Brevet FR2452711A1 — publié le 19801024

La présente invention concerne les techniques de forage de puits et a notamment pour objet un procédé de contrôle de la qualité des boues préparées pour le forage. L'application de l'invention est d'une efficacité maximale dans l'industrie de la production du pétrole et du gaz, lors de la préparation des boues de forage. L'invention peut aussi etre appliquée avec succès dans le génie civil, l'industrie chimique, l'industrie alimentaire et d'autres branches de la production, lors de la préparation de diverses pulpes et suspensions. Le succès du forage d'un puits avec des frais minimaux et avec de grandes vitesses d'avancement est tributaire dans une large mesure de la qualité de la boue de forage. La qualité dtune boue est déterminée par ses caractéristiques structurales et mécaniques, auxquelles se rapportent : la viscosité, la perte dteau, la contrainte statique de cisaillement, l'homogénéité, c'est-à-dire le degré d'uniformité de la distribution des particules de la phase solide dans la phase liquide, le taux de réduction de la phase solide dans la phase liquide. Dans la majorité des cas, la qualité d'une boue, d'une pulpe ou d'une suspension est liée à la grosseur du complexe colloïdal de particules. Plus les particules sont fines, c'est-à-dire plus elleS se rapprochent des particules colloTdales, plus les paramètres structuraux et mécaniques de la boue sont stables et plus la boue est de meilleure qualité. En outre, la qualité de la boue est influencée par son degré d'homogénéité, c'est-à-dire que la qualité de la boue de forage est d'autant meilleure que la phase solide est mieux mélangée à la phase liquide et que la quantité d'agrégats de particules y est faible. On connait un procédé de contrtle de la qualité d'une boue de forage consistant à mesurer les paramètres électriques de la boue de forage. La substance du procédé consiste en ce que, lors du mouvement de particules d'argile en commun avec un liquide et du déplacement de ces particules par rapport au liquide entre des électrodes placées en divers points de l'écoulement, il apparait une différence de potentiel. Ce phénomène, dit électrocinétique, résulte de la présence d'une double couche électrique à l'interface particule solide-liquide, la particule solide et le liquide ayant des charges déterminées. Le changement du potentiel électrocinétique dans un écoulement de boue est dû au changement de la concentration des particules de la lause solide.Plus la concentration des particules dans le liquide est élevée, plus le potentiel électrocinétique est grand, car la différence de potentiel dépend de la valeur de la charge que les particules transmettent aux électrodes de l'appareil de mesure, et la différence de potentiel est d'autant plus élevée que le nombre de ces particules est grand. De la sorte, en mesurant les paramètres électriques de la boue de forage, notamment le potentiel électrocinétique, on détermine le taux de réduction de la phase solide, d'après lequel on juge du processus de dispersion. Le procédé conclu permet de contrer la réduction de la phase solide dans le liquide, mais il ne permet pas de déterminer le degré d'homogénéité du mélange, ni l'étape finale de la réduction de la phase solide au cours de sa dispersion, ce qui ne permet pas de conduire la préparation de la boue au régime optimal. En outre, le procédé connu requiert l'utilisation d'un système d'électrodes avec un appareillage enregistreur, leur montage, leur réglage et leur entretien, ce qui entrasse des dépenses suppementaires de main-d'uvre et d'énergie. Le procédé connu le plus proche de celui de la présente invention est le procédé de contre de la qualité de la boue de forage par mesure de la concentration de la phase solide à l'aide d'un capteur du type vibrant, qui se compose d'un générateur de vibrations, sous la forme d'un transducteur mécanique d'oscillation, et d'un élément sensible, sous la forme d'un cadre grillagé dont le plan est orienté perpendiculairement à la direction des vibrations. Le cadre grillagé du capteur vibrant est rigidement lié au générateur de vibrations et plongé dans l'écoulement de boue de forage de façon que son plan soit perpendiculaire à l'écoulement. Si la boue contient des particules de phase solide plus grosses que les mailles du cadre grillagé, les mailles de ce cadre sont obturées par ces particules et la traînée de l'élément sensible augmente fortement.Plus la concentration des particules de la phase solide dans la boue est grande, plus la traînée de la grille est élevée, et il s'ensuit une diminution de l'amplitude des vibrations de l'élément sensible. D'après le changement de lamplitude des vibrations de l'élément sensible, on juge du changement de la concentration des particules de phase solide dans le liquide. De la sorte, d'après le changement de l'amplitude de l'élément sensible, on peut juger du changement de la concentration des particules solides dans la phase liquide. Toutefois ce procédé connu ne permet pas de déterminer le degré d'homogénéité du mélange, ni sa composition minéralogique ; il ne permet pas de réguler le processus de dispersion au régime optimal et de l'interrompre dès que la grosseur des particules réduites atteint la valeur prescrite, surtout quand on utilise en tant que phase solide de boue des argiles de compositions minéralogiques différentes, dans lesquelles les résistances mécaniques initiales des particules argileuses solides sont différentes. Des argiles de types différents ont des degrés de collordité différents, de sorte que les grosseurs prescrites pour les particules réduites ont des valeurs différentes. De la sorte, quand on utilise le procédé connu, chaque fois que l'argile à disperser est d'un autre type, il faut changer l'élément sensible, en choisissant un cadre grillagé approprié à telle ou telle valeur de la maille. Ceci implique des arr8ts périodiques de la dispersion et des changements de réglage de tout le régime de l'appareil disperseur, d'où des dépenses injustifiées de main-d'oeuvre et d'énergie et un abaissement du rendement de l'appareil disperseur.La réalisation de la dispersion a un régime non optimal aboutit soit à une réduction excessive de la phase solide dans la phase liquide, ce qui entrasse des dépenses d'énergie superflues, soit à une réduction insuffisante des particules de grandes dimensions et de très haute résistance, ce qui entratne l'instabilité de la boue de forage et, en conséquence, un abaissement de sa qualité. Le but de l'invention est d'élever la précision du contre du taux de réduction et du degré d'homogénéité des boues, préférentiellement de compositions minéralogiques différentes. On s'est donc proposé de créer un procédé de contr81e de la qualité d'une boue de forage, qui permettrait, gracie au contr81e de l'un des paramètres de la boue, d'optimaliser le brassage et la dispersion de la phase solide dans la phase liquide, c'est-à-dire d'améliorer la qualité de la boue. La solution consiste en ce que, dans le procédé de contre de la qualité d'une boue de forage suivant lequel on mesure ses paramètres structuraux et mécaniques pendant le brassage et la dispersion de la phase solide dans la phase liquide, d'après l'invention on mesure en continu le pH de la boue, d'après le caractère du changement du pH de la boue on juge de l'appartenance de la phase solide à un groupe déterminé de minéraux, et, d'après la valeur établie du pH de la boue, on détermine le degré optimal d'homogénéité de la boue et le taux optimal de réduction de la phase solide dans la phase liquide. Le procédé faisant l'objet de l'invention permet d'abaisser la consommation de phase solide, grâce à l'amélioration de l'uniformité de distribution de la phase solide dans la phase liquide et au maintien précis de la proportion entre la phase solide t la phase liquide, ce qui, à son tour, se traduit par une amélioration de la qualité de la boue. Grâce à l'-arrvet opportun du brassage et de la dispersion à l'instant où le potentiel hydrogène cesse de varier, les dépenses d'énergie baissent notablement, l'usure de l'équipement diminue et la durée de la préparation de la boue de forage est réduite. Tout cela permet de maintenir le brassage et la dispersion de la phase solide dans la phase liquide au régime optimal, et d'accroi- tre ainsi le rendement des dispositifs de préparation de la boue de forage, d'améliorer la qualité de la boue grâce à l'accroissement de la stabilité des paramètres structuraux et mécaniques de la boue de forage.Il est avantageux de juger de la prédominance des minéraux alcalino-terreux dans la phase solide d'après la montée du pH de la boue, et de juger de la prédominance des composés organosiliciques dans la phase solide d'après la baisse du pH. Ceci permet de supprimer l'emploi d'appareils supplémentaires pour le contre de la composition minéralogique de la phase solide et d'élever la précision et la qualité des mesures. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description détaillée de différents modes de réalisation non limitatifs illustrés par le dessin plaque annexé dans lequel - la figure 1 représente le schéma de contre du degré d'homogénéité de la boue au cours du brassage des phases solide et liquide, conforme à l'invention - la figure 2 représente le schéma de contre du taux de réduction de la phase solide dans la phase liquide au cours de sa dispersion, conforme à l'invention. On sait que toutes les argiles employées en tant que phase dispersée (solide) dans la boue ont dans leur composition des minéraux de sodium, potassium, magnésium, calcium, silicium, aluminium, etc. Quand ces minéraux sont réunis à l'eau, il se produit une dissociation électrolytique ; il s'ensuit, par exemple, que les ions silicium se lient aux groupes hydroxyle de l'eau et forment des groupes silanol, ce qui provoque un changement du potentiel hydrogène (pH). Le changement du pH peut aussi être provoqué par d'autres processus se déroulant à l'interface liquide-solide des phases, conditionnes par des réarrangements du complexe échangeur d'ions des minéraux argileux, qui sont dus à la nécessité thermodynamique du minimum d'énergie libre dans le système formé. Au moment initial du brassage, quand la surface des particules se lie à l'eau, le pH change brusquement, Si les minéraux prépondérants dans les particules argileuses sont des composés organosiliciques (par exemple pour les argiles kaoliniques), le pH tombe. Si, par contre, ce sont les minéraux alcalino-terreux qui sont prépondérants dans les particules argileuses, le pH croit. Ensuite, le brassage continuant, le pH de la boue change lentement, seulement à cause de la dislocation des agrégats de particules, plis, une fois toutes les particules mouillées par l'eau, c'est-à-dire quand le degré d'homogénéité de la boue prend une valeur établie, le pH de.la boue cesse de changer. Cela s'explique par le fait que, au fur et à mesure du brassage des particules solides avec le liquide, de leur réduction et de l'augmentation de leur concentration dans la boue, les minéraux alcalino-terreux, par exemple de sodium, de potassium, etc., se dissolvent dans le liquide en changeant sa minéralisation, ce qui provoque le changement du pH de la boue dans le sens de son accroissement. Dans le cas où ce sont les particules de silicium qui sont prépondérantes dans la phase solide, il y a formation de groupes silanol, par la réaction De ce fait, plus le nombre de particules de silicium réagissant avec l'eau est grand, c'est-à-dire plus la concentration des particules solides dans l'eau est grande et, par conséquent, plus le tauxde réduction-des particules solides est élevé, plus le changement du pH de la boue est fort. Mais, vu que toute particule solide a une résistance mécanique limitant sa réduction, quand cette résistance est atteinte, le changement du pH de la boue cesse. De la sorte, tant au cours du brassage de la phase solide dans la phase liquide qu'au cours de la dispersion de cette phase solide, le changement du pH de la boue caractérise le degré dthomogénéité de la boue ou le changement du taux de réduction de la phase solide, et la montée ou la baisse du pH dé la solution, c'est-à-dire le caractère du changement du pH, témoigne de la prédominance des minéraux alcalino-terreux ou des composés organosiliciques, respectivement, dans la boue. Les avantages du procédé décrit sont rendus plus compréhensibles par la description ci-après d'un exemple de réalisation concret mais non limitatif. Une capacité 1 (figure 1) reçoit de l'eau, amenée par une conduite 2, et dé la poudre d'argile y est versée à partir d'une trémie 3. Le brassage est assuré par un mélangeur 4. Pendant toute la durée du brassage on mesure le PE de la boue à l'aide d'un capteur 5 de contre du pH, dont les indications sont enregistrées par un appareil 6 de mesure. Le capteur de contre 5 et l'appareil de mesure 6 utilisés sont des pH-mètres connus dans la pratique, constitués par des électrodes plongées dans le fluide dont on veut connattre le pH, et par un indicateur donnant la valeur numérique du pH du fluide. Le pH de la boue est mesuré en continu au cours de la préparation de la boue, et, d'après le caractère du changement du pH de la boue, on juge de l'appartenance de la phase solide à un groupe-déterminé de minéraux. Si l'appareil 6 indique une baisse du pH, cela signifie que les particules prépondérantes dans la composition de la phase solide sont des composés organosiliciques. Si, par contre, l'appareil 6 indique une montée du pH, les particules de la phase solide se rapportent au groupe des minéraux alcalino-terreux. Quand les particules de la phase solide pénètrent dans l'eau, elles sont enveloppées par l'eau, et si elles ne sont pas disloquées au cours du brassage, la qualité de la boue sera basse, par suite de son instabilité en dispersion. Au moment initial du brassage, la plus grande partie des particules se lient à l'eau et le pH change brusquement. Ensuite, le changement du pH est plus lent, il est dt à la désagrégation de certains grumeaux et dure jusqu'à ce que tous les agrégats de particules se soient disloqués en particules simples , c'està-dire jusqu'à ce que la boue devienne homogène. A ce moment l'appareil 6 indique une valeur stable du pH, ce qui signifie que le degré optimal d'homogénéité de la boue est atteint et que la continuation du brassage est irrationnelle. De la sorte, d'après la valeur établie du pH on détermine le degré optimal d'homogénéité de la boue au cours du brassage de la phase solide avec la phase liquide. La détermination de la qualité de la boue au cours de la dispersion de la phase solide estmontroeà l'aide de l'exemple représenté en figure 2. La boue de forage de départ prise dans la capacité 7 est versée dans un dispositif disperseur 8, par exemple dans un appareil rotatif à pulsations constitué par un corps dans-lequel sont disposés coaxialement un rotor et un stator cylindriques (non représentés sur la figure), ayant des fentures et des saillies. La réduction de la phase solide est assurée par un tel disperseur sous l'effet des phénomènes de cavitation engendrés dans l'écoulement pulsatoire du liquide passant à travers les fentures du stator qui sont périodiquement masquées par les saillies du rotor. Le dispositf disperseur 8 employé peut aussi autre tout autre appareil approprié, par exemple un broyeur à micro-éléments; constitué par une chambre dans laquelle est placé un arbre avec des disques (non représentés sur la figure). La chambre est remplie de corps broyants, par exemple de grenaille en fonte ou de microbilles en verre. Quand l'arbre portant les disques tourne, le mélange de phases liquide et solide se trouvant dans la chambre est accéléré par l'action des forces centrifuges. Sous l'action du courant giratoire du liquide et des disques tournants, les corps broyants se déplacent les uns par rapport aux autres; il en résulte des impacts entre eux et leur rotation. La boue dispersée est versée dans une capacité 9, dans laquelle est placé un capteur 10 de contre de son pH, raccordé à un appareil enregistreur secondaire 11. Durant tout le processus de dispersion on mesure le pH de la boue à l'aide du capteur 10 et, d'après sonchangement, on juge de la concentration des particules solides dans la boue. Plus la concentration de la phase solide est élevée, plus le taux de réduction est élevée Les particules sont réduites jusqu'à ce que leur résistance mécanique atteigne la valeur limite. Le pH change jusqu'à ce moment. Quand l'appareil Il indique un pH établi, cela signifie que la réduction des particules solides a cessé, c'est-à-dire que le taux de réduction optimal est atteint, et que la continuation de la dispersion est donc irrationnelle. De la sorte, au cours de la préparation de la boue on mesure en continu son pH, jusqu'à ce qu'il se stabilise, et, d'après le changement du pH de la boue on juge du taux de réduction de la phase solide Pour déterminer le taux optimal de réduction de la phase solide dans le liquide au cours de sa dispersion, on suit le changement du pH de la boue et on enregistre le moment où il se stabilise. De mEme que pendant le brassage, on peut juger de l'appartenance des particules de la phase solide au groupe des minéraux alcalino-terreux d'après la montée du pH, et de leur appartenance au groupe des composés organosiliciques d'après la baisse du pH. On peut établir au préalable un nomogramme du pH en fonction de la grosseur des particules de divers minéraux, d'après lequel on peut déterminer la composition minéralogique de la phase solide. Le capteur de contre du pH utilisé au cours de la dispersion est le mème que celui utilisé au cours du brassage de la phase solide avec le liquide. Le procédé de contrtle de la qualité d'une boue de forage conforme à l'invention est de réalisation simple et permet d'améliorer notablement la qualité des boues de forage, grâce à l'élévation de la précision du contre de l'un de ses paramètres, à savoir, le potentiel hydrogène (pH), tout en réduisant d'une manière appréciable les dépenses d'énergie et les frais, ainsi que les dépenses de temps, pour la préparation de la boue de forage, grâce à l'interruption opportune du brassage et de la dispersion de la phase solide d'après les indications du capteur de contre du pH. En définitive - la consommation de phasé solide diminue de 10 à 15% - le rendement de l'équipement de brassage de la phase solide avec la phase liquide et de dispersion de la phase solide staccrott de 15 à 20% - les dépenses d'énergie baissentoe 20 à 25%. 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 contre de la qualité d'une boue de forage, suivant lequel on mesure ses paramètres structuraux et mécaniques pendant le brassage et la dispersion de la phase solide dans la phase liquide, caractérisé en ce que, au cours de la préparation de la boue, on mesure en continu son pH, d'après le caractère du changement du pH de la boue on juge de l'appartenance de la phase solide à un groupe déterminé de minéraux, et d'après la valeur établie du pH de la boue on détermine le degré optimal d'homo généité de la boue et le taux optimal de réduction de la phase solide dans la phase liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que d'après l'accroissement du pH de la boue on juge de la prédominance des minéraux alcalino-terreux dans la phase solide de la boue, et d'après la baisse du pH de la boue, de la prédominance des composés organosiliciques dans la phase solide de la boue.