Brevet FR2452580A1 — publié le 19801024

La présente invention se rapporte aux techniques de forage de puits et plus précisément aux procédés de sépara tion de la phase solide d'une boue de forage et aux dispositifs pour leur réalisation. Il est le plus avantageux d'utiliser l'invention proposée dans le forage de puits de pétrole, de gaz et de prospection géologique. Il est possible d'utiliser la présente invention dans l'industrie chimique, dans la production des matériaux de construction et dans d'autres domaines de l'industrie où il est nécessaire de séparer la phase solide des suspen sions. Il est connu que la boue de forage est un système liquide hétérogène contenant obligatoirement des particules colloidales de la phase solide. La présence dans la boue de forage de ces particules conditionne du point de vue de la qualité du forage d'un puits une série des propriétés rhéologiques importantes de la boue de forage. Il est exigé que la boue de forage conserve ces propriétés assurant les meilleures conditions pour le forage du puits. Cependant, la conservation stable des propriétés de la boue de forage au cours du forage reste un problème difficile. La plupart des travaux de forage s'effectuent-dans les roches argileuses. Les roches argileuses forées se dispersent partiellement et sous forme des particules à colloidité élevée passent dans la boue de forage et il est nécessaire d'enlever d'une manière continue cette quantité excédentaire de particules de phase solide. Un dégagement insuffisant de la phase solide à partir de la boue de forage après quelques cycles de pompage ai cours du forage dtun puits change considérablement la composition de la boue de forage, ce qui oblige d'utiliser différents procédés d'amélioration de la qualité de la boue de forage. C'est pourquoi une séparation économique de la phase solide à partir de la boue de forage ou autrement dit une épuration efficace de la boue de forage avec l'élimination de la roche forée des déblais a une importance capitale au cours du forage des puits. Les indices technico-économiques d'un forage sont déterminés dans une grande mesure par la qualité de la boue de forage utilisée et par le degré# de son épuration. Une épuration de qualité de la boue de forage permet d'augmenter la vitesse mécanique de forage et d'améliorer les conditions de fonctionnement des outils de forage et de l'équipement. Outre l'augmentation de la vitesse mécanique de forage, une épuration de qualité de la boue de forage permet aussi de diminuer la consommation des matériaux nécessaires à la conservation des propriétés de la boue de forage, d'élever la durabilité d'utilisation de la boue de forage, et de réduire le nombre de complications et d'avaries au cours du forage des puits. Une basse qualité de l'épuration de la boue de forage est la cause principale des avaries et des complications étant en rapport avec l'absorption de la boue, le blocage des tiges de forage et des tubages, les éboulements et les écroulements de la paroie du puits. Ainsi, une épuration de qualité de la boue de forage est un procédé technologique des plus importants au cours du forage d'un puits exerçant une influence considérable sur les indices technico-économiques du forage du puits. Tous les procédés et dispositifs d'épuration des boues de forage utilisés à l'heure actuelle ne permettent d'éliminer de la boue de circulation qu'une certaine partie deb phase solide. Cependant, ils sont tous caractérisés par une série d'inconvénients, qui sont propres au principe même de séparation sur lequel ils sont basés. Par exemple, les dimensions les plus petites particules, qui peuvent être séparées de la boue de forage sur les tamis vibrants, sont déterminées par les mailles des tamis. Avec la réduction des dimensions des mailles en vue d'amé liorer la qualité# dz l'épuration le débit diminue d'une manière brusque et les pertes de boue avec les déblais augmentent. Lors de l'épuration avec emploi de cyclones laveurs on n'élimine que les particules grosses et lourdes de la phase solide. Les particules petites et légères (moins de 20 qui apparaissent au cours de la dispersion dans la boue de forage des petits morceaux de la roche forée ne peuvent pas être éliminées dans les cyclones laveurs et dans d'autres dispositifs d'épuration utilisés. On connatt un procédé de régénération de la boue de forage suivant lequel la boue de forage sortie du puits et contenant des déblais est préalablement diluée et séparée des particules grosses de la phase solide. Dans la boue de forage ainsi diluée et épurée restent de petites particules non chargées de roche forée et des particules argileuses colloïdales chargées négativement. Ensuite, on sépare de ladite boue les particules argileuses chargées négativement, en les faisant déposer sur une anode tournante et en les éliminant ultérieurement à l'aide d'un grattoir. Les particules argileuses déposées chargées négativement entrai- nent une partie des particules non chargées, qui se déposent aussi sur l'anode tournante.En utilisant ce procédé on n'épure qu'une partie de la boue de forage, tandis que l'autre partie non épurée de la boue, qui est considérablement plus grande, arrive dans le puits. L'épuration seulement d'une partie de la boue de forage, et, en plus, la réalisation de cette épuration avec élimination, d'abord, des grosses particules, et ensuite des petites particules, est technologiquement compliquée et, par conséquent, coûteuse. Le but de la présente invention est d'élaborer un procédé de séparation de la phase solide dans la boue de forage, qui permettrait de réaliser l'épuration de toute la boue de forage sortant du puits avec emploi d'opérations technologiques relativement simples et un dispositif pour la réalisation dudit procédé. Ce problème est résolu du fait, que dans le procédé de séparation de la phase solide d'une boue de forage, selon l'invention on forme à partir de la boue de forage une couche adhésive sur une surface curviligne fermée disposée partiellement dans ladite boue, et ensuite, suivant une tangente à la couche adhésive, on dirige un jet de gaz ionisé qui arrache les particules de la phase solide de la boue de forage en les emportant hors de ladite boue de forage, la valeur de la vitesse linéaire de la couche adhésive à l'endroit de son contact avec le jet de gaz étant réglée par changement de la vitesse du jet de gaz. Il est avantageux de réaliser l'ionisation du jet de gaz dans un champ électrique de décharge en couronne. L'ionisation du jet de gaz dans un champ électrique de décharge en couronne est la plus sûre, étant donné qu'elle permet de régler d'une manière relativement plus facile et efficace l'intensité du champ électrique. Il est aussi avantageux de changer la polarité du champ électrique de décharge en couronne en fonction de la composition minéralogique de la phase solide de la boue de forage. Le changement de polarité du champ électrique permet d'obtenir une épuration sélective de la boue de forage. Le dispositif proposé pour la séparation de le phase solide d'une boue de forage comportant, selon l'invention, un réservoir rempli de boue de forage dans lequel est disposé de façon à pouvoir tourner un tambour pour la formation au cours de sa rotation sur sa surface cylindrique d'une couche adhésive à partir de la boue de forage à épurer, une tuyère installée parallèlement à la tangente à la surface du tambour à une distance sensiblement égale ou plus grande que l'épaisseur de la couche adhésive formée et communiquant avec une source de gaz sous pression nécessaire à la formation du jet de gaz, emportant les particules solides hors de la boue de forage, et une paire d'électrodes branchées sur une source de courant continu à haute tension servant à assurer l'ionisation du jet de gaz. Le dispositif proposé dont la construction est relativement simple permet de réalisation l'épuration de toute la boue de forage en éliminant les particules de la phase solide, ainsi que d'effectuer le réglage de la teneur de la boue de forage en phase solide dans de larges limites. L'ionisation du jet de gaz réduit de la manière la plus efficace la valeur de la tension superficielle de la couche adhésive de la boue de forage en rendant ainsi considérablement plus facile la séparation des particules de la phase solide de cette couche. Il est possible que dans le dispositif une électrode soit disposée dans la zone de la tuyère et soit réalisée sous forme d'un peigne servant à provoquer sur ses dents pointus une décharge en couronne et que la seconde électrode soit disposée du côté du tambour, c'est-à-dire du côté opposé parrapport à la disposition de la tuyère dans la direction du jet de gaz, et serve d'écran pour les particules volantes de la phase solide. La ispomtion mutuelle proposée des électrodes, de la tuyère et du tambour permet d'assurer une action particulièrement efficace des forces centrifuges, de l'énergie cinétique du gaz et de l'énergie du champ électrique de haute tension, sur la couche adhésive. Ainsi, le procédé proposé de séparation de la phase solide d'une boue de forage et le dispositif pour sa réalisation assurent une épuration sélective de toute la boue de forage en élim#nait les particules de la phase solide et un réglage de la teneur de la boue de forage en phase solide dans de larges limites. Les avantages techniques considérables du procédé proposé sont obtenus grâce à la réalisation d'opérations technologiques et économiques simples. Le dispositif pour la réalisation du procédé est relativement simple et compact. Il a un schéma cinématique simple et, par conséquent, son fonctionnement est sûr. L'utilisation de l'invention proposé est beaucoup plus économique par comparaison avec les dispositif d'épuration 0e la boue de forage utilisés par les entreprises de forage. Dans l'exposé, qui va suivre, est donnée la description d'un exemple concret mais non limitatif de la réalisation de la présente invention avec référence au dessin unique annexé dans lequel - la figure 1 montre schématiquement le dispositif pour la séparation de la phase solide d'une boue de forage, selon l'invention - la figure 2 montre une électrode, vue suivant la flèche A de la figure 1, à échelle agrandie. Le procédé de séparation de la phase solide d'une boue de forage consiste en ce, que sur une surface curviligne fermée tournante 3, dans l'exemple décrit sur la surface cylindrique du tambour 4, est formée à partir de la boue de forage 1 (figure 1) une couche adhésive 2. Le tambour 4 est disposé de façon qu'une partie de sa surface se trouve dans la boue de forage 1. Ensuite on dirige suivant une tangente à la couche adhésive 2 un jet de gaz 5 ionisé, qui arrache les particules de la phase solide de la boue de forage et les emporte hors de ladite boue de forage. La valeur de lavitesse linéaire de la couche adhésive 2 à l'endroit de son contact avec le jet de gaz 5 est réglée par changement de la vitesse du jet de gaz 5. Grâce à l'énergie cinétique du jet de gaz 5 la vitesse linéaire de la couche adhésive 2 augmente. Il en résulte que, par changement de la vitesse du jet de gaz 5, on peut régler la valeur de la vitesse linéaire de la couche adhésive 2. Le jet de gaz 5 dirige vers la couche adhésive 2 est préalablement ionisé dans un champ électrique de décharge en couronne. La polarité du champ électrique de décharge en couronne est changée en fonction de la composition minéralogique de la phase solide la boue de forage 1 àépurer. Le procédé proposé sera expliqué d'une manière plus détaillée par la description d'un exemple de réalisation du dispositif en état statique et en état de fonctionnement. Le dispositif pour la séparation de la phase solide dans la boue de forage comprend un réservoir 6 rempli de boue de forage 1 à épurer. Dans ce réservoir est disposé le tambour 4 et cela de façon que sa surface cylindrique 3 soit partiellement plongée dans le réservoir 6 précité lors de son remplissage avec la buue de forage. Afin d'assurer la rotation du tambour 4, ce dernier est relié de manière cinématique à une commande (non représentée) pourvue d'un régulateur de vitesse de rotation. Au cours de la rotation, il se forme sur la surface du tambour 4 une couche adhésive 2. En dehors du réservoir 6 est installée une tuyère 7 communiquant par l'intermédiaire d'un conduit 8 avec une source de gaz 9 sous pression pour la formation du jet de gaz 5 emportant les particules solides hors de la boue de forage. La tuyère 7 est montée de façon que le jet de gaz 5 soit dirigé parallèlement à la tangente à la surface du tambour 4 à une distance sensiblement égale ou un peu plus grande que l'épaisseur de la couche adhésive 2. Dans la zone du jet de gaz 5 est diposée une électrode 10 servant à assurer l'ionisation du jet de gaz 5 est branchée sur une source de courant continu de haute tension 11. Cette électrode est réalisée sous forme d'un peigne (comme montré sur la figure 2) servant à provoquer sur ses dents pointues une décharge en couronne. Une seconde électrode 12 reliée à l'autre pôle de la source Il de courant continu- est installée du côté du tambour 4 opposé à celui où est disposée la tuyère 7 en direction du jet de gaz 5, etsert d'écran pour les particules en vol de la phase solide, c'est-à-dire d'écran pour l'amortissement de leur énergie cinétique. Sous l'électrode 12 se trouve un réservoir 13 pour l'accumulation des déblais, c'est-à-dire des particules chassées de la phase solide. Un grattoir 14 sert à enlever la boue de forage épurée 1 du tambour 4. La boue de forage épurée est amenée à un réservoir d'évacuation 15. Le dispositif pour la séparation de la phase solide d'une boue de forage fonctionne de la manière suivante. A partir de la boue de forage 1 sur la surface cylindrique 3 du tambour 4 tournant à une vitesse relative ment grande est formée la couche adhésive 2. La couche adhésive 2 contient toutes les fractions de la phase solide se trouvant dans la boue de forage 1. Sous l'action des forces centrifuges das la couche adhésive 2 a lieu une redistribution des particules delta phase solide en fonction de leurs volume et densité. Les particules plus grosses et lourdes tendent à atteindre la surface externe i la couche adhésive 2, tandis que les particules petites et, surtour, colloïdales se concentrent sur la surface interne de la couche adhésive 2. Afin de séparer les grosses particules des petites, on augmente la vitesse linéaire des particules jusqu'à ce que la particule surmonte les forces de tension superficielle et se sépare de la couche adhésive 2. Une autre voie utilisée pour rendre plus facile la séparation des particules de la couche adhésive 2 est la réduction de la valeur de la tension surperficiellew Sur une particule de la phase solide se trouvant dans la couche adhésive agit la force centrifuge F mv (1) où : m est la masse de la particule R est le rayon de rotation de la particule v est la vitesse linéaire de rotation de la particule. D'autre part, sur cette particule agissent le poids de la particule, la force de viscosité et la force F1 de tension superficielle de la couche adhésive 2 égale à F1 = 2# r# (2) où : & est le coefficient de la tension superficielle de la boue de forage r est le rayon de la particule. L'importance des forces participant à la répartition des particules solides dans la couche superficielle peut être déterminée d'après le critère de Froude montrant combien de fois dansle dispositif donné les forces centri fuges dépassent celles de pesanteur où : (k) est la vitesse angulaire de rotation du tambour 4 R est le rayon de rotation de la particule g est l'accélération de la pesanteur. La valeur du nombre de Froude pour les constructions réelles varie entre 20 et 2000. Il en résulte que lors du calcul des forces agissant sur les particules solides dans la couche adhésive 2 il n'est pas obligatoire de prendre en considération les forces dfles à leur poids, car les forces centrifuges les dépassant de 20 à 2000 fois. Etant donné que la force de frottement visqueux de la surface des particules de la phase solide avec le fluide les entraînant et les mettant en rotation est dirigée suivant une tangente à la surface du tambour 4 et perpendiculairement au rayon de ce dernier, les particularités de déplacement radial des particules, c'est-à-dire les lois principales régissant le processus de séparation des phases et des fractions 'épuration) peuvent être considérés sans tenir compte des forces de viscosité; En admettant, à la limite, que les forces centrifuges F et les forces F1 de tension superficielle sont égales, on peut déduire la condition de l'épuilibre des particules dans la couche adhésive 2 de la boue de forage se trouvant sur la surface cylindrique 3 du tambour tournant 4. Ainsi, les paramètres essentiels du processus de séparation de la phase solide de la boue de forage 1 sur la surface cylindrique 3 tournante sont : la vitesse de rotation de tambour 4, la valeur de la tension superficielle de la couche adhésive 2 de boue de forage et le diamètre du tambour 4. il est nécessaire de prendre en considération que l'augmentation du diamètre du tambour 3 est limitée par les possibilités technologiques et de construction. Dans les conditions habituelles, sur la surface de la boue se trouve une quantité égale de charges positives, c'est-à-dire que de telles surfaces sont électriquement neutres et dans ce cas elles sont caractérisées par une résistance mécanique maximale. Mais si l'on crée sur une telle surface une charge de n'importe quel signe, sa résistance mécanique diminue ou (ce qui est la même chose) la tension superficielle de la boue devient plus basse. Gracie aux études effectuées, on a constaté que la réduction la plus efficace de la valeur de tension superficielle de la couche adhésive 2 de la boue de forage 1 est atteinte lors de son traitement par un gaz ionisé dont le jet est dirigé suivant une tangente à la couche adhésive 2 à traiter. Le jet de gaz ionisé 5 communique à la couche adhésive 2 une accélération supplémentaire et sa vitesse linéaire augmente. En réglant la quantité de ga#z à amener on obtient le synchronisme de rotation de toutes les parties de la couche adhésive 2.Dans ce cas on assure les conditions optimales pour une interaction de la force centrifuge et de la force de tension superficielleS ce qui donne la possibilité d'augmenter la valeur des forces centrifuges et, par conséquent, d'assurer la séparation des particules encore plus petites de la phase de la boue, et cela, en présence d'une force constante de cohésion moléculaire (de tension superficielle). Ainsi, l'amenée du jet 5 de gaz ionisé suivant une tangente à la surface de la couche adhésive 2 du tambour tournant 4 contribue à la baisse de la tension superficielle et, par conséquent, donne la possibilité de diminuer les dimensions moyennes des particules séparées de la boue de forage. Il a été constaté aussi qu'un changement de polarité de l'électrode 10 dans le chaiipélectrique de laquelle l'ionisation du gaz a lieu, exerce une influence considérable sur le procéssus de séparation de la phase solide de la boue de forage 1. Lors de la ration du tambour 4, il se forme sur sa surface 3 une couche adhésive 2 dont l'épaisseur dépend de la viscosité dynamique de la boue de forage 2. Dans la couche adhésive 2 se trouvent des particules solides de roche forée, un agent d'alourdissement et la phase argileuse excédentaire. Lors de la rotation du tambour 4, la phase solide de la boue de forage 1 tend, sous l'action des forces centrifuges, à atteindre la surface de la couche adhésive 2, et par conséquent, en fonction de la grandeur des particules, de leur densité spécifique, de la vitesse linéaire et de la valeur de tension superficielle de la couche adhésive 4, les particules solides se détachent de sa surface. En fonction des propriétés rhéologiques de la boue de forage 1 (viscosité structurale, contrainte dynamique de cisaillement, etc), la vitesse de la couche adhésive 2 est en retard par rapport à la vitesse de rotation de la surface 3 du tambour 4. Afin de rendre plus faible l'influence de ce phénomène on dirige, suivant une tangente à la couche adhésive 2 au#moyen de la tuyère 7, le jet de gaz 5 traité simultanément dans le champ électrique de décharge en couronne de l'électrode 10. Grâce au réglage de la quantité de gaz à amener, on assure une rotation synchrone de toutes les parties de la couche adhésive 2 de la boue de forage I et du tambour 3. On crée ainsi les meilleures conditions pour la séparation centrifuge des particules dans la couche adhésive 2.Mais étant donné que le gaz amené est ionisé, on est en présence de deux phénomènes complémentaires la valeur de tension superficielle de la couche adhésive 2 diminue et à sa partie externe arrive un flux des particules chargées provenant des parties internes de la couche adhésive 2 dont le signe de charge est opposé à celui de la polarité de l'électrode 10 dans le champ -de laquelle a été ionisé le gaz amené à la couche adhésive 2. La diminution de la valeur de tension superficielle de la couche adhésive 2 de la boue de forage 1 rend considérablement plus facile la condition de séparation de la phase solide de la boue de forage 1, tandis que grâce au changement de polarité des ions du gaz on assure une épuration sélective de la couche adhésive 2 de la boue de forage 1. A l'application de la charge positive fournie par la source 11 de courant continu de haute tension à l'électrode 10, le gaz est ionisé positivement et provoque la venue de particules chargées négativement, qui se détachent de la boue de forage 1, mais dans l'afflux de gaz ionisé elles perdent leurs charges négatives, se chargent positivement et sont attirées par ltélectrode 12 chargée négativement, sur laquelle elles sont neutralisées et, sous l'action des forces de pesanteur, tombent dans le réservoir 13 pour l'accumulation des déblais. Le changement de polarité et l'application à l'électrode 10 de la charge négative fournie par la source Il de courant continu de haute tension, ainsi que l'orientation des ions négatifs du gaz vers la couche adhésive 2 de la boue de forage 1, provoquent un déplacement des particules négatives dans la couche adhésive 2 vers la surface interne de cette dernière. C'est pourquoi, lorsque l'électrode 10 est chargée négativement, les particules neutres lourdes (barytine, hématite)et les particules de roche qui portent dans la boue une charge positive se séparent de la couche adhésive 2, c'est-à-dire que la séparation se réalisera en fonction de la composition minéralogique de la phase solide. Afin d'extraire l'agent d'alourdissement de la boue de forage 1 par sa séparation centrifuge, il est nécessaire, avant la séparation, de disperser la roche solide forée jusqu'aux dimensions des particules de l'agent d'alourdissement. Dans ce cas, les particules d'agent d'alourdissement ayant un poids spécifique de 4,2 g/cm3 se séparent des particules de roche forée ayant un poids spécifique presque deux fois plus fåble. Ainsi, l'amenée du jet de gaz 5 ionisé à la couche adhésive 2 de la boue de forage 1 donne la possibilité de régler la séparation de la phase liquide dans de larges limites. La couche adhésive 2 séparée de la phase solide sous l'action du jet 5 de gaz ionisé lors de sa rotation ultérieure est coupée per le grattoir 14 et est dirigée vers le réservoir 15. En changeant la vitesse de rotation du tambour 4, la quantité du gaz dirigé sur la couche adhésive 2 et la polarité de la tension appliquée aux électrodes 10 et 12, on assure une épuration sélective de la boue de forage 1. Ainsi, le procédé proposé d'épuration de la boue de forage permet de réaliser l'épuration sélective de toute la boue de forage avec élimination des particules de la phase solide dans de larges limites, ce qui ne peut pas être atteint quand on emploi les procédés et dispositifs connus à l'heure actuelle. L'efficacité économique de l'utilisation de la présente invention est déterminée par la réduction des dépenses nécessaires à l'épuration de la boue de forage, à l'amélioration de la qualité de l'épuration et, par conséquent, à l'augmentation des vitesses mécaniques du forage. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation de la phase solide d'une boue de forage, caractérisé en ce qu'on forme à partir de la boue de forage une couche adhésive sur une surface curviligne fermée tournante disposée partiellement dans ladite boue, et ensuite on dirige, suivant une tangente à la couche adhésive, un Jet de gaz ionisé qui arrache les particules de phase solide en les entraînant hors de ladite boue de forage, la valeur de la vitesse linéaire de la couche adhésive à l'endroit de son contact avec le Jet de gaz étant réglée par changement de la vitesse du Jet de gaz. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'ionisation du Jet de gaz est réalisée dans un champ électrique de décharge en couronne. 3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la polarité du champ électrique de décharge en couronne est changée en fonction de la composition minéralogique de la phase solide de la boue de forage. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir rempli de boue de forage dans lequel est disposé de façon à pouvoir tourner un tambour pour la formation au cours de sa rotation sur sa surface cylindrique d'une couche adhésive de boue de forage, une tuyère installée parallèlement à la tangente à la surface du tambour à une distance sensiblement égale ou plus grande que l'épais- seur de la couche adhésive formée et communiquant avec une source de gaz sous pression pour la formation du jet de gaz entraînant les particules solides hors de la boue de forage, et une paire d'électrodes branchées sur une source de courant continu dé haute tension servant à assurer l'ionisation du jet de gaz. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'une électrode est disposée dans la zone de la tuyère et est réalisée sous forme d'un peigne servant à créer sur ses dents pointues une décharge en couronne, tandis que la seconde électrode est disposée du côté du tambour opposé à celui où se trouve la tuyère dans le sens du Jet de gaz, et sert d'écran pour les particules en vol de la phase solide.