاهش وزن دوغاب سیمانی
  • استفاده از هر روش نوین دیگری که بتواند الزامات لازم در «محافظت» لوله‎های پوششی و «ممانعت» از مهاجرت سیال‌های یک سازند به سازند دیگر را برآورده سازد.
  • موادی که هرزروی دوغاب سیمانی را افزایش دهند (شکل ۳).
  • موادی که جریان‌پذیری دوغاب سیمانی را تغییر دهند.
  • مواد و روش‎هایی که هزینه تأمین آن‌ها بیش از هزینه متعارف در این زمینه باشند.
  • موادی که امکان پمپاژ یا تزریق آن‌ها به درون چاه مقدور نباشد یا نیازمند تجهیزات وسیع و هزینه‌بر باشد.
  • مواد و روش‎هایی که باعث تخریب سازند نفتی یا گازی شوند.
  • استفاده از موادی که دارای انعطاف‌پذیری بالا نمی‌باشند توصیه نمی‌شود زیرا این‌گونه مواد علیرغم کاهش وزن دوغاب، رئولوژی، مقاومت سیمان و سایر خواص دوغاب سیمانی را دستخوش تغییرات می‎کنند.

شکل ۳- تصویر هرزروی بیش‌ازحد دوغاب سیمانی در سازند

 

نوع همکاری مطلوب :

خرید تضمینی خدمت

فراخوان

کلیه فناوران، شرکت های دانش بنیان، دانشگاه ها، پژوهشگاه ها و سایر شخصیت های حقیقی و حقوقی فعال در این زمینه می توانند پیشنهادهای خود را از طریق سایت یا پست الکترونیک Proposal@boomerangtt.com ارسال نمایند. همچنین به منظور کسب اطلاعات بیشتر با شماره های ۰۲۱۸۸۳۹۸۵۶۳ – ۰۲۱۸۸۳۹۸۵۴۳ تماس حاصل فرمائید.

هیچ دیدگاهی موجود نیست.

نظر خود را بگذارید

Your email address will not be published.

این را به اشتراک بگذارید