سبک سازی سیمان در دیواره‌های چاه‌های نفت و گاز
به گزارش بومرنگ، 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.
۱– سیمان کلاس A: این سیمان تا عمق ۶۰۰۰ فوت استفاده می‌شود.
۲– سیمان کلاس B: این سیمان تا عمق ۶۰۰۰ فوت استفاده می‌شود و در مقابل ترکیبات گوگردی مقاوم است.
۳– سیمان کلاس C: این سیمان تا عمق ۶۰۰۰ فوت استفاده می‌شود و مقاومت تراکمی زیاد و آنی دارد.
۴– سیمان کلاس D: این سیمان تا عمق ۱۲۰۰۰ 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 ۱۴۰۰۰ فوت مورد استفاده قرار می‌گیرد.
۶– سیمان کلاس F: وقتی‌که دما و فشار چاه فوق‌العاده زیاد است، تا عمق ۱۶۰۰۰ 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.
شرح نیاز فناورانه :
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.
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.
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.
فازهای پروژه و یا برنامه اجرایی :
فاز اول – دریافت پروپوزال‌ها (حداکثر ۳۰ اسفند‌ماه ۹۵)
فاز دوم- داوری پروپوزال‌ها و تعیین پروپوزال منتخب (حداکثر ۲۵ فروردین‌ماه ۹۶)
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 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 ۳).
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» لوله‌های پوششی و «ممانعت» از مهاجرت سیال‌های یک سازند به سازند دیگر را برآورده سازد
رویکردهای غیر قابل قبول :
موادی که هرزروی دوغاب سیمانی را افزایش دهند (شکل ۴).
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 ۰۲۱۸۸۳۵۹۶۱۲ و ۰۲۱۸۸۳۵۹۴۸۲ تماس حاصل فرمائید.
