Trong công nghiệp dầu khí, trám xi măng giếng khoan là chuỗi công việc phục vụ mục đích điền vào không gian vành xuyến giữa các ống chống và không gian giữa ống chống và thân giếng khoan vữa trám, sau đó để vữa trám đóng rắn tạo vành đá xi măng. Vành đá xi măng trong trường hợp này có 2 chức năng chính là gia cố và cách ly. Trong thực hiện chức năng gia cố, vành đá xi măng tạo ra đóng vai trò gia cố (liên kết) các cột ống chống với nhau và cột ống chống với thành hệ. Để thực hiện tốt chức năng này, đá xi măng cần cho độ bền cơ học nhất định, ít nhất là đủ cho để đảm bảo cho quá trình thi công giếng với thời gian chờ đợi không bị kéo dài. Trong chức năng cách ly, vành đá xi măng chịu trách nhiệm cách ly các vỉa chứa dầu, khí với các vỉa khác hoặc chính các vỉa dầu, khí có áp suất khác nhau. Để thực hiện tốt chức năng này, vành đá xi măng cần có độ thấm thấp. Thế nhưng, do tác động của nhiều yếu tố trong thời gian khai thác như: sự tác động cơ học vì sự dịch chuyển của các tầng địa chất; sự giãn nở nhiệt của ống chống dọc thân giếng; sự rung lắc của ống chống khi lưu thể chảy qua, khi tiến hành sửa chữa giếng... vành xuyến xi măng có thể bị nứt, tạo ra các kênh dẫn làm nó mất khả năng cách ly. Để khắc phục hiện tượng này, người ta đưa vào ứng dụng loại vữa xi măng chuyên dụng mà đá của nó có khả năng bịt lại các khe nứt khi lưu thể thấm qua đó. Một trong những hãng tiên phong đưa công nghệ này vào sử dụng là các công ty đa quốc gia như Schlumberger, Halliburton.

Tại Việt Nam, Liên doanh Việt-Nga Vietsovpetro đang tự thực hiện dịch vụ trám xi măng giếng khoan, nhưng vật liệu trám được cung cấp chính bởi DMC. Với mong muốn phối hợp cùng DMC trong phát triển sản phẩm mới, nhóm nghiên cứu Viện công nghệ Khoan Hội Công nghệ Khoan - Khai thác Việt Nam do KS. Nguyễn Minh Quân nhằm “Nghiên cứu, chế tạo hệ vữa xi măng chuyên dụng có khả năng tự bịt lại khe nứt nhằm nâng cao khả năng cách ly của vành đá xi măng trám giếng khoan dầu khí”. Đánh giá tính chất của hệ vữa và biên soạn hướng dẫn sử dụng trong trám xi măng giếng khoan dầu khí.

Thực chất của việc nghiên cứu chế tạo hệ vữa chuyên dụng như chúng tôi đề xuất cũng là việc chọn lựa được các phụ gia và tỷ lệ, thứ tự phối trộn cho tạo được vữa có tính công tác đảm bảo cho bơm trám và tạo được đá có tính năng thông minh, tự bịt lại các khe hở một khi chúng xuất hiện. Loại phụ gia chính mà chúng tôi sử dụng chính là sản phẩm trên cơ sở chất dẻo (cao su) có khả năng trương nở trong dầu và trương nở nhẹ trong nước. Các loại vật liệu này được chế tạo dưới dạng bột chứa các cơ hạt nhỏ. Nó được trộn vào vữa xi măng khi trám và phân bố đều trong vành đá xi măng. Việc trộn được thực hiện trong quá trình chế tạo vữa tại hiện trường. Cụ thể là, vật liệu cao su được bổ sung trực tiếp vào thùng khuấy trong quá trình chuẩn bị vữa xi măng trong quá trình trám xi măng. Như vậy, nguyên liệu chính được dùng cho chế tạo hệ vữa sẽ là xi măng G do DMC sản xuất; vật liệu cao su trương nở trong dầu, trương nở nhẹ trong nước do chúng tôi tự chế tạo; và các phụ gia điều chỉnh tính chất khác (chất phân tán, chất giảm độ thải nước, chất kéo dài thời gian đặc quánh...).

Sau một thời gian triển khai thực hiện, nhóm đề tài thu được một số các kết quả:

1. Vữa xi măng thông minh có khả năng tự bịt lại các khe nứt thông kênh có thể được chế tạo theo phương pháp bổ sung vào vữa trám bột cao su có khả năng trương nở trong dầu và trương nở trong nước. Khi gặp nước hoặc dầu thấm qua, cao su trương nở, choán kín kênh dẫn ngăn cản sự dịch chuyển tiếp tục của nước hoặc dầu. Đã mô tả thành phần điển hình của cao su trương nở trong nước, cao su trương nở trong dầu; ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chế tạo lên tính chất của các loại cao su này. Đã tiến hành xác lập tiêu chí về yêu cầu kỹ thuật đối với vữa xi măng dùng cho chế tạo đá xi măng có khả năng tự bịt lại các khe nứt thông kênh.

2. Đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia cao su trương nở trong dầu, trương nở nhẹ trong nước tới tính chất tiêu biểu của vữa xi măng như: tính chất lưu biến, độ tách nước và thời gian đặc quánh. Kết quả cho thấy, cao su với cỡ hạt nằm trong khoảng: (1,5mm > d > 0,1mm) và hàm lượng tới 5% gần như không gây bất lợi cho tính chất lưu biến, độ tách nước và thời gian đặc quánh của vữa xi măng.

3. Đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia cao su trương nở tới tính chất cơ lý (độ bền uốn, bền nén), độ rỗng và độ thấm của đá xi măng. Kết quả chứng minh khả năng tự bịt lại khe nứt, lỗ rỗng của đá xi măng chứa phụ gia cao su trương nở, nhưng cũng cho thấy khi tăng hàm lượng cao su, độ bền đá có xu hướng giảm nhanh và có thể chọn 5% là hàm lượng hợp lý cho chế tạo vữa và đá xi măng có khả tự bịt lại các khe nứt thông kênh.

4. Đã tiến hành đánh giá tổng thể tính chất công nghệ của hệ vữa có khả năng tự bịt lại khe nứt và lập hướng dẫn thứ tự pha chế vữa xi măng có sử dụng phụ gia hóa học và bột cao su cho chế tạo vữa có khả năng tự bịt lại khe nứt nhằm nâng cao khả năng cách ly của vành đá xi măng trám giếng khoan.

Nhóm đề tài kiến nghị Bộ Công thương ủng hộ nhóm đề tài trong triển khai sản xuất thử nghiệm và ứng dụng sản phẩm.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17490/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)