سیمانكاری چاه نفت
فهرست مطالب
عناوین صفحه
فصل اول –شیمی سیمان 1
مقدمه 2
1-1)تاریخچه پیدایش سیمان 3
2-1)تعیین درصد تركیبات اكسیدی سیمان 4
3-1)سیمانهای كند بند 6
4-1)كلاسهای مختلف سیمان 7
1-4-1)سیمان كلاس A 8
2-4-1)سیمان كلاس B 9
3-4-1)سیمان كلاس C 10
4-4-1)سیمان كلاس D 11
5-4-1)سیمان كلاس E 12
6-4-1)سیمان كلاس F 13
7-4-1)سیمان كلاس G و H 14
8-4-1)سیمان كلاس J 16
5-1)استحكام و تنزل استحكام 16
1-5-1)استحكام تراكمی 17
2-5-1)استحكام كششی 17
6-1)افزودنیهای سیمان 18
1-6-1)انواع افزودنیهای سیمان 19
2-6-1)دلایل اضافه نمودن افزودنیهای سیمان 20
فصل دوم 22
1-2)نمونه برداری 22
2-2)ابزار مورد نیاز جهت تهیه دوغاب سیمان 24
3-2)تعیین مقدار آب دوغاب سیمان 27
فصل سوم –تند كننده های سیمان 29
1-3)خواص تند كننده های سیمان 29
2-3)انوع تند كننده های سیمان 33
1-2-3)كلسیم كلراید 33
2-2-3)سدیم كلراید 34
3-2-3)آب دریا 35
4-2-3)براكس 37
3-3)دوغابهای تغلیظ شده سیمان 38
فصل چهارم – كند كننده های سیمان 40
1-4)خواص كند كننده های سیمان 42
2-4)انوع ریتاردرهای شیمیایی 43
2-2-4)CMHEC 44
3-2-4)براكس 46
4-2-4)سدیم كلراید 47
3-4)دوغابهای سیمان دیربند 48
فصل پنجم – دوغابهای سبك وزن سیمان 52
1-5)خواص دوغابهای سبك وزن سیمان 52
2-5)روشهای سبك كردن دوغابهای سیمان 53
3-5)سیمانهای پنتونایتی (شیرین ) 54
1-3-5)محاسن و معایب پنتو نایت 55
4-5)سیمانهای اصلاح شده 55
5-5)سیمانها ی پنتو نایتی شور 56
6-5)پوزلنهای سیمان و سیمانهای پوزلتی 56
1-6-5)پوزلن ها و اهداف استفاده از آنها 57
7-5)خاك دو اتمی 57
8-5)استفاده از گاز نیتروژن در سیمانكاری چاههای نفت 58
فصل ششم –سیمانكاری نخستین 59
1-6)سیمانكاری نخستین و خواص آن 59
2-6)قلب سیمانكاری نخستین 61
3-6)مخلوط كن فواره ای 61
4-6)Cementing Head
62
5-6)زیور آلات لوله های جداری 64
1-5-6) كفشك 64
2-5-6)كالر 65
3-5-6)پرگار یا سانترلایزر 66
5-5-6)Step Collar 66
6-5-6)Wiper Plugs 66
6-6)شستشوی چاه قبل از سیمانكاری 67
7-6)سیمانكاری یك مرحله ای ( سنتی ) 67
8-6)سیمانكاری دو مرحله ای 69
9-6)سیمانكاری سه مرحله ای 70
منابع 71
مقدمه :
از میان كلیه خدماتی كه در طول حفاری یك چاه نفت یا گاز به آن داده می شود لوله گذاری (Casing ) و سیمانكاری ( Cementing )را می توان یقیناً مهمترین خدمت دانست عمر چاه ، مزان تولید و مدت بهره دهی آن به مقدار وسیعی بستگی به درجه حرارت این خدمات دارد .
در عملیات لوله گذاری جاه سخت بوسیله یك رشته لوله فولادی مخصوص پوشیده می شود و متعاقب آن در عملیات سیمانكاری فضای حلقوی بین لوله و دیواره چاه از یك دوغاب سیمان با تركیبات معین پر می گردد . دوغاب سیماین كه به این ترتیب دالان پشت لوله ها را پر می كند را گذشت زمان ( معمولاً پس از چند ساعت یا چند روز ) می بندند و سخت می شود و سنگ سیمانی حاصل چون غلافی محكم لوله های پوششی را در بر می گیرد و آنها را با سازنده پیوند می دهند .
می توان همه آنها را در دو كلمه محافظت و ممانعت خلاصه كرد:
سیمان به دیواره چاه ثبات می دهد و لوله های پوششی را در مقابل فشارهای خارجی ناشی از طبقات زمین كه ممكن است حتی باعث درهم شكستن وخورد گشتن لوله ها گردد و نیز در مقابل الكترولیز و خوردگی ناشی ا ز آبهای خورنده و زیر زمینی و هیردوكربن های ترش یا تماس مستقیم لوله ها با چینه ها می باشد « محافظت » می كند واز مهاجرت سیالهای یك سازنده به سازنده دیگر و آلوده شدن ناخواسته هیدروكربنهای ارزشمند ( نفت و گاز)محافظت به عمل می آورند .
1-1) تاریخچه پیدایش سیمان
پیدایش سیسمان به زمانی مربوط می شود كه بشر نخستین بار« سنگ آهك»را به منظور تهیه آهك زنده پخت ، پخش ( یا كلیناسیون )سنگ آهك خالص یا ( لایستون )CaCo3 در دمای 900 درجه منجر به تجزیه آن و تولید كلسیم اكساید یا آهك زنده ( Cao ) و كربن دی اكسید یا گاز كربنیك ( Co2 ) می شود .
كلسیناسیون سنگ آهك CaCo3 CaO + Co2
از تركیب كلسیم اكساید با آهك هیدروكسید یا آهك مرده به فرمول Ca(OH)2 بوجود می آید كه بدواً جسمی است كه فاقد استحكام و سختی لیكن اگر آن را با مقدار كافی آب ممدوح كرده و از آن خمیری درست كنیم (بویژه مقداری هم ماسه و خاك )به آن بیفزاییم و به مخلوط حاصل فرصت دهیم تا رطوبت خویش را از دست داده خشك شود آنگاه جسمی نسبتاً سخت را با بافتی محكم بنام ساروج بوجود خواهد آمد .
حرارتCa2 + H2O Ca(OH)2 +
ساروج Ca(OH)2 + H2O (mortar )
از این جسم قرنها به ملات ساختمان برای پیوند دادن سنگها و آجرها به یكدیگر استفاده شده است و شاید قبل از آنكه بشر آن را كشف كند بجای آن از مخلوط خاك رس و آب استفاده میشده خاك رس نیز همچو ملاتهای دیگر چون با آب آمیخته گرددو فرصت یابد تا خشك شود تبدیل به ملات ضعیفی می گردد كه بتواند واحدهای ساختمانی را تا اندازه ای به هم پیوند دهد . تهیه ملات خاك رس برای انسان ساده تر از تهیه ملات آهك مرده است زیرا خاك رس در طبیعت به مقدار فراوان و در همه جا یافت می شود و احتیاج به پراسینگ هم نداشته لیكن برای تهیه آهك بشر نیازمند به سنگ و كوره مخصوص بوده است .
در بحث سیمان كاری چهار كانی وجود دارد كه عبارتند از :
1- Tricalium silicate 2- Di calcum silicati
3- Tri calcium 4- tera calcium aluminofrite
سیمانی كه تنها محتوی چهار كانی فوق باشد قابل استفاده در هیچ كاری نیست زیرا وقتی آنرا با آب كافی مخلوط كینم دوغاب حاصل ، ظرف مدت جند دقیقه به شسرعت می بندد و سخت می شود كارخانه های سیمان برای رفع این عیب درمرحله آسیاب كلینكر بین 5/1 تا 3 درصد چیبسم یا گچ متبلور (CaSO4-2H2O ) به سیمان می افزایند تا زمان بندش دوغاب آنرا به تعویق می اندازند و در حد مطلوب و قابل قبول وزن نگهدارند این كار بسیار حساس است و باید با دقت كافی انجام شود .
بطوری كه گچ به صورتی متحاسن و یكدست در همه نقاط سیمان پراكنده گردند و تحت شرایط آسیاب فرمول شیمیایی آن تغییری نكند و كیفیت آن ثابت بماند.
2-1)تعیین درصد تركیبات اكسیدی سیمان
جدول 1-1)درصد اكسیدهای 3 نوع سیمان
|
Retarded
Cement
|
High early-strength cement
|
Standard portland cement
|
-
|
|
64
|
66.5
|
65.6
|
Analysis by exides lime (cao)
|
|
23.2
|
21.1
|
22.2
|
Silioa (sio)
|
|
4.2
|
4.8
|
5.8
|
Alumina(Al2O3)
|
|
5.00
|
2.6
|
2.8
|
Ferrio oxide(Fe2O3)
|
|
1.2
|
1.2
|
1.9
|
Megnesia (Mgo)
|
|
2
|
2.7
|
1.8
|
Sulfur Trioxide (SO3)
|
|
0.7
|
0.9
|
0.7
|
Ignnnilion Loss
|
از روی اطلاعات حاصل از جدول فوق و با كمك فرمولهای زیر می توان درصد تركیبات اكسیدی موجود در نمونه های سیمان را محاسبه كرد .
الف : اگر باشد در اینصورت:
%C3S = (4.07 %CaO) – (7.6 %SiO2) – (6.72 %Al2O3)
- (1.43 Fe2O3) – (2.85 %SO3)
%C2S = (2.87 %SiO2) – (0.754 %C3S)
%C3A = (2.65 Al2O3 ) - (1.69 %Fe2O3 )
%C4AF = 3.04 %Fe2O3
%CaSO4 = 1.7 %SO3
ب: اگر باشد در اینصورت %C3A=0 و یك محلول جامد یا ملغمه ای از آهن ، آلومینا و كلسیم در سیمان موجود میباشد.
%C3S= (4.07 %CaO ) – (7.60 %SiO2 ) – (4.48 %Al2O3)
- (2.86 %Fe2O3) – (2.85 %SO3)
%(C4AF + C2F ) = (2.10 %Al2O3 ) + (1.7 %Fe2O3)
جدول 2-1) با استفاده از 1-1 و فرمولهای تنظیم شده فوق آنالیز شده اند:
Retarded cemant
|
High early strength cement
|
Standard Portland cement
|
|
|
|
|
|
Analysis by oxide compunds
|
|
43
|
67
|
50
|
C3S
|
|
34
|
10
|
26
|
C2S
|
|
3
|
8
|
11
|
C3A
|
|
15
|
8
|
9
|
C4AF
|
|
1
|
1
|
2
|
MgO
|
|
3
|
5
|
3
|
CaSO4
|
سوم (یعنی سیمان ریتارد شده ) می باشد كه درصد C3A آن كمتر از دو سیمان دیگر است.
2-بیشترین استحكام نخسین متعلق به سیمان نوع دوم می باشد كه درصد C3S آن زیادتر از دو سیمان دیگر است .
3-بیشترین استحكام دراز مدت متعلق به سیمان دیتارد شده می باشدكه درصد C2S آن بیشتر از دو سیمان دیگر است .
4-كمترین فعالیت شیمیایی ( از نظر توسعه استحكام و زمان بندش ) متعلق به سیمان ریتارد شده می باشد كه درصد C3A و C3S آن كمتر از دو سیمان دیگر باشد .
3-1 ) سیمان های كند بند ( slow set cement )
سیمانهای كند بند به سیمانهایی گفته می شود كه زمان بندش آن زیاد تر از زمان بندش سیمان پرتلند است . دو نوع سیمان كند بند ساخته می شود :
1-( Retarded slow set cement ) : چنانچه به سیمان پرتلند درصد معینی از برخی مواد آلی افزوده شود زمان بندش دوغاب سیمان زیاد می گردد این گونه مواد آلی را چنانچه در فصل چهارم خواهیم دید ریتارد می نامند . از مهمترین ریتاردهایی كه كارخانه سیمان برای طولانی كردن زمان بندش سیمان پرتلند بكار می برد می توان نشاسته های اصلاح شده ، شكر ، لیگین ها (یا نمكهای اسد لیگنوسالفونیك ) اسید بوریك و نمكهای آن و بالاخره صمغهای گیاهی را نام برد .
2-(unretarded slow set cement ) : چنانچه میزان C3A سیمان پرتلند را كه گفتیم عامل بندش سریع دوغاب است ، كاهش داده و به صفر نزدیك كنیم زمان بندش دوغاب افزایش می یابد.
4-1) كلاسهای مختلف سیمان
كارخانه های سیمان امروزه نُه كلاس مختلف سیمان چاه نفت می سازند ما در همه این سیمانها ، سیمان پرتلند است و همگی از آن مشتق شده اند این سیمانها به ترتیب با حروف A و B و C و D و E و F و G و H و J نامگذاری كرده اند سیمانهای A و B و C سیمانهای ساختمانی (یا Costruction cement ) هستند لیكن از آنها در سیمانكاری چاههای كم عمق نفت نیز استفاده می شود سیمانهای D و E وF دارای تركیبات اكسیدی یكسانی بوده و به سیمانهای كند بند معروف هستند (Oil well slow set cement ) این سیمانها رادركارخانه علاوه بر گچ به برخی مواد شیمیایی دیگر مثل « كلسیم لیگنوسالفوتیت» آغشته می سازند تا زمان بندش دوغاب آنها طولانی تر شده و به این ترتیب كاربردشان وسیع تر و فاقد هر گونه افزودنی هستند .
سیمان j مخصوص چاههای عمیق و داغ است (deep hot – well cement)
عواملی كه باعث بروز تفاوت بین سیمانهای نه گانه فوق می شود عبارتند از:
1-كامپوزیشن یا تركیب مواد خام
2-میزان نرمی دانه ها ی سیمان
3-میزان و نوع افزودنیهای سیمان
با كم و زیاد كردن عوامل فوق نه تنها می توان كلاسهای مختلفی از سیمان چاه نفت را به وجود آورد بلكه می توان هر كلاس را در نوع مختلفی نیز ساخت . انواع سیمانهای چاه نفت عبارتند از :
1- نوع معمولی
1/ ordinary type (0)
2- نوع كم مقاومت در برابر سولفاتها 2 / Moderate sulfat resistant type(MSR)
3- نوع پر مقاوم در مقابل سولفاتها
3/ High sulfate Resistant type (HSR)
1-4-1) سیمان كلاس (A )
این سیمان كه تنها در نوع معمولی (Ordinary type )ساخته می شود برای استفاده در عمقهای صفر تا 600 فوت یا دماها ی زیر 170 درجه فارانهایت مناسب است .
و در مواردی بكار می رود كه از سنگ سیمان خواص ویژه و بخصوصی مد نظر نباشد این سیمان بهتر از سایر كلاسهای سیمان عمل می كند واین بخاطر درصد بالای (C3A ) آن میباشد كه با افزودنیهای آن سازگاری دارد.و زمان بندش دوغاب را كاهش و استحكام تراكمی سنگ آن را افزایش می دهد ( البته همین درصد بالای C3A در مواقعی كه لازم است سیمان در برابر تهاجم آبهای سولفاته از خود مقاومت نشان میدهد یك نقطه ضعف محسوب می شود.)
جدول 3-1 ) مشخصات فیزیكی سیمان كلاس A
|
حداقل زمان نیم بند شدن
|
حداقل استحكام 8 ساعته
|
W.C.R
|
حداقل سطح جانبی ویژه ذرات
|
نوع سیمان
|
|
90 minutns
|
250 Psia at 100 of
|
0.46
|
1500 cm2/gm
|
كلاس A
|
برای تهیه دوغاب نرمالی از سیمان كلاس A باید هر كیسه 94 پوندی آن را در 0.1234 بشكه آب شیرین ( معادل 6/19 لیتر )حل نمود و دوغابی كه به این ترتیب بدست می آید PCF 23/117 وزن و2085/0 بشكه حجم خواهد داشت .
2-4-1 ) سیمان كلاس ( B )
این سیمان در دو نوع MSR و HSR ساخته می شود و برای استفاده در عمقهای صفر تا 6000 فوت با دمای f 170 مناسب است . از لحاظ تركیبات شیمیایی بسیار شبیه سیمان كلاس A می باشد لیكن غلظت ( C3A) آن كمتر است از لحاظ مشخصات فیزیكی دانه های آن معمولاً – ولی نه همیشه درشت تر از دانه های سیمان كلاس (A) می باشد .
به خاطر همین دو تفاوت ، زمان نیم بند شدن دوغاب آن بیشتر از زمان نیم بند شدن دوغاب سیمان كلاس A می باشد و توسعه سنگ آن كمتر از توسعه استحكام سنگ سیمان اخیر است .
جدول 4-1 ) مشخصات فیزیكی سیمان كلاس (B)
حداقل زمان
نیم بند شدن
|
حداقل استحكام
تراكمی 24 ساعته
|
حداقل استحكام تراكمی 8 ساعته
|
W. C. R
|
حداقل سطح جانبی ویژه
|
نوع سیمان
|
|
Gomin
|
1500 psia
|
200 psia
at 100 f
|
0.46
|
1600 cm2 gm
|
كلاس (B)
|
برای تهیه نرمال سیمان كلاس (B) ، مثل دوغاب سیمان كلاس A درست می شود .
3-4-1) سیمان كلاس ( C )
این سیمان در هر سه نوع HSR , MSR , 0 ساخته می شود و برای استفاده در عمقهای ft 6000 ( یا دمای زیر 0F 170 ) مناسب است و در مواردی به كار می رود كه از سنگ سیمان استحكام نخستین زیادی را توقع داشته باشند .
دانه های این سیمان نرم تر از دانه های سیمانهای كلاس A, B است و به همین دلیل هم استحكام در سنگ آن بیشتر از توسعه استحكام در سنگ سیمانهای یاد شده است . از معایب این سیمان می توان كانستینی زیاد دوغاب آن را نام برد كه این خود زاییده نرمی دانه های سیمان می باشد .
نرم بودن دانه های این سیمان تمایل دوغاب آن را به ژله ای شدن افزایش می دهد . دوغابهای سیمانهای كلاس ( C) تیكو تراپیك هستند و بواسطه خواص دیالوژیك ضعیفی كه دارند نمی توان دیواره چاه را به خوبی تمیز كرده و آن را سیمانكاری كنند . مضاف بر اینها سیمانهای كلاس ( C ) در مقابل ریتاردهای مواد كنترل كننده واترلاس ، معمولاً از خود واكنش قابل ملاحظه ای نشان نمی دهند .
جدول مشخصات فیزیكی سیمان كلاس C
|
حداقل زمان نیم بند شدن
|
حداقل استحكام تراكمی 24 ساعته
|
حداقل استحكام تراكمی 8 ساعته
|
W.C.R
|
حداقل سطح جانبی ویژه ذرات
|
مشخصات سیمان
|
|
90 min
|
2000 psia
|
300 psia
|
0.56
|
2200 cm2
gm
|
كلاس c
|
جهت تهیه دوغاب نرمالی از سیمان كلاس c باید هر كیسه 94 پوندی آن را در 15% بشكه آب شیرین ( معادل 9/23 لیتر ) حل نمود . دوغابی كه به این ترتیب بدست می آید pef 111 وزن و 2353/. بشكه حجم خواهد داشت .
4-4-1) سیمان كلاس ( D )
این سیمان در نوع ( HSR) , ( MSR ) ساخته می شود و برای استفاده در چاههای با عمق 6000 تا 10000 فوت كه فشار و دمای آنها نسبتاً زیاد است مناسب است . سیمانهای كلاس ( D ) را در كارخانه معمولاً آغشته به كلسیم لیگنوسالفونیت می كنند تا زمان بندش دوغاب آن طولانی تر شود و به این ترتیب وسعت كاربرد بیشتری پیدا می كند.
شركتهای سیمانكاری چاه های نفت نیز خود افزودنیهایی دارند كه چون آنها را با درصد معینی به سیمانهای كلاس D اضافه كنند زمان بندش دوغابهای سیمانها هنوز هم بیشتر می شود . از چنین سیمانهایی میتوان در عمقهای بیشتر از ده هزار فوت هم استفاده كرد در عملیات حفاری دریایی كه برای ساختن دوغاب سیمان معمولاً از آب دریا استفاده می شود ، می توان سیمان كلاس D را بكار برد لیكن باید به خاطر داشت كه آب دریا زمان بندش دوغاب را كاهش می دهد . كه در این مورد پایلوت تست ضروری است .
در زیر مشخصات سیمان كلاس D آورده شده است .
جدول 6-1 ) مشخصات فیزیكی سیمان ( D )
|
مشخصه سیمان
|
حداقل زمان نیم بندشدن عمق 10000 فوت
|
حداقل زمان نیم بند شدن عمق 6000 فوت
|
W.C.R
|
حداقل استحكام تراكمی 24 ساعته
|
حداقل استحكام تراكمی 8 ساعته
|
|
كلاسD
|
100min
|
90 min
|
0.38
|
1000 psia
|
500 psia
|
برای تهیه دوغابی از سیمان كلاس D با استاندارد ( API ) باید هر كیسه 94 پوندی آن را در 19/10 % بشكه آب شیرین ( معادل 2/16 لیتر ) حل نمود دوغابی كه به این ترتیب به دست می آید pef 5/123 وزن و 187/0 بشكه حجم خواهد داشت .
5-4-1 ) سیمان كلاس ( E )
این سیمان در دو نوع ( HSR) , ( MSR ) ساخته می شود و برای استفاده در چاههای با عمق 10000 تا 14000 فوت كه فشار و دمای آن زیاد است مناسب می باشد .
( برای اینگونه چاهها « BHST = 230 290f » )
در زیر مشخصات فیزیكی سیمان كلاس ( E ) آورده شده است .
جدول 7-1 ) مشخصات فیزیكی سیمان كلاس ( E )
|
حداقل زمان نیم بند شدن زیر شدیول S 8
|
حداقل زمان نیم بند شدن زیر شدیول S 6
|
حداقل استحكام تراكمی 24 ساعته زیر شدیول S 8
|
حداقل استحكام تراكمی 24 ساعته زیر شدیول S 4
|
W.C.R
|
حداقل استحكام تراكمی 8 ساعته زیر شدیول S 6
|
|
154 min
|
100 min
|
200 psia
|
1000 psia
|
0.38
|
500 psia
|
جهت تهیه نرمال سیمان كلاس ( E ) ، همانند سیمان كلاس ( D ) عمل می كنیم .
6-4-1) سیمان كلاس ( F )
این سیمان در نوع HSR , MSR تهیه می شود و برای استفاده در چاههای با عمق 10000 تا 16000 فوت كه فشار و دمای آنها بسیار زیاد است مناسب می باشد .
( برای اینگونه چاهها « BHST = 230 – 32 0 f » )
جدولی كه در زیر مشاهده می شود مشخصات فیزیكی كلاس F می باشد .
جدول 8-1 ) مشخصات فیزیكی سیمان كلاس F
|
0.38
|
W . S . R
|
|
500 psia
|
حداقل استحكام تراكمی 8 ساعته زیر شدیول 9 s
|
|
1000 psia
|
حداقل استحكام تراكمی 24 ساعته زیر شدیول 6 s
|
|
1000 psia
|
حداقل استحكام 24 ساعته زیر شدیول 9 s
|
|
100 minutes
|
حداقل زمان نیم بند شدن زیر شدیول 6 s
|
جدول تهیه دوغاب نرمال سیمان كلاس F همانند كلاس D عمل می كنیم
7-4-1) سیمان كلاس (G) و (H)
این سیمانها كه هر یك در دو نوع (MSR ) و (HSR ) ساخته می شوند برای استفاده