سیمان سبک چاه‌ های نفت و گاز

اشتراک گذاری با دوستان

وضعیت: بسته

شماره سند:RFP449806113

تاریخ انتشار: 1398/06/27

مهلت ارسال پیشنهاد: 1398/08/04

فرصت‌ها: براساس پیشنهاد‌ها قابل‌ مذاکره خواهد بود.

تماس : ۰۲۱۸۸۳۹۸۵۶۳ – ۰۲۱۸۸۳۹۸۵۴۳

ارسال پروپوزال‌ها: Proposal@boomerangtt.com

ضرورت مسئله

سيمان پرتلند مهم‎‌ترين ماده مورد استفاده در سیمان‌‌کاری چاه‌ هاي نفت و گاز مي‌‎باشد. این سيمان داراي مقاومت فشاري بالایی است كه ناشي از هيدراسيون تركيبات سيمان می‌ باشد و از مشخصات مهم آن سفت شدن تدريجي، يكنواخت و قابل پيش‎‌بيني، نفوذپذيري پائين و عدم حلاليت در آب است. چنين خواصي براي ايزولاسيون و پايداري ديواره چاه ضروري است. سيمان پرتلند از چهار تركيب اصلي تري‌كلسيم‌سيليكات (Ca₃S)، دي‌كلسيم‌سيليكات (Ca₂S)، تري‌كلسيم‌آلومينات (Ca₃Al₂O₆) و تتراكلسيم‌آلومينو فريمت (4CaO · Al₂O₃Fe₂O₃) تشكيل شده است. اين تركيبات درنتیجه واكنش بين آهك، سيليكا و اكسيدآهن و در دماي حدود 1500 درجه سانتی‌‌گراد تشكيل مي‌‌شوند. 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 می‌ آورند. طبق مقررات API، شش نوع سیمان استاندارد برای چاه‌‌های نفت ساخته می‌‌شود. 1- سیمان کلاس A: این سیمان تا عمق ٦٠٠٠ فوت استفاده می‌شود. این فرآورده معمولاً در مواردی که خواص ویژه‌ای نیاز نباشد، به کار می‌آید. ٢- سیمان کلاس B: این سیمان تا عمق ٦٠٠٠ فوت استفاده می‌‌شود و در مقابل ترکیبات گوگردی مقاوم است. این فرآورده در مواردی که مقاومت زیاد یا متوسط در برابر سولفات نیاز است به کار می‌رود و در دو نوع ضد سولفات متوسط (MSR) و ضد سولفات شدید (HSR) تولید می‌‌شود. ٣- سیمان کلاس C: این سیمان تا عمق ٦٠٠٠ فوت استفاده می‌شود و مقاومت تراکمی زیاد و آنی دارد. این فرآورده در مواردی که به تاب فشاری اولیه بالا نیاز است، به کار می‌رود و در سه نوع معمولی (O)، ضد سولفات متوسط (MSR) و ضد سولفات شدید (HSR) تولید می‌‌شود. ٤- سیمان کلاس D: این سیمان تا عمق ١٢٠٠٠ فوت استفاده می‌شود و برای استفاده تحت شرایط دما و فشار نسبتاً بالا به کار می‌رود و در دو نوع ضد سولفات متوسط (MSR) و ضد سولفات شدید (HSR) تولید می‌‌شود. ٥- سیمان کلاس E: وقتی‌ که دما و فشار خیلی زیاد است و تا عمق ١٤٠٠٠ فوت مورد استفاده قرار می‌گیرد. ٦- سیمان کلاس F: وقتی‌ که دما و فشار چاه فوق‌‌العاده زیاد است و تا عمق ١٦٠٠٠ فوت مورد استفاده قرار می‌گیرد. 7- سیمان کلاس G: این فرآورده از سایش کلینکر سیمان پرتلند به دست می‌آید و باید شامل سیلیکات‌‌های کلسیم هیدرولیک و معمولاً یک یا چند فرم از سولفات کلسیم به‌عنوان افزودنی حین سایش باشد. در تولید سیمان کلاس G به‌ جز سولفات کلسیم و آب یا هردو، استفاده از هر ماده دیگری به‌عنوان افزودنی حین سایش یا اختلاط پس‌ از آن مجاز نمی‌‌باشد. این فرآورده به‌‌عنوان سیمان پایه برای چاه‌‌های نفت مورد استفاده قرار می‌‌گیرد و در دو نوع ضد سولفات متوسط (MSR) و ضد سولفات شدید (HSR) تولید می‌‌شود. با افزودن انواع افزایه، خواص مختلف سیمان داخل چاه را می‌‌توان کنترل و تنظیم کرد. برنامه سیمان‌ کاری لوله‌‌های جداری معمولاً در حین عملیات حفاری انجام می‌شود. با توجه به شرایط چاه و خواص گل حفاری مورد استفاده، سیمان مورد احتیاج انتخاب و در آزمایشگاه گل‌وسیمان آزمایش و سپس برنامه سیمان به عملیات حفاری ابلاغ می‌شود. اولين پارامتر مؤثر در میزان فشار هيدروستاتيك چاه در عملیات حفاري و سیمان‌کاری و وزن حجمي سیالی است که سازندهاي اطراف چاه در تماس و تحت فشار آن‌ ها خواهند بود. دومين عامل، جریان ‎پذیری سيال در حين تزریق است. عامل وزن سیال را مي‌‏توان در فازهاي طراحي و اجرا كنترل نمود اما مسئله كنترل جریان‎پذیری سیال نسبت به كنترل وزن مشكل‎‌تر است. براي سبك ‎سازی دوغاب سيمان سه روش عمده زیر مورد استفاده قرار می‌‎گیرند که دو روش اول معمول و مورد علاقه اكثر شركت‎های حفاری است.

استفاده از افزودني‎‌هاي آبخواه يا اكستندر
استفاده از افزودني‌هاي سبک‌ وزن جامد در دوغاب براي كاهش وزن
استفاده از هيدروكربورهاي مايع، مانند گازوئیل يا نفت سفيد با وزن مخصوص كمتر از 1/0 و ایجاد امولسيون در آب

دلايل اصلي استفاده از دوغاب ‎هاي سبك را مي‌‎توان در موارد زير خلاصه نمود:

كاهش فشار هيدروستاتيك ستون سيمان براي جلوگيري از شكستن طبقات سازند و هرزروي و متعاقباً فوران احتمالي چاه
جلوگيري از اعمال فشار زياد توسط پمپ‎‌ها و جلوگيري از پاره‌شدن لوله‌ها يا خميدگي آن‌ها
كاهش وزن ستون سنگ سيمان پشت لوله جداري به دلیل معلق بودن رشته‌های جداري
کاهش هزینه‌‌های مربوط به چند مرحله سیمان‌‌کاری و نیز تعمیر آن
جلوگيري از كانال زدن و مهاجرت گاز در حالتی كه طول رشته جداري زياد است.

همچنین اهداف استفاده از مواد سبك‌كننده دوغاب را مي‌‎توان به‌‌صورت زير خلاصه نمود:

كاهش وزن دوغاب و درنهايت كاهش وزن مخصوص سنگ سيمان
افزايش استحكام اوليه سنگ سيمان

جلوگيري از هرزروي دوغاب به سازند، علی‌الخصوص مخزن نفتي و گازي
تقويت دوام سنگ سيمان در طول زمان با كاهش نفوذپذيري و مقاومت در برابر حرارت
كاهش اثر جدايش آب از دوغاب
افزايش حجم دوغاب با كمترين مخارج
افزايش يا كاهش زمان نيم‌‌بند شدن دوغاب به‌ عنوان اثر جانبي افزودني‌ها ‏

شکل زیر دلایل تمایل شرکت متقاضی به استفاده از سیمان سبک در چاه‌‌های نفت و گاز را نشان می‌دهد:‌

شرح مسئله

سیمان‌‌کاری چاه‌‌های نفت و گاز بخش مهمی از عملیات تکمیلی حفاري چاه محسوب می‌‌شود که به دلیل تجديد‌ناپذيري داراي حساسیت خاصی است و کیفیت آن در طول عمر چاه تأثیرگذار می‌‌باشد. تبديل فرمولاسیون معمول دوغاب سیمان به فرمولاسیونی با ترکیبات ساختاري جديد (بعضاً نانو)، ضمن حفظ شرايط مطلوب قبلی و بهبود خصوصیات رئولوژي، باعث کاهش وزن دوغاب سیمان و کاهش loading و استرس بر چاه می‌شود… تبديل مواد مورد استفاده در فرمولاسیون معمول سیمان باعث افزايش مساحت سطح، کنترل تخلخل و سايز می‌‌شود که در خصوصیات رئولوژي و مکانیکی مؤثر است و سبب سبکی سیمان می‌گردد. در بسیاري از مخازن نفت و گاز به علت افت فشار ناشی از بهره‌برداری در طول سالیان دراز نمی‌‌توان از سیمان‌های متداول با وزن بالا به‌منظور سیمان‌ کاری چاه‌های نفت و گاز استفاده کرد. از آنجا‌که بسیار از سازندها تحمل فشار هیدروستاتیکی چنین دوغاب‌‌هایی را ندارند، براي جلوگیري از شکستن طبقات و هرزروي دوغاب در سازندها در مقاطع ضعیف و شکننده، بايد دوغاب‌های سبک‌‌تری را بکار برد.

لوله‌‌گذاري (casing) و سیمان‌کاری (cementing) را می‌‌توان از مهم‌ترین خدمات در طول عملیات حفاري چاه‌های نفت يا گاز دانست. عمر چاه، ميزان توليد و مدت بهره‎دهي آن به مقدار وسيعي بستگي به درجه موفقيت اين خدمات دارد. در عملیات لوله‎‌گذاري، چاه به‌وسیله يك رشته لوله فولادي مخصوص پوشيده مي‌شود و متعاقب آن در عمليات سیمان‌کاری، فضاي حلقوي بين لوله و ديواره چاه، از يك دوغاب سيمان با تركيبات معين پر مي‎‌شود. دوغاب سيماني كه به‌ این‌ ترتیب دالان پشت لوله‌ها را پر مي‌كند با گذشت زمان (معمولاً پس از چند ساعت يا چند روز) سخت مي‎‌شود و سنگ سيمان حاصل، چون غلافي محكم لوله‌هاي پوششي (casing) را در بر مي‌گيرد و آن‌‌ها را با سازند پيوند مي‎‌ دهد (شکل 1). اين غلاف سيماني وظايف متعددي را انجام مي‌‌دهد كه شايد بتوان همه آن‌ها را در دو كلمه «محافظت» و «ممانعت» خلاصه كرد. سيمان به ديواره چاه ثبات مي‌دهد و لوله‎‌هاي پوششي را در مقابل فشار‌هاي خارجي ناشي از طبقات زمين و نيز در مقابل الكتروليز و خوردگي ناشي از آب‌هاي خورنده زيرزميني و هيدروكربن‎‌هاي ترش يا تماس مستقيم لوله‌‌ها با چينه‌ها “محافظت” مي‎‌كند و از مهاجرت سيال‌‌هاي يك سازند به سازند ديگر و آلوده شدن ناخواسته هيدروكربن ‎هاي ارزشمند (نفت و گاز) “ممانعت” به عمل مي‌‎آورد.

چاه مسلح به سيمان، بدون نشتي قادر به هدايت مؤثر سيال از مخزن به سطح است لذا عمليات سیمان‌کاری طول عمر چاه را تعیین می‌‌کند و نشان مي‌دهد كه چاه مورد‌نظر تا چه مدت مي‌‌تواند مولد بماند. علاوه بر مسئله ايمني و كاهش هزينه در حفاری‌های خشکی، مسئله زیست‌‌محیطی مربوط به مواد شيميايي به علت حفاظت سفره آب‌ها در حين و پس از حفاري از اهمیت برخوردار است. شکل 2 تصویر چاه سیمان‌کاری شده را نشان می‌دهد.‌

اگر فشار فضاي حلقوي كمتر از فشار سازند گردد، سيال داخل سازند وارد چاه می‌‌شود و باعث ايجاد فوران چاه می‌گردد. اگر فشار هيدروستاتيك فضاي حلقوي از فشار سازند بيشتر شود، هرزروی سيال به داخل سازند باعث شكست سازند و آسیب‌ دیدگی چاه می‌شود. علاوه‌بر آن، مقدار قابل‌توجهی سيال حفاري يا سيمان در اثر شكست سازند اتلاف می‌شود. اولین و مهم‎‌ترین پارامتر مؤثر در فشار هيدروستاتيك چاه در عملیات حفاري و سیمان‌‌کاری، وزن حجمي دوغاب سیمان است که سازند‌هاي اطراف چاه در تماس و تحت‌ فشار آن خواهند بود. در حالت معمول، وزن مخصوص دوغاب‏‌هاي سبک‌ وزن سيمان بين 90 الی 111 پوند بر فوت مکعب است. با توجه به استاندارد API براي كلاس‌هاي مختلف سيمان، سبك‌‎ترين دوغاب خالص را مي‌توان با كلاس G تهيه نمود، اما مشکل آنجاست که بسياري از سازندها، تحمل فشار هيدروستاتيكي چنين دوغاب‎‌هايي را ندارند. براي جلوگيري از شكستن طبقات سازند و هرزروي دوغاب در مقاطع ضعيف و شكننده آن‌ها لازم است که از دوغاب‌هاي سبک‌تری استفاده شود. وزن مخصوص دوغاب‎هاي فوق سبك کمتر از 90 پوند بر فوت مکعب است. در چاه‌های نفتي و گازي و ژئوترمال با توجه به مقاومت طبقات زمين در مقابل فشار‌هاي وارده از طبقات فوقاني و مجاور، به‌منظور جلوگيري از خرد شدن، سنگ سيمان طراحي و اجرا می‌شوند. در حال حاضر با افزودن مواد كاهنده وزن دوغاب سيمان از جمله بنتونايت، گليسونايت و ساير extender‌هاي سيمان چاه نفت (مثل پوزولن‌ها، خاك دو اتمي و پرلايت‎ها) سیمان سبک (90 الی 111 پوند بر فوت مکعب) ساخته می‌شود اما اقدام عملی برای تهیه سیمان فوق سبک انجام نشده است. در این طرح، ارائه روش‌های تهیه و ساخت دوغاب‏‌های سیمان با وزن مخصوص حدود 70 پوند بر فوت مکعب مطلوب است که دارای کیفیت و استانداردهای مورد اشاره باشند.

روال پیاده‌سازی این فناوری توسط تیم‌‌های فناور به‌ طور خلاصه در ذیل بیان شده است:

انجام تمام مراحل آزمايشگاهي تا دست‌یابی به فرمولاسيون يا مواد خاص مورد نظر
انجام تست‌‌های اوليه در يكي از آزمایشگاه‌های مرجع (پژوهشگاه صنعت نفت، مناطق نفت‌خيز جنوب) جهت تائید خواص يا فرمولاسيون مورد نظر
انجام تست‌‌های مورد نياز در حضور نمايندگان شرکت‌های EPD و حصول نتايج مثبت اوليه
برقراري ارتباط با كارفرمايان عاليه فيلد‌هاي نفتي و تبادل اطلاعات
انجام مجدد آزمایش‌ها با نظارت نمايندگان كارفرماي عاليه تا حصول نتيجه و تائید آن در مقياس آزمايشگاهي
انجام جلسات فني، طرح موضوعات، نيازها و بررسي نتايج آزمايشگاهي، بررسي ریسک‌‌ها و مخاطرات، تا مرحله تصمیم‌گیری براي انجام آزمایش‌های ميداني
در صورت تائید كارفرما براي تست ميداني، انتخاب چاه كانديد و هماهنگي جهت انجام عمليات واقعي در مقياس چاه با نظارت كليه نمايندگان.

لذا تمامی تیم‌های توانمند در رفع این نیاز باید هزینه‌‌های مربوط به انجام این پروژه را از ابتدا تا مرحله تست ميداني اعلام نمایند.

راهکار های پیشنهادی

ساخت سيمان خشك با دانسيته پايين و استحكام بالا
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 مواد پلیمری و کامپوزیتی سبک با قابلیت حفظ مقاومت و نیز بهبود رئولوژی دوغاب سیمان
استفاده از نانو تکنولوژی در فرآیند تولید به جهت دست‌یابی به کیفیت بهتر
استفاده از هر روش نوین دیگری با توانایی برآورده کردن الزامات لازم در «محافظت» لوله‎هاي پوششي و «ممانعت» از مهاجرت سيال‌هاي يك سازند به سازند ديگر

راه‌کارهای غیر قابل قبول

اعمال فشار زياد توسط پمپ‌‌ها و پاره‌شدن لوله‌ها يا خمیدگی آن‌ها
موادی که جریان‌‌پذیری دوغاب سیمانی را تغییر دهند.
مواد و روش‌هایی که هزینه تأمین آن‌ها بیش از هزینه متعارف در این زمینه باشند.
استفاده از موادی دارای انعطاف‌‌پذیری پایین توصیه نمی‌‌شود (زیرا این‌ گونه مواد علی‌رغم کاهش وزن دوغاب، رئولوژی، مقاومت سیمان و سایر خواص دوغاب سیمانی را دستخوش تغییرات می‌کنند.)
مواردي كه تأثیر نا‌مطلوب بر كيفيت نمودارهاي ارزيابي سيمان (Cement Bond Logs) می‌‌گذارند.
کانال زدن و مهاجرت گاز (در حالتی که طول رشته جداري زياد است)
مواد و روش‌هایی که باعث تخریب سازند نفتی یا گازی شوند.
موادی که هرزروی دوغاب سیمانی را افزایش دهند.
موادی که امکان %D

راه‌حل‌ها و پیشنهادها باید الزامات زیر را رعایت نمایند

محصول باید بتواند با حفظ استحکام اولیه، وزن مخصوص پایین‌‌تری را نسبت به سیمان‌‌های معمولی ايجاد نمايد تا فشار هیدرواستاتیکی اعمال شده به چاه و مخاطرات آن نیز کاهش يابد.
نسبت به غلظت بالای کلسیم (حدود 1 درصد وزنی) در آب مقاومت داشته باشد.
جریان‌پذیری مناسبی برای تزریق در چاه داشته باشد.
قابلیت سازگاری با انواع سیالات حفاری (پایه آبی و پایه نفتی) داشته باشد.
حد تراکم‌پذیری سیمان را تغییر ندهد.
دوغاب‌های سیمان با وزن مخصوص 70 پوند بر فوت مکعب تهیه و ساخته شوند.
خواص خوردگی آن قابل‌کنترل باشد و باعث خوردگی شدید لوله‌های جداری و ابزار درون‌چاهی نگردد.
با تغييرات دماي چاه در زمان بندش دوغاب سیمانی تغییری ایجاد نکند.
تهیه و آماده نمودن مخلوط موردنظر در شرایط عملیاتی مقدور باشد.
پایداری دمایی بالایی در 200 درجه فارنهایت و بالاتر را داشته باشد.
عملکرد مناسب در عمق‌‌های سطحی تا عمق‌های حدود 4000 متر
رعایت استانداردهای مربوط به شرکت ملی نفت