تمام دانستنی‌های سیمان‌ خاص چاه‌های نفت و گاز

به گزارش می متالز، در ایران با توجه به چاه‌های نفت فراوانی که وجود دارد، این سیمان‌کاری نیز کاربرد بسیاری دارد و خوشبختانه ایران در این زمینه خودکفا است.

ترکیب سیمان چاه نفت

سیمان‌هایی که در سیمان‌کاری چاه‌های نفت به‌کار برده می‌شود، همان سیمان‌های صنعتی است، با این تفاوت که از لحاظ ترکیب ساختاری، موادی به آن اضافه می‌شود تا خاصیت پمپ‌‌پذیری دوغاب سیمان افزایش یابد.
 نوع مواد و میزان مواد تشکیل‌دهنده سیمان‌های صنعت حفاری باید به گونه‌‌ای باشد که این خواص را در آنها ایجاد کند: ویسکوزیته سیمان و زمان سفت شدن آن به شکلی باشد که بتوان آن را با پمپ در عمق معینی از چاه قرار داد. به محض قرارگیری در چاه باید به‌سرعت و در کوتاه‌مدت مقاومت کافی در آن ایجاد تا از شکست مکانیکی جلوگیری شود. از نظر ترکیب شیمیایی، سیالات زمین روی آن تاثیری نداشته باشد. چنان قوامی داشته باشد که به مرور زمان تجزیه و فاسد نشود و کیفیت خود را از دست ندهد. سیمان باید بدون نفوذپذیری باشد تا سیال طبقات در آن نفوذ نکند.

روش سیمان‌کاری

 روش سیمان‌کاری این‌گونه است که دوغاب سیمان با فشار، درون لوله جداری وارد می‌شود، دوغاب پس از عبور از لوله وارد فضای حلقوی می‌شود و تا ارتفاع از پیش تعیین شده بالا می‌‌آید. مسیری که دوغاب سیمان طی می‌کند شبیه مسیر گل حفاری است؛ یعنی از درون لوله جداری خارج شده و وارد فضای حلقوی می‌شود، وقتی فضای حلقوی پر شد، ساکن می‌شود و پس از مدتی خشک شده و سخت می‌شود. قبل از آنکه عملیات سیمان‌کاری آغاز شود، مهندسان سیمان چاه نفت، حجم دوغاب سیمانی را که قرار است در چاه پمپ شود، به‌طوردقیق محاسبه کرده و بسته به عمق چاه و هدف سیمان‌کاری، نوع سیمان و ترکیب دوغاب سیمان را مشخص می‌کنند. پس از انجام آزمایش‌های مشخص با توجه به شرایط چاه (به‌ویژه دما و فشار) روی ترکیب مشخص شده، سیمان تهیه می‌شود. برای تهیه و پمپاژ دوغاب سیمان در چاه و انجام عملیات سیمان‌کاری، از مخلوط‌کن و پمپ‌هایی خاص که روی ماشین ویژه‌ای سوار است، استفاده می‌شود.

آزمایش‌های سیمان چاه نفت

سیمان‌کاری لوله‌‌های درون چاهی، یکی از اصلی‌ترین عملیات‌ انجام شده در طول حفاری یک چاه نفت است. سیمان عملکرد اساسی در نگهداری لوله‌های جداری و مغزی و تجهیزات سرچاهی دارد. همچنین سیمان یک سد غیرقابل‌نفوذ در برابر عبور گازها و سیالات سازند ایجاد می‌کند و بدین ترتیب سازندها ایزوله می‌شوند. به‌منظور اطمینان از موفقیت در تمامی فعالیت‌های سیمان‌کاری چاه‌های نفت و گاز، دوغاب‌های سیمان بر اساس شرایط چاه طراحی و آزمایش می‌شوند. این آزمایش‌ها به روال عادی در آزمایشگاه سیمان انجام می‌شود.

۱)آزمایش زمان ‌بندش

 در این آزمایش، افزایش گرانروی دوغاب سیمان با گذشت زمان در شرایط دمایی گردشی و فشار ته چاه نمایش داده می‌شود. هنگامی که گرانروی به ۱۰هزار سانتی‌پواز (cp) رسید، مدت زمان سپری شده همان زمان بندش دوغاب درنظر گرفته می‌شود. از یک دستگاه کانسیستومتر دما بالا- فشار بالا برای انجام آزمایش‌ها به روش API استفاده می‌شود. هنگامی که سیمان‌کاری در چاهی با دمای پایین انجام می‌شود، ممکن است بکارگیری یک افزایه تندکننده به منظور کاهش زمان بندش لازم باشد تا انتظار برای بندش سیمان به کمترین میزان برسد؛ از طرف دیگر، هنگام سیمان‌کاری چاه‌های دما بالا احتمال استفاده از افزایه کندکننده زیاد است.

۲) آزمایش استحکام تراکمی

آزمایش استحکام تراکمی، اندازه‌‌گیری فشار موردنیاز برای خردکردن یک قالب سیمان با هندسه مشخص و با تراکم نامحدود و یک محور است. دوغاب‌های سیمان در قالب‌های برنجی به اندازه ۲ اینچ مکعب بر اساس روش API و در شرایط دمای ساکن و فشار ته چاه در دستگاه curing chamber سخت می‌شوند. مکعب‌های سخت شده سیمانی پس از گذراندن زمان معین، برای تعیین استحکام با پرس خرد می‌شوند. پس از اینکه پمپاژ دوغاب متوقف شد، لازم است مشخص شود استحکام تراکمی سیمان به چه میزان و با چه سرعتی شکل می‌گیرد. سیمان سخت شده باید به اندازه‌ای استحکام داشته باشد تا لوله‌‌های جداری و مغزی را نگه دارد.

۳) آزمایش اندازه‌‌گیری میزان هرزروی عصاره دوغاب سیمان

 در آزمایش هرزروی سیال، هرزروی آب دوغاب سیمان از یک صافی نفوذپذیر (مش ۳۲۵) در دمای گردشی ته چاه (۴۵۰ درجه فارنهایت) و با حداکثر فشار نسبی۲۰۰۰ پام اندازه‌‌گیری می‌شود. این آزمایش با استفاده از یک فیلتر پرس فشار بالا- دما بالا بر اساس روش API میزان هرزروی عصاره دوغاب سیمان اندازه‌‌گیری و شبیه‌‌سازی و مایع فیلتر شده در مدت زمان۳۰ دقیقه جمع‌آوری می‌شود. سیال می‌تواند از دوغاب سیمان به درون سازند هرز رود. هرزروی آب به‌طور قابل ملاحظه‌‌ای نسبت سیمان به آب دوغاب و درنتیجه گرانروی را تغییر می‌دهد. در شرایط حاد، این مسئله می‌تواند باعث بندش سریع سیمان و غیر قابل پمپاژ کردن آن شود. در دوغاب‌های سیمان، هرزروی کم سیال سیمان به‌منظور اطمینان از بندش سیمان و ممانعت از ایجاد آسیب به سازند و نفوذ گاز لازم و ضروری به‌نظر می‌رسد. به‌طورمعمول هرزروی سیال دوغاب سیمان باید در محدوده ۵۰ تا ۱۰۰ میلی‌لیتر در ۳۰دقیقه باشد.

۴) اندازه‌‌گیری خواص رئولوژیکی

رابطه بین تنش برشی و شدت برش با استفاده از گرانروی سنج FANN ۳۵ که یک گرانروی‌‌سنج دورانی است، تعیین می‌شود. با ترسیم رایانه‌‌ای تنش‌های برشی در شدت‌های برشی متناظر، مدل رئولوژیکی (نیوتونی، بینگهام پلاستیک یا پاورلا) که کاربرد بیشتری دارد، مشخص می‌شود. هنگامی‌که مدل مشخص شد، پارامترهای مربوط مانند PV و YP در مدل بینگهام پلاستیک یا اندیس رفتار جریان و اندیس گرانروی در مدل پاورلا می‌توانند محاسبه شوند. به منظور محاسبه رژیم جریان و فشار اصطکاکی از خواص سیال و هندسه لوله استفاده می‌شود.

۵) آزمایش آب آزاد

 زمانی‌که دوغاب سیمان در شرایط ایستا باشد، ممکن است بر اثر رسوب ذرات سیمان آب آزاد ایجاد شود. این مسئله در چاه‌های کج و افقی بحرانی و مشکل‌آفرین خواهد بود. آزمایش آب آزاد در یک استوانه درجه‌بندی ۲۵۰میلی‌لیتری انجام می‌شود. دوغاب سیمان تهیه شده بر اساس استاندارد API در یک گرانروی‌سنج با دمای استاتیک ته چاه به مدت ۲۰ دقیقه به‌هم‌زده و درون یک استوانه ریخته می‌شود.

۶) اندازه‌‌گیری چگالی دوغاب

چگالی دوغاب سیمان با یک ترازوی گل زیر‌فشار تعیین می‌شود. نمونه دوغاب در یک فنجان با حجم ثابت زیرفشار ریخته شده و وزن آن اندازه‌‌گیری می‌شود. با فشرده کردن فنجان نمونه، هوای موجود به حجم ناچیزی فشرده شده و اندازه‌گیری چگالی دوغاب با دقت بیشتری انجام می‌شود. چگالی دوغاب سیمان باید به اندازه‌ای باشد که فشار یک سازند نفوذپذیر کنترل شود اما درعین حال فشار هیدرواستاتیکی ایجاد شده نباید سازندهای ضعیف را بشکافد.

۷) سازگاری گل، جداکننده و دوغاب سیمان

سازگاری جداکننده با سیال حفاری و دوغاب سیمان با مقایسه خواص رئولوژیکی گل، جداکننده و دوغاب سیمان با خواص رئولوژیکی مخلوط‌های جداکننده با گل و جداکننده با دوغاب سیمان در نسبت‌های متفاوت چک می‌شود. اثر جدا‌کننده بر زمان بندش دوغاب سیمان و تراکم استحکامی سیمان سخت‌شده در نسبت‌های متفاوت جداکننده-دوغاب مشخص می‌شود.

۸) کنترل کیفی سیمان و افزایه

کلاس‌ API سیمان‌های چاه‌های نفتی به ۹ قسمت تقسیم‌‌بندی می‌شوند. متداول‌ترین کلاس سیمان مصرفی در ایران، سیمان کلاس G است. آزمایش‌های کنترل کیفی به‌‌طور متداول روی سیمان‌های مصرفی انجام می‌شود تا از کسب نیازهای شیمیایی و فیزیکی داده شده در استاندارد API spec ۱۰ اطمینان حاصل شود. به منظور تضمین کیفیت مناسب افزایه‌های مصرفی در عملیات‌های سیمان‌کاری، آزمایش‌های کنترل کیفی در یک روال جاری انجام می‌شود.

۹) اندازه‌گیری قدرت ژله شدن دوغاب سیمان

با استفاده از تجهیز آزمایشگاهی SGS می‌توان قدرت ژله شدن دوغاب سیمان و همچنین مدت زمان بندش آن را تعیین کرد. نمونه دوغاب در یک فنجان استاندارد ریخته شده و پس از قرار گرفتن در دستگاه، آزمایش می‌شود.

۱۰) اندازه‌‌گیری میزان مهاجرت گاز در دوغاب سیمان

مهاجرت سیال و گاز از درون دوغاب سیمان، یکی از دلایل عمده شکست عملیات سیمان‌کاری بوده و عملیات‌های درمان‌کننده بسیار پرخرج خواهد بود. آنالایزر مهاجرت گاز (FMA) دوغاب سیمان را از نظر هجوم سیالات سازند (گاز و آب نمک) پس از عملیات سیمان‌کاری شبیه‌‌سازی می‌کند. این آنالایزر همه موارد موردنیاز به‌منظور شبیه‌‌سازی واقعی عواملی مانند دما، فشار هیدرولیکی، فشار سیال سازند و فشار محرک جریان از ستون سیمان را برآورد می‌کند.