سبک سازی سیمان در ديواره‌های چاه‌های نفت و گاز

به گزارش بومرنگ، این سيمان در چاه‌هاي نفت به لحاظ شرايط دما و فشار بالا، با نوع ساختماني متفاوت است. سيمان پرتلند داراي مقاومت فشاري بالایی است كه ناشي از هيدراسيون تركيبات سيمان می‌باشد 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 تري‌كلسيم سيليكات (C3S)، دي كلسيم سيليكات (C2S)، تري كلسيم آلومينات (C3a) و تتراكلسيم آلومينو فريمت (C4af) تشكيل شده است. اين تركيبات درنتیجه واكنش بين آهك، سيليكا و اكسيد آهن 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 می‌آورند. طبق مقررات API، شش نوع سیمان استاندارد برای چاه‌های نفت ساخته می‌شود.

١– سیمان کلاس A: این سیمان تا عمق ٦٠٠٠ فوت استفاده می‌شود.

٢– سیمان کلاس B: این سیمان تا عمق ٦٠٠٠ فوت استفاده می‌شود و در مقابل ترکیبات گوگردی مقاوم است.

٣– سیمان کلاس C: این سیمان تا عمق ٦٠٠٠ فوت استفاده می‌شود و مقاومت تراکمی زیاد و آنی دارد.

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

٥– سیمان کلاس E: وقتی‌که دما و فشار خیلی زیاد است، تا عمق ١٤٠٠٠ فوت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

٦– سیمان کلاس F: وقتی‌که دما و فشار چاه فوق‌العاده زیاد است، تا عمق ١٦٠٠٠ 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. اولين پارامتر مؤثر در فشار هيدروستاتيك چاه در عملیات حفاري و سيمانكاري، وزن حجمي سیالی است که سازندهاي اطراف چاه در تماس و تحت فشار آن‌ها خواهند بود. دومين عامل، جریان‎پذیری 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 سبك‎سازی دوغاب سيمان سه روش عمده مورد استفاده قرار می‎گیرند که دو روش اول معمول و مورد علاقه اكثر شركت‎های حفاری است.

شرح نیاز فناورانه :

لوله‌گذاري (casing) و سيمانكاري (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 سيمانكاري، فضاي حلقوي بين لوله و ديواره چاه، از يك دوغاب سيمان با تركيبات معين پر مي‎شود. دوغاب سيماني كه به‌این‌ترتیب 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 مي‎دهد (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 هيدروكربن‎هاي ارزشمند (نفت و گاز) "ممانعت" به عمل مي‎آورد.

چاه سيمان شده بدون نشتي قادر به هدايت مؤثر سيال از مخزن به سطح است لذا عمليات سيمانكاري طول عمر چاه را تعیین می‌کند و نشان مي‎دهد كه چاه مورد نظر 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 آسیب‌دیدگی چاه می‏شود. علاوه بر 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 سيمانكاري، وزن حجمي دوغاب سیمان است که سازندهاي اطراف چاه در تماس و تحت فشار آن خواهند بود. در حالت معمول، وزن مخصوص دوغاب‏هاي سبک‌وزن سيمان بين 90 الی 111 پوند بر فوت مکعب (pcf) است. با توجه به استاندارد API براي كلاس‎هاي مختلف سيمان، سبك‎ترين دوغاب خالص را مي‎توان با كلاس C و با نسبت آب به سيمان برابر 56/0 به وزن (pcf 111) 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 pcf 90 است و در چاه‌های نفتي و گازي و ژئونرمال 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 ازجمله بنتونايت، گليسونايت و ساير extender هاي سيمان چاه نفت (مثل پوزولن‌ها، خاك دو اتمي و پرلايت‎ها) 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 ديواره‌های جداری و آستری چاه‌های نفت و گاز" با دارندگان این فناوری تعامل و همکاری نماید.

فازهای پروژه و یا برنامه اجرایی :

    فاز اول – دریافت پروپوزال‌ها (حداکثر 30 اسفند‌ماه 95)

    فاز دوم- داوری پروپوزال‌ها و تعیین پروپوزال منتخب (حداکثر 25 فروردین‌ماه 96)

حوزه های کلیدی موفقیت :

راه‌حل‌ها و پیشنهادها باید الزامات زیر را رعایت نمایند:

    تهیه و ساخت دوغاب ‏های سیمان با وزن مخصوص حدود pcf 80

    پایداری دمایی بالایی در 200 درجه فارنهایت داشته باشد.

    در برابر آب شور (با غلظت 250 گرم بر لیتر نمک طعام) مقاومت داشته باشد.

    نسبت به غلظت بالای کلسیم (حدود 1 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 3).

رویکردهای قابل بررسی :

راه‌حل‌های پیشنهادی برای حل مسئله:

(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» لوله‎هاي پوششي و «ممانعت» از مهاجرت سيال‌هاي يك سازند به سازند ديگر را برآورده سازد

 

رویکردهای غیر قابل قبول :

 

    موادی که هرزروی دوغاب سیمانی را افزایش دهند (شکل 4).

    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.

 

موارد مورد نیاز در پیشنهادات :

کلیه موارد زیر در طرح ارائه‌شده باید مشخص شوند:

    شرح اجمالی فناوری یا روش پیشنهادی (اصول، مشخصات و ویژگی‌ها و موارد استفاده)

    منحصربه‌فرد بودن فناوری/ روش پیشنهادی

    سطح بلوغ طرح (مفهوم، پروتوتایپ، آماده تجاری‌سازی، تجاری شده) و وضعیت مالکیت فکری طرح

    عملکرد کنونی

    طرح توسعه و تشریح جدول زمان‌بندی و مراحل طراحی، ساخت، تست و تحویل

    ویژگی‎های عملکردی، مواد و تجهیزات موردنیاز و روش و شرایط اجرای فرآیند

    شرح هزینه‌های موردنیاز

    پیش‌زمینه‌ها، تجارب و تخصص‌های مرتبط با مسئله موردنظر

    نوع همکاری مورد تمایل با شرکت متقاضی

    توصیف تیم/ سازمان (رزومه علمی و اجرایی تیم یا فرد)

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(روی لینک ارسال پاسخ در انتهای این صفحه کلیک کنید) یا پست الکترونیک Proposal@boomerangtt.com ارسال نمایند.

همچنین به منظور کسب اطلاعات بیشتر با شماره های 02188359612 و 02188359482 تماس حاصل فرمائید.

No tags for this post.