Brevet FR2452576A1 — publié le 19801024

La présente invention concerne les techniques de forage et a notamment pour objet un dispositif pour la séparation électrocinétique des boues de forage en une phase solide et une phase liquide. L'application du dispositif faisant ltobjet de l'invention est d'une efficacité maximale dans le forage de puits de pétrole et de gaz, les forages de prospection géologique, pour la valorisation des boues de forage. Le dispositif faisant ltobjet de l'invention peut être utilisé dans l'industrie chimique, la fabrication des matériaux de construction et d'autres branches de l'industrie où il est nécessaire de récupérer une phase argileuse colloïdale de qualité améliorée se trouvant dans des suspensions. On sait que la boue de forage est un système hétérogène liquide comportant obligatoirement des particules colloidales de phase solide. La présence de ces particules dans la boue de forage détermine, au point de vue de la qualité de ltexécution du forage, une série de proprités rhéologiques importantes de la boue de forage. C'est pourquoi la préparation de la boue de forage est en fait un processus de préparation de suspension d'argile, avec obtention d'une teneur en particules colloïdale de phase solide d'une valeur telle que la boue de forage ait les propriétés rhéologiques nécessaires. Dans ce processus, le degré de dispersion ou de réduction des particules d'argile de la phase solide détermine la qualité de la boue de forage préparée. La diminution de la quantité totale de phase solide dans la boue de forage, les propriétés rhéologiques restant inchangées, contribue à l'augmentation de la vitesse d'avancement mécanique. Pour cela, il faut augmenter le degré de dispersion de la boue de forage. La préparation de la boue de forage par les procédés connus requiert des dépenses d'énergie élevées. De plus, l'augmentation du degré de dispersion des particules de phase solide dans la boue de forage nécessite des dépenses d'énergie encore plus grandes. La boue de forage est préparée à partir d'une poudre d'argile de haute qualité, et, pour régler et stabiliser ses propriétés aux valeurs prescrites, on lui ajoute des réactifs chimiques comateux. Après l'achèvement du forage, toute la boue de forage est rejetée à la décharge car son transport sur un autre carreau de forage revient trop cher, vu le prix élevé du transport et la nécessité d'employer des véhicules spéciaux, car la boue de forage continent 85 à 90% d'eau.Le plus économique, pourle transport de la boue de forage, serait d'en séparer la fraction la plus noble, à collordité élevée, qui constitue la matrice de la structure de la boue de forage, d'autant plus quelle est enrichie par les réactifs chimiques ajoutés à la boue de forage. La maJorité des forages sont exécutés dans des terrains argileux. Les terrains argileux sont partiellement dispersés et passent dans la boue de forage sous la forme de particules de colloidité élevée, ce qui rend nécessaire son épuration. Une séparation insuffisamentefficace de la phase solide se trouvant dans la boue de forage fait que, après quelques cycles de circulation au cours du forage, la composition de la boue de forage change notablement, ce qui rend indispensable la séparation de sa phase solide d'avec la phase liquide en vue de son épuration. On connaît des dispositifs pour la séparation de la phase solide et de la phase liquide des boues de forage, tels que les tamis vibrants, les hydrocyclones et les centrifugeuses, qui séparent de la boue de forage les gros débris de forage, mais y laissent les particules de phase solide de colloïdité élevée qui altèrent les propriétés de la boue de forage. Il s'ensuit la nécessité de rejeter une partie de la boue de forage, de diluerla partie restante avec de Liteau et de la traiter avec des réactifs chimiques, afinde maintenir les paramètres rhéologiques optimaux de la boue de forage, nécessaires au forage. L'exposé ci-dessus montre qu'une séparation efficace des particules colloSdales de phase solide d'avec la boue de forage est importante dans le forage. On connatt un dispositif pour la séparation d'une phase colloïdale stable d'argile se trouvant dans une boue de forage, comprenant une anode tournante inséréedans un circuit de circulation, et des raclettes pour détacher les particules de phase solide se déposant sur cette anode. Dans ce dispositif, la boue de forage sortant du trou foré et chargée de débrits est préalablement diluée pour la séparation de grosses particules. Dans la boue de forage ainsi diluée et pré-épurée il reste des particules fines non chargées de roches perforées et des particules colloSdales chargées négativement.Ensuite, on sépare de cette boue les particules d'argile chargée négativement, par déposition sur l'anode tournante, le dépit étant ensuite enlevé par les raclettes. En se déposant, les particules d'argile chargées négativement entrassent une partie des particules non chargées, qui se déposent aussi sur l'anode tournante. Le dispositif qui vient d'8tre décrit ne traite qutune partie de la boue de forage, l'autre partie, bien plus importante, étant réinjectée dans le trou foré sans traitement. La séparation des particules de phase solide dans une partie de la boue de forage et la réalisation de ce processus en deux étapes : d'abord séparation de grosses particules, puis séparation des particules fines, est de réalisation compliquée et, par conséquent, coûteuse. On connatt un dispositif pour la séparation de la phase liquide et de la phase solide des boues de forage, comprenant une capacité avec une entrée pour la boue de forage et des sorties pour les parties séparées de la boue de forage. Dans la capacité est placée une chambre à paroi perforée qui est insérée dans un circuit fermé parcouru par un liquide électroconducteur. Le corps de la capacité estraccordé à un p81e négatif et la chambre avec le liquide électroconducteur en circulation est raccordée à un pôle positif. Quand le dispositif fonctionne, le liquide électroconducteur circulant à travers la chambre s'enrichie en phase solide, tandis que la boue de forage se trouvant à l'extérieur de la chambre s'appauvrit en phase solide.Après quelques cycles de circulation du liquide électroconducteur à travers le dispositif, le processus d'épuration stachève , et on remplit le dispositif avec du liquide électroconducteur frais. Le rendement du dispositif décrit ci-dessus est bas par suite de son fonctionnement périodique. On s'est donc proposé de créer un dispositif pour séparer la phase liquide et la phase solide des boues de forage, dans lequel la chambre et la capacité seraient réalisées de façon à assurer une séparation plus complète de la phase liquide et de la phase solide des boues de forage, par des moyens techniques relativement simples. La solution consiste en ce que, dans le dispositif pour la séparation électrocinétique des boues de forage en une phase liquide et une phase solide, comprenant une capacité avec une entrée pour la boue de forage et des sorties pour ses phases séparées, des électrodes placées dans cette capacité et raccordées, l'une au pôle négatif d'une source de courant continu, et l'autre, au pôle positif, cette seconde électrode étant réalisée sous la forme d'une chambre avec une paroi perforée et étant branchéedans un circuit fermé parcouru par un liquide électroconducteur, d'après l'invention la chambreélectrode est réalisée de telle façon que sa paroi perforée soit située en face du fond de la capacité, ce fond étant réalisé grillagé et servant de sortie pour la phase liquide obtenue au'issue de la séparation électrocinétique de la boue de forage. Il est avantageux de réaliser les parois de la capacité en matériau diélectrique, et de réaliser son fond grillagé en matériau électroconducteur, de façon qu'il fasse office d'électrode raccordée au pôle négatif de la source de courant continu. Le champ électrique est engendré dans ce cas entre le fond grillagé et la chambre contenant le liquide électroconducteur, ce qui augmente la longévité de la capacité. Il est souhaitable de monter dans la capacité, entre son fond et la chambre d'électrode, une vis transporteuse pour ltévacuation de la phase solide de la boue de forage réalisée en matériau diélectrique et liée cinématiquement à un moteur. La vis transporteuse assure ltévacuation continue de la phase solide de la boue de forage séparée par le dispositif et sa réalisation en matériau diélectrique exclut les distorsions éventuelles du champ éictriquee La chambre-électrode est réalisée flottante. Une telle réalisation constructive assure le maintien du niveau prescrit de liquide électroconducteur à l'intérieur de la chambre. Le dispositif pour la séparation électrocinétique des boues de forages en une phase liquide et une phase solide, réalisé d'après la présente invention, est de conception simple et permet de conduire le processus de séparation des boues de forage en continu. En outre, le dispositif faisant l'objet de l'invention permet ltextraction Pratiquement complète de la phase solide se trouvant dans les boues de forage et enrichie par des réactifs chimiques, ctest-à-dire ltobtention de cette phase sous la forme d'une pâte pour lttiEsation ulMkiore. Comme le montre le dessin unique annexé,le dispositif pour la séparation électrocinétique des boues de forage en une phase liquide et une phase solide comprend : une capacité 1 prévue pour être remplie par la boue de forage, une source 2 de courant continu, et des électrodes 3 et 4 raccordées respectivement au pôle négatif et au pôle positif de la source 2 de courant continu. Les parois de la capacité 1 sont réalisées en matériau diélectrique ~ son fond est réalisé grillagé en matériau électroconducteur, et estraccordé au pôle négatif 2 de la source de courant continu, ctest-à-dire que, dans ltexemple considéré il fait office d'électrode 3, aussi est-il affecté du chiffre de référence 3. La capacité peut être réalisée en matériau électroconducteur et raccordée au p81e négatif de la source de courant. Le fond 3 grillagé de la capacité permet de l'utiliser en tant que sortie de la phase liquide obtenue pendant la séparation de la boue de forage. Pour la sortie de la phase solide, il est prévu une tubulure 5.La seconde électrode 4 est constituée par une chambre 6 placée dans la capacité 1 et comportant un élément 7 qui est branché dans un circuit fermé parcouru par un liquide électroconducteur. Ce circuit comprend un réservoir 8 dans lequel se trouve le volume principal du liquide électroconducteur, une pompe 9, une conduite 10 reliant la pompe 9 au réservoir 8, des flexibles 11, 12 et des tubulures 1-3, 14 situées dans la chambre 6. La chambre 6 a une paroi perméable (perforée) 6a. Elle est réalisée en matériau diélectrique (grosse toile, film plastique). L'élément 7 placé dans cette chambre est réalisé en matériau électroconducteur et est raccordé au pôle positif de la source 2 de courant continu. La chambre 6 est réaliséeflottanteo Elle est remplie de liquide électroconducteur et placée dans la capacité 1 de telle façon que sa paroi (son fond) perforée 6a soit en face du fond 3 de la capacité 1. Dans la capacité 1, entre son fond et la chambre 6 est montée une vis transporteuse 15 réalisée en matériau diélectrique afin d'exclure les distorsions du champ électrique engendré entre les électrodes 3 et 4 dans la boue de forage se trouvant dans la capacité 10 On peut réaliser en matériau diélectrique seulement les pales de la vis transporteuse, La vis transporteuse 15 est liée cinématiquement (la channe cinématique ntest pas représentée) à un moteur 16. Sa fonction est de faire cheminer la phase solide (pate), se formant pendant la séparation, vers la tubulure 5. La boue de forage est amenée dans la capacité 1 par un chenal 17 monté au-dessus d'elle. Sous le fond 3 est montée une augeinclinée 18 qui canalise la phase liquide de la boue de forage vers le réservoir 19. Sous la tubulure 5 est placé un réservoir 20 dans lequel s'accumule la phase solide de la boue de forage. Le dispositif pour la séparation des boues de forage fonctionne de la façon suivante. La boue de forage sortant du trou foré (non représenté: et ayant dans sa composition des débris de forage, la phase solide utilie (particules d'argiles finement divisées, agents d'alourdissement), le milieu de dispersion constitué d'ordinaire par de Liteau dans laquelle sont dissous des sels (ions monomoléculaires) et des réactifs chimiques macromoléculaires (stabilisants) polyélectrolytes, est d'abord soumise à une épuration ayant pour but d-teSiminer les particules de roche perforéedébris de forage - qui sty trouvent. La boue de forage débarrassée des débris est amenée dans la capacité 1 par le chenal 17. La pompe 9 est mise en marche et une circulation de liquide électroconducteur stétablit dans le circuit fermé. La boue de forage est séparée du liquide électroconducteur par la paroi perforée 6a de la chambre 6. Ceci exclut le passage dans la boue de forage des produits des réactions électrochimiques se déroulant dans la zone de ltélectrode positive 4. On peut ainsi augmenter la concentration des groupes hydroxyles libres, des complexes H302, et des électrons hydratés dans la boue de forage. Ces particules sont adsorbées aux interfaces des phases, formées par les molécules des polyélectrolytes et par les particules de la phase solide avec le milieu de dispersion de la boue de forage. Quand la source 2 de courant continu est branchée, un champ électrique est engendré dans la capacité 1 par l'électrode 3 et ltélectrode 4. Des forces électrostatiques puissantes de répulsion apparaissent entre les particules constituant la boue de forage. Il s'ensuit que les couches de la boue de forage se déplacent les unespar rapport aux autres avec un frottement interne plus faible (la viscosité diminue), et l'eau, qui était auparavant aux interfaces des phases par suite de l'interaction dipolaire, des liaisons d'hydrogène et donneurs-accepteurs, acquiert une mobilité plus grande, dûe à la charge unipolaire négative de la surface de la phase dispersée, y compris la surface des molécules des polyéctrolytes.C'est pourquoi la phase liquide (le filtrat) de la boue de forage passe sous lteffet de la pesanteur à travers le fond grillagé 3 : Liteau de la boue de forage en est séparée. Le fond 3 à travers lequel sten va le filtrat de la boue de forage est chargé négativement, ce qui contribue à sa séparation continue et intensive, vu que le fond 3 repousse de sa surface les particules d'argile chargées négativement et prévient ainsi la formation d'un gâteau de faible perméabilité. En outre, le fond 3 ne permet pas aux macromolécules chargées négativement des polyélectrolytes de la boue de forage de sten aller conjointement avec Liteau et les ions des composés de bas poids moléculaire se trouvant dans cette eau. Par suite de la séparation de l'eau, il se forme dans la capacité 1 une pate constituée par la phase solide utile et les réactifs chimiques macromoléculaires activés. La chambre flottante 6 de ltélectrode 4 n'exerce pas une action coagulante sur la boue de forage par les produits desréactions électrochimiques provenant de sa surface, car elle est séparée de la boue de forage par la paroi perméable (perforée) 6a, réalisée en matériau diélectrique poreux (toile forte, polytétrafluoréthylène poreux, etc.). Le liquide électroconducteur employé pour fermer le circuit est une solution électroconductrice aqueuse. La pompe 9 fait circuler cette solution dans le circuit fermé.De la sorte, le contact entre l'électrode et la boue de forage s'effectue par l'intermédiaire d'un pont électrolytique liquide "électrolyte-solution" se formant danse zone où elles sont séparées par la paroi perméable (perforée). La vis transporteuse 15 se trouvant dans la capacité 1 est entraSnée par le moteur électrique achemine la pâte vers le réservoir 20. L'eau se séparant sous l'effet du champ ~électrique passe à travers le fond 3 et s'écoule suivant l'auge inclinée 18 jusqu'au réservoir 19 qui recueille le filtrat. La pâte résultant de la séparation de l'eau peut être séchée, ou bien elle peut être transportée à un autre carreau pour y préparer la boue de forage. La préparation de la boue de forage à partir de la pâte consiste à la mélanger avec la quantité nécessaire d'eau au moyen d'un dispositif quelconque, mécanique ou autre. Cette opération permet d'obtenir en un court laps de temps une boue de forage de haute qualité, prête à entre utilisée. De la sorte, le dispositif pour la séparation de la phase liquide et de la phase solide des boues de forage assure l'extraction de la phase solide de la boue de forage et ltobtention de cette phase solide sous la forme d'une pâte. L'efficacité économique du dispositif de séparation de la phase liquide et de la phase solide des boues de forage, faisant ltobjet de l'invention, est déterminée par la réutilisatlcnde boues de forage de haute qualité, obtenues à peu de frais, et par la réduction des frais de transport de la poudre d'argile et des réactifs chimiques. La haute qualité de la boue de forage préparée à partir de la pâte augmente sa durée de service et accroft la vitesse de forage. Bien entendu, l'invention ntest nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qutà 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. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif pour la séparation électrocinétique des boues de forage en une phase liquide et une phase solide, du type comprenant une capacité pourvue d'une entrée pour la boue de forage et de sorties pour ses phases séparées, des électrodes placées dans cette capacité et raccordées, l'une, au pôle négatif d'une source de courant continu, et l'autre, au pôle positif, cette seconde électrode étant réalisée sous la forme d'une chambre comportant une paroi perforée et étant branchée dans un circuit fermé parcouru par un liquie électroconducteur, caractérisé en ce que ladite chambre électrode est réalisée de telle façon que sa paroi perforée soit située en face du fond de la capacité, ce fond étant réalisé sous forme d'une grille et servant à la sortie de la phase liquide résultant de la séparation électrocinétique de la boue de forage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois de la capacité sont en matériau diélectrique, tandis que son fond fonllant grille est en matériau électroconducteur de façon à être utilisé comme électrode raccordée au p81e négatif de la source de courant continu. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, dans la capacité, entre son fond et la chambre-électrode est montée une vis transporteuse servant à évacuer de ladite capacité la phase solide de la boue de forage, réalisée en matériau diélectrique et liée cinématiquement à un moteur. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la chambre-électrode est réalisée flottante.