Brevet FR2150637A1 — publié le 19730413

La présente invention concerne un procédé de traitement d'une formation sensible à l'eau, pénétrée par un puits, et elle a plus particulièrement trait à l'injection dans un puits et la mise en contact avec une formation sensible à l'eau, d'une 50- lution d'un composé hydroxylique d'aluminium ayant un rapport des groupes hydroxyle aux atomes d'aluminium compris dans la gamme de 1,5 à 2,7. Dans des opérations d'extraction de pétrole, on utilise des puits qui pénètrent des formations pétrolifères pour établir une communication entre la formation et la surface. Ces puits peuvent être des puits d'extraction par lesquels du pétrole est extrait, ou bien des puits d'injection dans lesquels de l'eau ou d'autres substances sont injectées pour favoriser l'extraction du pétrole de puits adjacents qui pénètrent également la formation d'extraction. Dans les deux types de puits, les formations adjacentes aux puits sont souvent en contact avec de l'eau étrangère, pendant les opérations d'extraction. Presque toutes ces formations contiennent des matières argileuses de différents types et en différentesquantités. L'équilibre de ces matières argileuses est souvent fortement perturbé par contact avec l'eau.Des pertes importantes de perméabilité peuvent se manifester s'il advient que les matières argileuses obstruent l'écoulement, soit par une expansion qui comble les espaces libres, soit par dispersion et accumulation dans des espaces vides resserrés. Une expansion structurale a souvent lieu lorsqu'un volume supplémentaire d'eau est absorbé entre des couches d'argile. S'il existe de grandes quantités d'argiles du type capable d'une expansion ou d'un gonflement, une fraction très importante des voies d'écoulement peut être obturée par l'augmentation de volume de l'argile. On suppose qu'une migration des particules d'argile est un mécanisme perturbateur encore plus sévère que le gonflement de l'argile. Ceci est vrai en particulier parce que des dégats importants peuvent être causés par ce mécanisme lorsqu'il n'y a qu'une faible quantité d'argile dans la formation. Des particules d'argile dispersées dans les voies d'écoulement sont entratnées en aval, jusqu'à ce qu'elle se logent dans des res serrements des interstices. La perméabilité de la formation est réduite par le fait que ces particules produisent des dépôts miniatures de filtration tt remplissent ces interstices resserrés. Une force particulière agissant sur les argiles augmentant de volume pour provoquer l'expansion de la structure est due à l'affinité pour l'eau des cations échangeables des couches intercalées et des surfaces de ces couches. Jusqu'à présent, on a utilisé des cations organiques tels que des amines pour réduire cette tendance des argiles à augmenter de volume par contact avec l'eau fraîche, par remplacement des cations échangeables par des cations qui ont moins tendance à attirer l'eau vers des sites d'intercalation. Toutefois, les cations organiques n'ont pas donné entière satisfaction, parce qu'ils sont coûteux et aussi parce qu'ils sont, à la longue, déplacés des surfaces d'argile par les saumures de formation. Une autre force qui provoque l'expansion structurale des argiles et la dispersion des particules d'argile, résulte de la charge négative intrinsèque de pratiquement toutes les argiles minérales. Cette charge est neutralisée par absorption de cations à la surface des argiles. Etant donné que les cations tendent à se dissocier, une concentration d'ions positifs est établie dans la solution près de la surface de la particule et une charge négative existe au sein de la particule . C'est ce que l'on considère normalement comme une double couche électrique. Des particules présentant ces doubles couches se repoussent et tendent à se disperser.Etant donné que la force de répulsion est directement proportionnelle à la tendance des cations absorbés à la dissociation, des cations plus fortement attachés tendent à réduire l'épaisseur de la double couche et à réduire ainsi la tendance des particules à se disperser. Ceci annule la charge négative intrinsèque à la surface de l'argile. Jusqu'à présent, on a utilisé des cations multivalents telle les cations calcium pour traiter des formations sensibles à l'eau. Toutefois, ces cations se prêtent à un échange, à la surface des argiles, avec les saumures de formation et n'assurent par conséquent qu'une protection temporaire dans la plupart des condi tions. Par conséquent, il est nécessaire, en résumé, de trouver un procédé de traitement de ces formations sensibles à l'eau, procédé qui protège de façon positive et durable lesdites formations des effets contraires des argiles capables d'une expansion et d'une migration,comme décrit ci-dessus. La présente invention concerne le traitement de formations contenant des argiles sensibles à l'eau, par mise en contact de ces formations avec une solution contenant un composé hydroxylique d'aluminium, dont le rapport des groupes hydroxyle aux atomes d'aluminium se situe dans la gamme de 1,5 à 2,7.Dans un exemple d'application, une formation sensible à l'eau, pénétrée par un puits, est traitée avec une solution que lton prépare en ajoutant à de l'eau une quantité de sels d'aluminium choisis dans le groupe comprenant le chlorure d'aluminium, le bromure d'aluminium, l'iodure d'aluminium, le nitrate d'aluminium, le sulfate d'aluminium et l'acétate d'aluminium, en une quantité comprise entre 0,028 et 6,82 g d'aluminium par litre d'eau, pour former une solution de sel d'aluminium, puis à ajouter à cette eau une base alcaline ou alcalino-terreuse en une quantité comprise entre 0,95 et 1,7 g d'ions hydroxyle par gramme d'aluminium pour former une solution hydroxylique d'aluminium. Cette solution est injectée dans le puits et dans la formation pour stabiliser les argiles sensibles à l'eau se trouvant dans cette formation.Dans de nombreux cas, il est désirable que l'injection de la solution hydroxylique d'aluminium soit suivie d'une injection d'eau fraîche. Parfois, on ferme le puits pour permettre la polymérisation de la solution hydroxylique d'aluminium dans la formation pour stabiliser les argiles sensibles à l'eau de cette formation. L'invention concerne en particulier un procédé de stabilisation d'une formation contenant des argiles sensibles à l'eau par mise en contact de la formation avec une solution hydroxylique d'aluminium. D'autres caractéristiques et avantages dd l'invention res sortiront de edétailieteP qu va suivre, faite en regard au des- sin annexé dont la figure unique illustre schématiquement une formation terrestre pénétrée par un puits, lequel est en liaison avec un appareil qui permet de mettre en oeuvre le procédé de la présente invention L'invention est intéressante à appliquer au milieu environnant un puits pour stabiliser des argiles dans des formations intéressantes pénétrées par le puits. Le dessin représente un puits 20 pénétrant une formation terrestre 22.Le puits 20 pénètre une formation productrice 24 qui, par exemple, peut contenir des argiles sensibles à l'eau qui réagissent en contact avec l'eau en subissant une expansion ou une migration et-en réduisant ainsi fortement la perméabilité de la formation. Selon sa configuration, le puits peut être pourvu de garnitures d'étanchéité 26 et 28 d'un type convenable, placées au-dessus et au-dessous de la formation productrice 24. Un train de tiges 30 transportant le fluide fait communiquer la surface avec la formation productrice 24 en passant par la tête 32 du puits. En surface, une conduite 34 convenable fait communiquer le train de tiges 30 avec la décharge d'une pompe 36 convenable. Une conduite 42 convenable fait communiquer un réservoir mélangeur 40 avec l'admission de la pompe 36. L'écoulement entre le réservoir mélangeur 40 et la pompe 36 par la conduite 42 est réglé par une vanne 43. Le réservoir mélangeur 40 reçoit les ingrédients de préparation de la solution hydroxylique d'aluminium. Conformément à la présente invention, une source 44 de sel d'aluminium, une source 46 d'eau et une source 48 d'hydroxyde alcalin ou de base alcaline communiquent par des conduites convenables avec le réservoir mélangeur. Ainsi, des conduites 50, 52 et 54 convenables, pourvues de vannes réglables 56, 58 et 60 respectivement, permettent l'écoulement des composants depuis leurs sources respectives vers le réservoir mélangeur 40 pour y former la solution hydroxylique d'aluminium. On a constaté que le gonflement et la migration de l'argile provoqués par contact de l'eau dans des formations pénétrées par un puits peuvent être sensiblement éliminés par contact de ces formations avec une solution hydroxylique d'aluminium préparée conformément à la présente invention Cette solution doit avoir un rapport groupes hydroxyle:atomes d'aluminium compris dans la gamme de 1,5 à 2,7. Dans un exemple d'application, la formation sensible à l'eau est traitée avec une solution obtenue en mélangeant de l'eau tout d'abord avec une certaine quantité de sel d'aluminium choisi dans la classe comprenant le chlorure d'aluminium, le bromure d'aluminium, l'iodure d'aluminium, le nitrate d'aluminium, le sulfate d'aluminium et l'acétate d'aluminium.Le sel choisi est ajouté en une quantité comprise entre 0,028 et 6,82 g d'aluminium par litre d'eau pour former une solution d'aluminium On ajoute à cette solution d'aluminium une base alcaline ou alcalino-terreuse en une quantité comprise entre 0,95 et 1,7 g d'io whydroxyle par gramme d'aluminium pour former une solution hydroxylique d'aluminium. La solution mentionnée ci-dessus est préparée de la manière décrite ci-après dans un réservoir mélangeur convenable > et elle est ensuite injectée dans le puits et dans la formation pour stabiliser les argiles sensibles à l'eau qui sty trouvent. Dans de nombreux cas, il est désirable que l'injection de la solution hydroxylique d'aluminium soit suivie de l'injection d'eau franche dans le puits et dans la formation. Le puits est ensuite fermé pour permettre la polymérisation de la solution hydroxylique d'aluminium dans la formation de manière à stabiliser les argiles sensibles à l'eau contenues dans la formation. Naturellement, le volume de la solution hydroxylique d'aluminium que l'on doit injecter dans la formation dépend de l'intervalle vertical de la formation et de la distance sur laquelle on désire traiter la formation latéralement au puits. Le volume de traitement dépend de facteurs tels que la porosité, la surface spécifique et la capacité d'échange cationique. Normalement, un volume de la solution hydroxylique d'aluminium préférée est capable de protéger un volume de porosité de la formation. Dans certaines formations, une plus faible quantité de solution hydroxylique d'aluminium est capable de protéger un espace vide considérablement plus grand. Par exemple, dans le cas de certains grès, un volume de la solution hydroxylique d'aluminium préférée est capable de protéger trois volumes de porosité. Etant donné que les caractéristiques de formations varient, des volumes différents de traitement sont requis en fonction des conditions locales des formations.Toutefois, en général, on préfère injecter un volume de solutioahydroxylique d'aluminium par volume de formation à traiter. Un procédé particulièrement désirable de traitement d'une formation contenant des argiles sensibles à l'eau consiste à préparer une solution traitante en ajoutant tout d'abord à de l'eau une certaine quantité d'un sel d'aluminium choisi entre le chlorure, le bromure, l'iodure, le nitrate, le sulfate et l'acétate en une quantité comprise entre 0,028 et 6,82 g d'aluminium par litre. Le sel d'aluminium doit être totalement dissous dans l'eau, après quoi on ajoute à la solution une base alcaline ou alcalino-terreuse en une quantité d'environ 0,95 à 1,07 g de groupeshydroxyle par gramme d'aluminium. Cette substance est lentement ajoutée à la solution, sous agitation énergique. L'addition de la base doit être faite au point de cisaillement maximal dans le système mélangeur.Les substances indiquées ci-dessus sont de préférence ajoutées à l'eau à une vitesse telle que leur totalité soit ajoutée en une période 30 minutes à 1 heure. L'addition de la base alcaline ou alcalino-terreuse provoque une précipitation dans le système et forme ainsi un trouble dans la solution. Toutefois, après une certaine période de temps, le précipité se dissoute il en résulte une solution limpide. Le temps nécessaire pour que la solution se clarifie dépend de la température, de la concentration en aluminium, de l'énergie d'agitation et de la vitesse d'addition de la base.Ces deux derniers facteurs affectent la grosseur des particules précipitées et par conséquent la vitesse à laquelle ils sont dissous ou environ 24ça, 5 à 8 heures sont requises pour que la solution se clarifie lorsqu'elle est préparée comme indiqué ci-dessus dans un laboratoire, en utilisant un bécherlde I litre et un agitateur magnétique. il importe que la solution soit limpide avant son injection dans la formation. La solution clarifiée est injectée dans un puits et dans la formation. Après l'injection de cette solution, de l'eau fratche en une quantité comprise entre au moins un et au plus quatre volumes de solution hydroxylique d'aluminium, est injectée dans la formation. Le puits est fermé pendant une période de temps qui permet la polymérisation de la solution dans la formation pour stabiliser les argiles qui s'y trouvent. Le puits doit être fermé pendant 1 à 3 jours environ. Un mode opératoire particulièrement préféré et très efficace à utiliser dans les opérations pratiques implique l'emploi de chlorure d'aluminium et d'hydroxyde de sodium dans la préparation de la solution hydroxylique d'aluminium. On prépare la solution en neutralisant partiellement une solution de chlorure d'aluminium avec de l'hydroxyde de sodium. Pour préparer cette solution sur le terrain, on charge tout d'abord un grand récipient avec une quantité suffisante d'eau pour traiter le volume désiré de roches de formation. Comme indiqué ci-dessus, ce volume est de préférence dans le rapport d'un volume de solution à un volume de poresde la roche. Le récipient est équipé d'un mécanisme qui permet d'agiter énergiquement ou de faire circuler la solution dans le récipient.On ajoute lentement à l'eau 24,7 g de chlorure d'aluminium hexahydraté (ÂlCl3 .6H20) par litre d'eau. Après la préparation de la solution de chlorure d'aluminium, on ajoute lentement à cette solution une quantité d'hydroxyde de sodium de 8,24 g par litre L'hydroxyde de sodium est ajouté à la solution au point qui permet le meilleur mélange et à une vitesse telle que la totalité soit ajoutée en une pé- riode de 30 minutes à 1 heure. Le mélange forme un trouble pendant l'addition de l'hydroxyde de sodium à cause de la formation d'un précipité. Toutefois, la solution se clarifie progressivement en fonction de la température, de la concentration en aluminium, de l'énergie d'agitation et de la vitesse d'addition de la base. Lorsque la solution hydroxylique d'aluminium est limpide, on peut l'injecter directement dans des puits d'extraction et/ou d'injection sans traitement préalable des puits, excepté dans le cas de puits caustiques. Dans ce cas spécial, le puits doit être purgé de la base caustique avec une saumure avant l'injection de la solution pour empêcher une précipitation indésirable. La solution hydroxylique d'aluminium, après clarification, est injectée dans la formation et entre en contact avec les argiles sensibles à l'eau qui s'y trouvent. A la fin de cette opération d'injection, la formation est traitée par injection d'eau fraîche en une quantité représentant une à quatre fois et de préférence trois fois le volume utilisé de solution hydroxylique d'aluminium.Le puits est ensuite fermé pendant 1 à 3 jours pour permettre le vieillissement de la solution hydroxylique d'aluminium. La période de fermeture n'est pas nécessaire dans des puits d'injection d'eau fraîche. Cette période laisse à la solution hydroxylique d'aluminium le temps de se polymériser en une matière très stable et résistant à l'échange sur des surfaces portant des silicates. Si l'écoulement de la saumure est rétabli trop tôt, de l'aluminium peut être déplacé de la surface des argiles et il en résulte une transformation incomplète. Après le vieillissement, l'extraction ou l'injection peut être rétablie, suivant la nature du puits. Des démonstrations ont été faites au laboratoire pour illustrer les avantages de la présente invention Les variables utilisées dans les démonstrations expérimentales sont la concentration de la solution hydroxylique d'aluminium, le temps de vieillissement de la formation après traitement et le milieu de vieillissement dans la formation pendant la période de vieillissement. Dans ces expériences, on a utilisé du grès de Berea parce que, après saturation en sodium, ce grès est très sensible à l'eau fratche, et aussi parce que la composition de ce grès et ses propriétés physiques, notamment sa perméabilité, sont très uniformes. En outre, on a constaté que la dispersion et la migration de particules d'argile sont les principaux mécanismes d'altération du grès de Berea. Dans les expériences, on découpe des carottes de 2,54 cm de diamètre dans un grand morceau de grès de Berea. On nettoie les carottes avec du toluène que l'on évapore ensuite à l'étuve à 702C. Les carottes sèches sont saturées, sous vide, avec une solution de Caca2 0,3N, puis elles sont noyées avec de 11 eau désionisée dans une cellule de Haussier. On mesure ensuite la perméabilité à l'eau et on utilise cette mesure comme perméabilité initiale de la roche.Certaines des carottes, comme indiqué ci-après sur le tableau I, sont ensuite noyées avec 100 ml de solution de AlC13 0,1M (OH/Al = 0), d'autres le sont avec 100 ml de solution de Al(OH)2Cl 0,1M (OH/Al = 2,0), et d'autres encore le sont avec 100 ml de solution de Al(0H)2 4Clo 6 0,1M (OH/Al = 2,4). On laisse vieillir des carottes de chacun de ces groupes pendant des périodes différentes de temps, avec et sans élimination préalable par lavage de l'excès de sel d'alu minium Après la période de vieillissement, chaque carotte est noyée dans 1 litre de solution de chlorure de sodium 0,1N puis dans de l'eau désionisée. Ceci constitue un essai sévère de sensibilité à l'eau et renseigne également sur l'aptitude à l'échange entre des ions Al et des ions OH-Al à la surface de l'argile. Certaines des carottes sont traitées par lixiviation avec un volume supplémentaire de saumure (9 litres) pour déterminer si une plus longue durée d'exposition provoque ou non un échange de l'aluminium, ainsi que de plus grandes pertes de perméabilité avec l'eau désionisée. Les résultats sont donnés sur le tableau 1. TABLÀU I SENSIBILITE A L'EAU DU GRES DE BERNA APRES DIFFéRENTS TRAITEMENTS AVEC DES SULUTIONS HIDROXYLIQUES D'ALUMINIUM, AVEC DIFFERENTES DONNEES DU RAPPORT OH/Al, DE LA PERIODE DE VIElLLISSEMENT ET DU MILIEU DE VIEILLISSEMENT Perméabilité à l'eau désionisée Période Milieu après des bains en saumure (% de de vieil- de vieil- la perméabilité initiale) OH/Al Après bain dans Après bain dans lissement lissement 1 litre de NaCl 10 litres de NaCl 0,0 20 mn H2 0 19 - AICl3 63 -- 2 jours H20 52 -- 7 jours H20 84 17 2,0 20 mn H20 96 90 OH-Al 62 - 2 mn H20 91 91 OH-Al 81 81 7 jours H20 99 99 2,4 20 mn H O 95 91 OH-Al 53 -- 2 jours H20 96 96 OH-Al 93 93 7 jours H20 100 100 Si l'on compare les sensibilités à l'eau pour différents rapports OH/Al, comme indiqué sur le tableau I, on constate que le chlorure d'aluminium seul (sans transformation préalable en composé hydroxylique d'aluminium avec une base) ne suffit pas pour conférer une protection durable à la roche, contre la perméabilité à l'eau fraîche. Une prolongation de la durée de vieillissement est bénéfique. Toutefois, meme au bout de 7 jours, la perte de permeabilité est de 87 % lorsque la carotte a été noyée avec de l'eau désionisée, après l'avoir été avec 10 litres de saumure. En revanche, lorsque le grès a été traité avec une solution hydroxylique d'aluminium dont le rapport OH/Al est de 2,0 ou de 2,4, et après vieillissement dans l'eau fratche, il y a peu, sinon pas de sensibilité à l'eau fratche même après un bain dans 10 litres de saumure. Il est également évident qu'un vieillissement de la roche dans l'eau fratche plutôt que dans une solution de OH/Al est bénéfique. Par conséquent, après le traitement avec la solution de OH/Al, on préfère effectuer un balayage à l'eau fratche. Les résultats indiquent toutefois que la nécessité de ce balayage à l'eau fratche est réduite si l'on utilise de plus longues périodes de fermeture ou des solutions de OH/Al dont le rapport OH/Al est plus grand. Comme indiqué ci-dessus, on a constaté que des puits contenant des argiles sensibles à l'eau peuvent être traités avec succès par mise en contact de la formation contenant ces argiles avec une solution de composé hydroxylique d'aluminium répondant à la formule Al(OH)nX3 dans laquelle n a une valeur comprise entre 1,5 et 2,7 et X est tout anion choisi dans le groupe comprenant les anions chlorure, bromure, iodure, nitrate, sulfate et acétate. Des résultats particulièrement avantageux ont été obtenus lorsqu'on a maintenu le rapport des groupes hydroxyle aux atomes d'aluminium dans la solution, dans la gamme de 2,0 à 2,4. La description qui précède montre que la présente invention offre un procédé de stabilisation d'argiles sensibles à l'eau rencontrées dans une formation pénétrée par un puits, par mise en contact de la formation et des argiles sensibles à l'eau qui s'y trouvent avec une solution de composé hydroxylique d'aluminium Il va de soi que l'invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses autres variantes sans sortir de son cadre. REYENDICATI0NS 1 Procéde le stabilisation d'une formation pénétrée par un puits, caracterisé par le fait qu'il consiste à injecter une solution aqueuse de composé hydroxylique d'aluminium dans le puits et dans la formation, le rapport des groupes hydroxyle aux atomes d'aluminium étant compris dans la gamme de 1,5 à 2,7. 2. Procédé de stabilisation de la perméabilité d'une formation pénétrée par un puits, caractérisé par le fait qu'il consiste à injecter dans le puits et dans la formation une solution contenant un composé hydroxylique d'aluminium de formule brute Al(OH) X3 n dans laquelle n est compris entre 1,5 et 2,7 et X est tout anion choisi dans le groupe comprenant chlorure, bromure, iodure, nitrate, sulfite et acétate. 3. Procédé de traitement d'une formation sensible à l'eau pénétrée par un puits, caractérisé par le fait qu'il consiste à ajouter à l'eau une quantité de sels d'aluminium choisis entre chlorure, bromure, iodure, nitrate, sulfate et acétate, comprise entre 0,028 et 6,82 g d'aluminium par litre, puis à ajouter à l'eau une base alcaline ou alcalino-terreuse en une quantité comprise entre 0,95 et 1,7 g de OH par gramme de Al, tout en agitant énergiquement l'eau pour former une solution de composé hydroxylique d'aluminium, à clarifier cetteAolution, à injecter la solution clarifiée dans le puits et dans la formation, puis à injecter de l'eau fraîche en une quantité au moins égale à 1 et au plus égale à 4 fois le volume de la solution hydroxylique d'aluminium ainsi injectée, à fermer le puits pour permettre la polymérisation de la solution dans la formation et à le remettre en service. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en outre par le fait que le sel d'aluminium est le chlorure d'aluminium et la base est l'hydroxyde de sodium. 5. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en outre par le fait qu'on injecte dans la formation un volume de solution par volume de porosité de la formation.