Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chuyên dụng cho chế tạo packer trương nở dùng trong gia cố và cách ly ống chống khai thác dầu khí

Trong thi công giếng khoan dầu khí, ống chổng lửng (chống lồng một đoạn vào cấp ống tróng trước đó) thường được cố định với cấp ống chống ngoài bằng đầu treo chuyên dụng rồi được trám xi măng để vừa cách ly, vừa gia cố thêm. Mặc dù được sử dụng trong một thời gian dài, nhưng cách gia cố và cách ly này đi liền với một nhược điểm lớn là, do ảnh hưởng của hiện tượng giãn nở nhiệt và rung động cơ học trong quá trình khai thác giếng, vành đá xi măng không còn bám dính tốt trên bề mặt các ống chống. Hiện tượng này đưa đến kết quả cuối cùng là tính cách ly của vành xuyến xi măng bị suy giảm mạnh dẫn tới những hệ lụy không mong muốn như hiện tượng tăng áp suất giữa các cột ống chống, dòng chảy thông kênh ngoài ống chống... Trong nhiều trường hợp, để phòng ngừa những hệ lụy nêu trên, người ta phải tăng mạnh chiều dài phần ống lồng nhau hoặc không chống ống lửng mà chống ống lên tới bề mặt. Cả hai trường hợp này, chi phí cho xây dựng giếng đều tăng mạnh.
 
 
Khoảng từ giữa thập kỷ trước, sự ra đời của packer trương nở đã mang tính cách mạng đã khắc phục cơ bản nhược điểm của phương pháp gia cố đầu treo và trám xi măng cho ống chống lửng. Packer trương nở thực chất là lớp cao su chuyên dụng được ốp lên bề mặt ống chống nhỏ. Dưới tác động của nhiệt độ  đáy giếng và lưu thể vỉa (dầu vỉa, nước vỉa), lớp cao su này trương nở, choán kín phần không gian tự do còn lại trước đó. Vật liệu cao su trương nở vừa có tính bám dính tốt với ống chống, vừa có tính cách ly tốt đảm bảo không rò rỉ. Bằng cách đó, nó thay thế một phần vai trò gia cố và khắc phục hiện tượng cách ly kém của vành xuyến đá xi măng.

So với đầu treo cơ khí, packer trương nở có một số ưu điểm như thao tác đặt packer rất đơn giản. Packer được gắn liền với đoạn ống chống lửng hoặc phin lọc cần đặt và được thả như thả ống chống. Khi được đặt vào vị trí, dưới tác động của lưu thể (nước khoáng, dầu vỉa…) và điều kiện nhiệt độ đáy giếng, packer sẽ tự trương nở (không cần thêm thiết bị và chi phí lao động bổ sung nào khác). Đồng thời, Packer trương nở có thể được dùng rất tốt cả trong những trường hợp mà packer cơ khí hoặc đầu treo không sử dụng như cho cách ly thân giếng không tròn, thân giếng có bề mặt xù xì, lởm chởm. Ngoài ra, nó có giá thành hạ hơn nhiều so với packer cơ khí hoặc đầu treo và đặc biệt packer trương nở còn được sử dụng tốt cho nhiều công việc khác trong quá trình khai thác dầu khí đó là gia cố và cách ly khi đặt phin lọc cho giếng (tương tự như đặt ống chống lửng); đặt packer cách ly cho các đoạn giếng thân trần (thường do thân giếng gồ ghề, không tròn xoay, nên các loại packer thông thường khác khó có khả năng phát huy tác dụng).

Bản chất của packer trương nở là tùy vào lưu thế cần cách ly, cao su chuyên dụng được sử dụng ở đây gồm hai loại và thường được lắp ở hai vị trí khác nhau trong gia cố ống chống lửng. Loại trương nở trong nước dùng vào việc cách ly nước được lắp ở vị trí phía trên của phần ống chống lồng vào nhau. Loại trương nở trong dầu dùng vào việc cách ly dầu được lắp ở vị trí phía dưới của phần ống chống lồng vào nhau. Cũng chính vì mang bản chất trương nở khác nhau mà mặc dù cùng có vật liệu nền là cao su, nhưng loại trương nở trong nước cần chứa những phụ gia trương nở và bảo toàn thể tích trong nước, còn loại trương nở trong dầu cần chứa thêm những phụ gia trương nở và bảo toàn thể tích trong dầu. Các vật liệu cao su này cũng cần bền trong môi trường nhiệt độ và độ khoáng hóa của nước vỉa. Chúng cũng cần có hệ số trương nở thể tích đủ lớn, thời gian trương nở tương đối ngắn để đảm bảo khả năng cách ly và thời gian chờ cần thiết. 

Nhằm tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo packer trương nở và ứng dụng nó trong khai thác dầu khí ở Việt Nam cũng như nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chuyên dụng cho chế tạo packer trương nở dùng gia cố và cách ly ống chống lửng và phin lọc trong giếng khai thác dầu khí từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước, nhóm nghiên cứu do TS. Nguyễn Văn Ngọ, Viện Công nghệ khoan đứng đầu đã tiến hành đề xuất và được phê chuẩn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chuyên dụng cho chế tạo packer trương nở dùng trong gia cố và cách ly ống chống khai thác dầu khí”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, nhóm nghiên cứu đã thu được các kết quả như sau:

1) Đã nêu và phân tích khái niệm chung về cao su trương nở trong nước, trong dầu thành phần điển hình và vật liệu điển hình cho chế tạo cao su trương nở trong nước, trong dầu ảnh hưởng của một số yếu tố như thành phần phối liệu, chế độ công nghệ chế tạo tới tính chất của cao su trương nở trong nước, trong dầu. Những thông tin có được giúp ích cho việc định hướng chọn lựa thành phần phối liệu và nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu tử và công nghệ cho chế tạo cao su trương nở trong nước và cao su trương nở trong dầu.

2) Đã tiến hành các nghiên cứu (1)-Lựa chọn cao su nền và các cấu tử thành phần cho cao su trương nở trong nước; (2)-Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần phối liệu tới tính chất cơ lý của mẫu cao su; và (3)-Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của thành phần phối liệu tới độ trương nở của các mẫu cao su. Trên cơ sở các nghiên cứu đã chọn được đơn phối liệu cho chế tạo CSTN-TN đạt yêu cầu cho chế tạo packer trương nở trong nước.

3) Đã tiến hành các nghiên cứu (1)- Chọn cao su nền; (2)- Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần phối liệu (như than đen, chất xúc tiến, chất độn...) tới tính chất của CSTN-TD; (3)- Nghiên cứu lụa chọn phụ gia phù hợp cho phối liệu CSTN-TD đáp ứng yêu cầu về độ trương nở ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao. Kết quả cuối cùng là đã chọn được đơn phối liệu khả dĩ (bảng 3.30 Trong báo cáo) cho chế tạo CSTN-TD. Mẫu CSTN-TD thu được có thể chịu được sự trương trong dầu diesel ở nhiệt độ 80oC. Độ trương bão hòa đạt được là vào khoảng 260 - 270%.

4) Đã xây dựng được công nghệ chế tạo các tấm CSTN-TN và CSTN-TD kích thước lớn với các thông số chính là: (1)- Công nghệ ép nóng trong khuôn; (2)- Nhiệt độ lưu hóa 140 độ C, thời gian lưu hóa 13-14 phút (toàn văn các quy trình được in trong văn bản riêng.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 14720/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.
P.T.T (NASATI)