Brevet FR2472658A1 — publié le 19810703

La présente invention concerne un procédé de consolidation de formations géologiques, ce procédé étant notamment applicable dans des réservoirs contenant du pétrole ou du gaz, pour éliminer les venues de sable dans les puits traversant des formations sableuses peu ou pas consolidées. D'une manière plus générale, ce procédé peut être utilisé pour consolider localement des formations perméables. Diverses méthodes ont déjà été proposées pour empêcher les venues de sable dans les puits neufs ou pour traiter des puits donnant lieu à des venues de sable, lors de l'exploitation des gisements de pétrole ou de gaz. Un premier type de méthode consiste à retenir le sable par un moyen mécanique, en utilisant des écrans artificiels à orifices calibrés, ou des empilages de graviers ayant une répartition granulomé- trique bien définie, selon la dimension des grains de sable de la forma-- tion géologique traversée par le puits. Une telle méthode, de mise en oeuvre délicate, est souvent utilisée pour équiper-des puits neufs- Un second type de méthode consiste à injecter, dans la for- mation géologique, une résine liquide qui, en se polymérisant, crée une liaison entre les grains de sable. L'efficacité d'une méthode chimique de ce second type est aléatoire, car la réaction de polymérisation de la résine injectée dépend essentiellement des conditions régnant dans le puits au niveau de la formation et des caractéristiques de cette dernière. Une telle méthode ne permet donc pas de contrôler le degré d'avancement de la réaction chimique. Il en résulte le risque, soit d'une consolidation insuffisante de la formation, si le degré de polymé- risation de la résine est trop faible, soit d'une trop forte réduction de la perméabilité ou même d'un colmatage complet de la formation gao- logique, si une trop grande quantité de polymère est retenue dans cer- tains pores. Une autre méthode décrite dans le brevet britannique 975 229, consiste à introduire successivement dans la formation un matériau à base d'acide gras insaturé, puis un gaz oxygéné, en vue d'obtenir une une résinification dudit matériau Cependant, ce procédé ne donne une consolidation satisfai- sante que si la formation à consolider se trouve, ou est portée, à une température comprise entre 1500 et 3000C, ce qui est bien supérieur à la température normale des réservoirs d'huile ou de gaz - Il est également envisagé dans ce brevet antérieur d'ajou- ter un catalyseur constitué de naphténate de cobalt ou de naphténate de manganèse. 'Même dans ce dernier cas, la consolidation obtenue n'est réellement satisfaisante que si la température des formations est suf- fisamment élevée. On connait également par le brevet français n0 1 409 599 un procédé pour la consolidation des sols dans lequel ces sols sont traités par des polymères huileux renfermant des catalyseurs siccatifs qui durcissent par séchage à l'air sur la surface du sol à consolider. Ce traitement qui produit des masses dures imperméables n'est cependant pas pas applicable à la consolidation des formations géologiques souterraines dont on souhaite maintenir la perméabilité Ce résultat est atteint,-selon l'invention, avec un procé- dé assurant le contrôle de l'altération chimique d'une substance poly- mérisable. Ce procédé comporte l'injection, dans la formation, d'un mélange liquide de produits organiques dont on réalise in situ une altération chimique ménagée par la mise en'contact de ce mélange liqui- de avec une quantité donnée de gaz oxydant, de façon à transformer par une réaction exothermique ledit mélange liquide en une substance liant les éléments non consolidés de la formation, l'injection du gaz oxydant permettant d'éviter une réduction appréciable de la perméabilité de - cette dernière aux fluides tels que le pétrole ou le gaz naturel. La composition du mélange liquide, ainsi que la teneur en oxygène et la quantité de gaz oxydant, sont ajustées de manière à assurer le démarrage de la réaction à la température normale de la formation et à contrôler le degré d'avancement de la polymérisation oxydante du mélange liquide Plus particulièrement, l'invention fournit un procédé de consolidation d'une formation géologique comprenant les deux étapes successives suivantes a) on injecte dans la formation un mélange organique liquide contenant au moins un composé chimique polymérisable et un catalyseur, ledit mélange étant capable de subir in situ, au contact d'un gaz oxydant, des réactions démarrant à la température normale de la formation géologique et conduisant à la formation d'un produit solide qui consolide cette formation.sans affecter notablement sa perméabilité, et b) on injecte un gaz oxydant en quantité suffisante pour obtenir une solidification sensiblement complète dudit liquide organique, cette quantité étant cependant limitée de façon que la température attein- te dans la formation au cours desdites réactions ne dépasse pas 3500 C et soit, de préférence, comprise entre 1500 C et 2500 C. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le- dit mélange organique liquide contient un catalyseur comportant en combinaison du plomb et au moins un élément du groupe constitué par le nickel, le cuivre et le zinc. Le procédé selon l'invention est efficace même si la tempé- rature de la formation (qui dépend notamment de sa profondeur) est basse, car la réaction d'oxydation du mélange organique provoque dans la zone traitée un dégagement de chaleur suffisant pour que soit at- teint le niveau thermique permettant audit mélange organique de se polymériser efficacement et d'assurer la cohésion entre les grains de la formation. De plus, la teneur en oxygène du gaz oxydant injecté et la quantité d'oxygène introduite dans la formation sont contrôlées afin de ne pas dépasser la température maximale qui conduirait à la dégradation de la substance polymérisée. Le mélange organique utilisé dans le procédé selon l'in- vention pourra avantageusement être constitué d'une huile siccative, éventuellement diluée par un solvant organique, additionnée d'un cata- lyseur tel que défini ci-dessus. L'huile siccative utilisée sera avan- tageusement de l'huile de lin, de l'huile de bois, de l'huile de car- thame ou d'une manière générale, des huiles végétales ayant une te- neur élevée en composés polyéthyléniques. Les solvants utilisés seront constitués, par exemple, par des hydrocarbures tels que benzène, toluène, xylène ou par une coupe pétrolière; la teneur en solvant sera avanta- geusement comprise entre 0 et 50 % pour limiter la réduction de réacti- vité due à la dilution. Les éléments du catalyseur seront utilisés sous forme de sels, tels que carboxylates, naphténates, sulfonates, octoates solubles dans les constituants de base du mélange organique. La teneur de la solution en chacun des métaux utilisés dans le catalyseur sera inférieure à 3 % poids et, de préférence, comprise entre 0,007 et 2 % poids. La composition exacte du catalyseur (métaux utilisés et teneurs en métaux) dépendra de la nature du milieu et des conditions de gisement (pression, température...). La quantité de mélange organique injectée sera de préférence inférieure à 500 litres par mètre d'épaisseur de formation géologique; des quantités supérieures n'affectent cependant pas l'efficacité du procédé selon l'invention. Lors de l'application de la méthode dans des réservoirs d'huile, le gaz oxydant injecté sera, de préférence, de l'oxygène ou de l'air, dilués éventuellement par de l'azote, du gaz carbonique ou un autre gaz inerte dans les conditions de l'essai. Lors de l'applica- tion de la méthode dans des réservoirs de gaz, le mélange gazeux oxy- dant utilisé sera, de préférence, de l'oxygène ou de l'air dilués par de l'azote, un autre gaz inerte ou du gaz naturel sec; cependant, la teneur en gaz naturel devra être telle que le mélange gazeux reste à l'extérieur des limites d'inflammabiljté dans les conditions de l'essai. La teneur volumétrique en oxygène du mélange gazeux sera avantageusement comprise entre 0,5 et 100 %, et, de préférence, entre 1 et 21 %. La teneur en oxygène, pour une composition donnée du mélan- ge organique, sera de préférence d'autant plus faible que la pression d'injection esi/élevée. La présence d'eau dans le mélange gazeux sera évitée par un traitement de séchage approprié, si nécessaire. Le dosa- ge du mélange oxydant se fera en surface, les constituants du mélange étant fournis, soit par des bouteilles de gaz comprimé ou cryogénique, soit par des compresseurs. Le volume d'oxygène contenu dans le gaz injecté, rapporté aux conditions standard de température et de pression, sera de préfé- rence inférieur à 200 litres par litre de mélange organique injecté; d'excellents résultats sont obtenus en utilisant entre 10 et 80 litres d'oxygène par litre de mélange organique. Sur la figure 1 annexée, illustrant schématiquement un mo- de de mise en oeuvre de l'invention, la référence 1 désigne une forma- tion géologique sableuse traversée par un puits 2, qui comporte un cu- velage 3 muni de perforations 4 au niveau de la formation 1 dont on désire extraire un fluide, tel que du pétrole ou du gaz naturel. Dans cet exemple de réalisation, le procédé selon l'inven- tion est mis en oeuvre en injectant successivement dans la formation 1 à traiter des quantités prédéterminées du mélange organique 5, tel qu'une huile siccative additionnée d'un catalyseur tel que défini ci- dessus, éventuellement en mélange avec un autre liquide organique tel que un solvant ou une coupe pétrolière, et d'un gaz oxydant 6, tel que l'air ou l'oxygène, dilués selon les instructions ci-dessus. Le mélange organique liquide et le gaz peuvent être injec- tés à la suite l'un de l'autre par l'intermédiaire d'une même colonne de production ou tubing 7 débouchant,à sa partie inférieure, sensi- blement au niveau des perforations 4. Un dispositif 9, du type packer, assurera l'étanchéité en obturant l'espace annulaire entre le cuvelage 3 et la colonne de production 7, au-dessus de la formation 1. Dans la colonne de produc- tion 7, le gaz oxydant est séparé du mélange organique par un bouchon 8 d'une substance non ou peu oxydable, ce bouchon étant constitué,par exemple,par un petit volume de solvant ou d'une coupe pétrolière dans un puits à huile, ou de gaz naturel, dans un puits à gaz. On évite ainsi que des réactions du mélange organique ne se produisent à l'intérieur même de la colonne de production. Bien entendu, le mode de mise en oeuvre décrit ci-dessus n'est nullement limitatif, d'autres modes de réalisation pouvant être envisagés. D'une façon générale, le liquide injecté en 5 est un mélan- ge organique qui, au contact d'un gaz oxydant, est capable de partici- per1dès la température de la formation 1à une altération chimique conduisant à la consolidation de ladite formation aux abords du puits. Le liquide 5 est plus facilement altérable par le mélange gazeux oxy- dant pour donner lieu à la consolidation que les hydrocarbures conte- nus dans la formation 1, *et que les composés organiques de base ne contenant pas de catalyseur. Dans le cas des gisements de pétrole, on pourra avantageu- sement faire précéder l'injection du liquide 5 par l'injection de fluides tels que le xyléne-ou une coupe pétrolière et un alcool, tel que l'isopropanol, afin de chasser le pétrole et l'eau présents aux abords du puits qui, s'ils sont en quantités excessives, peuvent avoir un effet néfaste sur l'efficacité de la consolidation du milieu. La quantité de gaz oxydant injectée sera déterminée de façon à obtenir une solidification complète du liquide organique 5, sans que la température atteinte dans la formation par suite du déga- gement de chaleur provoqué par la réaction d'oxydation du liquide 5 ne dépasse 350 C. On évite ainsi, selon l'invention, la combustion à haute température du liquide organique 5, ce qui permet d'éviter la dégradation du polymérisat et d'assurer la protection des équipements du puits, notamment du cuvelage 3. L'efficacité du procédé selon l'invention est illustrée par les essais suivants, les caractéristiques de mise en oeuvre de ces essais n'ayant aucun caractère limitatif. E S S A I No 1 Un mélange intime de sable de carrière (granulométrie com- prise entre 150 et 300 microns) et d'huile de lin est tassé à la tempé- rature ambiante dans un tube vertical à paroi mince de 20cm de diamètre, sur une hauteur de 15 cm. Des colliers chauffants sont mis en place 7. autour du tube sur la hauteur occupée par le mélange, afin de permettre le contrôle de la fuite thermique transversale. En cas d'augmentation de température, la puissance électrique fournie aux colliers est réglée de telle manière que la température déterminée dans le mélange ne soit pas supérieure de plus de 100 C à la température mesurée au même niveau contre la paroi externe du tube. Le massif, obtenu en tassant un mélange de 7,2 kg de sable et 0,63 kg d'huile de lin, a une porosité de 38 % et une saturation en huile de lin égale à environ 40 % du volume des pores. Sa température initiale est de 20 C. Un débit d'air, égal à 1,55 litre/mn, est injecté à la pres- sion atmosphérique par la face supérieure du tube, pendant 7 heures. On n'observe aucune diminution de la teneur en oxygène du gaz effluent et aucune augmentation de température dans le milieu poreux imprégné. En fin d'essai, on observe que le-massif n'est pas consolidé. Il apparaît donc que, dans les conditions opératoires choi- sies, aucune réaction ne se produit dans un massif imprégné-d'huile de lin ne contenant pas de catalyseur. E S S A I N' 2: Un mélange intime d'un support minéral et de mélange organi- que liquide est tassé à la température ambiante dans un tube vertical à paroi mince de 12,5 cm de diamètre, constituant l'enceinte intérieure d'une cellule cylindrique haute pression. Le tube intérieur est muni de colliers chauffants et d'un isolant thermique pour compenser la fuite thermique lors de l'augmentation de température du massif. Le mélange organique utilisé est de l'huile de lin addition- née de 1,68 % poids de plomb sous forme de naphténate et le support mi- néral est un sable de carrière additionné de 5 % de kaolinite. L'expé- rience est effectuée sous une pression relative de 10 bars avec un débit d'air de 3 litres par minute (mesuré dans les conditions standard de température et de pression). Au cours de l'essai d'une durée de 6 heures, la températu- re s'est élevée de 200 C à un maximum de 480 C et le faible degré d'avancement de la réaction n'a pas permis la consolidation du massif. E S S A I N0 3 Un essai a été réalisé dans des conditions opératoires identiques à celles de l'essai n0 2, mais en utilisant comme mélange organique de l'huile de lin additionnée de 0,3 % poids de nickel sous forme d'octoate. On ne constate aucune élévation de température et aucune consolidation du milieu. E S S A I N 4: Des résultats négatifs ont été obtenus également en opérant dans des conditions analogues à celles de l'essai n0 2, mais avec un débit d'air de 1,5 litre (conditions standard) par minute et en utili- sant comme mélange organique de l'huile de lin additionnée de 0,06 % poids de cuivre sous forme de naphténate. E S S A I N 5: Une expérience analogue à l'essai no 2 a été effectuée, mais en utilisant de l'huile de lin additionnée de 1,68 % poids de plomb sous forme de naphténate et 0,3 % poids de nickel sous forme d'octoate. L'essai a été effectué sous une pression relative de 10 bars avec un débit d'air de 3 litres (conditions standard) par minute. La réaction se traduit par une élévation de température jusqu'à 1950 C. On vérifie après essai que le milieu a gardé sa perméabilité et est très bien consolidé: sa résistance à la compression est de 90 bars. Ainsi, le catalyseur utilisé donne d'excellents résultats pour conso- lider le milieu. E S S A I N 6: Un essai analogue à l'essai 'n 2 a été réalisé, mais en uti- lisant comme mélange organique de l'huile de lin additionnée de 1,68 % poids de plomb et 0,12 % poids de cuivre, sous forme de naphténates. L'expérience est effectuée sous une pression relative de bars avec un débit d'air de 3 litres par minute (conditions standard) pendant 7 heures 40 minutes. La réaction se traduit par une élévation de température de 200 à 260 C. On vérifie, après essai, que le milieu a gardé sa perméabi- lité et qu'il est parfaitement consolidé. Sa résistance à la compression est de 92 bars. E S S A I N 7: Un essai a été effectué dans des conditions identiques à celles de l'essai n0 2, mais en utilisant comme mélange organique de l'huile de lin additionnée de 1,68 % poids de plomb et 0,2 % poids de zinc. Au cours de l'essai, d'une durée de 7 heures, on observe une élévation de température dans le massif de 200 à 240 C. On vérifie après essai que le milieu a gardé sa perméabili- té et qu'il est parfaitement consolidé. Sa résistance à la compression est de 74 bars. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Procédé de consolidation d'une formation géologique, comprenant les deux étapes successives suivantes a) on injecte dans la formation un mélange organique liquide contenant au moins un composé chimique polymérisable et un catalyseur, ledit mélange étant capable de subir in situ, au contact d'un gaz oxydant, des réactions démarrant à la température normale de la formation géologique et conduisant à l'obtention d'un produit solide qui consolide cette formation sans affecter notablement sa perméabilité, et, b) on injecte un gaz oxydant en quantité suffisante pour obtenir une solidification sensiblement complète dudit liquide organique, cette quantité étant cependant limitée de façon que la température attein- - te dans la formation, au cours desdites réactions, ne dépasse pas 3500 C, caractérisé en ce que ledit mélange organique liquide contient un ca- talyseur comportant en combinaison du plomb et au moins un élément du groupe constitué par le nickel, le cuivre et le zinc. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les élé- ments du catalyseur sont utilisés sous forme de sels solubles dans les constituants de base du mélange organique liquide. 3. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélan- ge organique liquide contient une huile siccative. 4. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le mélan- ge organique liquide contient de l'huile de lin. il 5. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le mélange organique liquide contient de l'huile de bois.