Brevet FR2467179A1 — publié le 19810417

La présente invention concerne les techniques de forage des puits et, plus particulièrement, un dispositif destiné à la préparation de 11 eau de dilution ou de gâchage des boues de forage. On peut utiliser la présente invention dans l'industrie du pétrole et du gaz naturel, en vue de la préparation et du traitement des boues de forage. L'invention peut être utilisée également notamment dans les circuits d'eau pour le réchauffage et le refroidissement, dans l'industrie chimique, dans le génie civil pour l'intensification des processus de dispersion et de dissolution. Le forage efficace des puits à frais minimaux et à vitesses élevées dépend dans une large mesure de la qualité des boues de forage elle-mEme fonction de la qualité des matières premières et de leurs modes de préparation. Les qualités d'une boue de forage et la durée de sa préparation dépendent dans une large mesure des qualités du fluide de délayage ou de gâchage qui est, dans la plupart des cas, une eau industrielle. L'eau industrielle contient différents ions en solution dont les plus répandus sont : les chlorures, les sulfates, les bicarbonates de sodium, de potassium , de calcium, de magnésium ainsi que des impuretés variées telles que des composés organiques, des sels de fer, d'aluminium, de cuivre, etc., etc. La minéralisation des eaux industrielles est généralement comprise entre quelques dixièmes de pour cent et quelques unités pour cent parfois beaucoup plus alors que leur conductibilité électrique peut être par exemple comprise entre 10 1 et 10 3 ohm 1. cl 1. Les substances dissoutes présentes dans une eau industrielle et les autres impuretés diminuent son aptitude à la dispersion des argiles, exercent une influence néfaste sur leur tenue, abaissent la thermostabilité et la résistance aux polutions salines des boues de forage, détériorent leurs paramètres d'usage (viscosité, facteur de restitution de l'eau), réduisent la vitesse de dissolution dans liteau des réactifs régulateurs des caractéristiques et des paramètres des boues de forage. Il est possible de diminuer l'influence nocive sur une boue de forage des substances dissoutes et des impuretés contenues dans l'eau ou même de supprimer entièrement cette influence si l'on purifie l'eau desdites substances et impuretés et si l'on fait passer les sels sous forme de bases. Il est possible d'effectuer cette purification par traitement du fluide de gachage dans un champ électrique créé par un courant continu. On connaît déjà des dispositifs de traitement électrique de l'eau comportant des électrodes séparées par des cloisons perméables (cf. "Electrochimie appliquée" publiée sous la direction de A.L. Rotinian aux Editions "Khimiya", Léningrad, 1974, p. 392, en russe). On contact d'autre part un dispositif (cf. Certi- ficat d'auteur NO 407 844, délivré en URSS) qui comprend une source de courant réunie à des électrodes exécutées sous forme de cylindres creux et disposées coaxialement entre elles. Ces électrodes sont séparées par un diaphragme et sont placées dans un corps ou une capacité qui comporte des tubulures ou pipes d'entrée et de départ respectivement du liquide à traiter et du liquide traité. On observe dans les dispositifs connus une intensité relativement faible des réactions électro-chimiques dans L'espace ménagé entre les électrodes. En cas d'écoulement laminaire du liquide à traiter dans l'espace ménagé entre les électrodes, les différentes couches de liquide sont traitées d'une manière irrégulière étant donné que le mouvement des ions dans lesdits dispositifs n'intervient que sous l'effet d'une différence de potentiel, de sorte que la vitesse des réactions électrochimiques y est la plus basse possible. La direction de passage du liquide du voisinage d'une électrode au voisinage de l'autre est sensiblement celle de la normale à la surface du diaphragme qui les sépare.Pour cette raison, en présence de particules solides, notamment de particules d'argile, lesdites particules colmatent rapidement les pores et cellules du diaphragme et la fiabilité de fonctionnement des dispositifs s'en trouve compromise. Etant donné que les électrodes ont une forme cylindrique, la surface de contact du liquide avec les électrodes et la vitesse d'écoulement du liquide le long des électrodes reste invariable, ce qui augmente la consommation d'énergie. En cas d'écoulement laminaire du liquide, les dépits insolubles qui se séparent du liquide traité se déposent sur les électrodes, ce qui entratne des frais d'énergie accrus, une moindre fiabilité de fonctionnement du dispositif et une qualité médiocre du traitement. On s'est donc proposé de créer un dispositif de préparation de fluide de délayage, dilution ou gâchage des boues de forage dans lequel les électrodes de traitement électrique aient une structure et une forme permettant d'augmenter l'intensité des réactions électrochimiques tout en améliorant la qualité du traitement, abaissant les dépenses d'énergie et augmentant la fiabilité au cours de 1'ex- ploitation. Le dispositif selon l'invention comprend une capacité ou un corps, ayant une entrée et un départ destinés au fluide de gâchage, dans lequel sont disposées coaxialement des électrodes, branchées sur une source de courant continu, séparées par un diaphragme, exécutées sous forme de troncs de cssne, l'enceinte de l'électrode intérieure comportant le long de son axe géométrique une canalisation ou pipe dont l'une des extrémités est réunie sans discontinuités à l'extrémité de l'électrode intérieure du côté de sa plus petite base et dont l'autre extrémité est réunie au départ du fluide traité. Selon une variante de l'invention on ménage des nervures sur la paroi extérieure de l'électrode intérieure, le long de ladite électrode, en suivant au moins une spirale hélicoidale. L'installation des nervures dans l'espace interélectrodes permet de conférer à l'écoulement du liquide en cours de traitement un régime de circulation turbulent qui intensifie les réactions électrochimiques. Selon une autre variante de 11 invention 11 électrode extérieure présente un grand nombre d'orifices sur toute sa longueur ou hauteur et le diaphragme adhère à la surface intérieure de l'électrode extérieure. Cette disposition de l'électrode et du diaphragme permet d'augmenter la zone de traitement de l'électrode intérieure et d'élever en outre la fiabilité de fonctionnement du diaphragme. On peut réunir l'électrode extérieure par son extrémité de section la plus petite avec une capacité destinée à recueillir les schlamms ou dépôts par l'intermédiaire d'un joint isolant. La capacité destinée à recueillir les schlamms permet de les séparer sans perdre de fluide. Le dispositif pour préparer un fluide de gâchage des boues de forage selon la présente invention, tout en étant d'une conception relativement simple, permet d'intensifier sensiblement le processus de traitement tout en abaissant la consommation d'énergie et d'améliorer la fiabilité de marche du dispositif. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif, avec références au dessin unique non limitatif annexé dans lequel on a représenté schématiquement un dispositif destiné à la préparation d'un fluide de g chage suivant l'invention, vu en coupe en long. Le dispositif de l'invention comporte un corps ou capacité 1 ayant une entrée 2 de fluide à traiter et une sortie 3 du fluide traité. Dans le corps 1 sont disposées deux électrodes creuses 4 et 5 emboîtées l'une dans l'autre, en ménageant un espace interélectrodes. Les électrodes 4 et 5 sont branchées sur une source 6 de courant continu et sont séparées par un diaphragme 7. Le diaphragme 7 sépare les zones de traitement des électrodes 4 et 5 et assure une pénétration minimale du fluide se trouvant dans la zone d'action de l'électrode 4 vers la zone d'action de ltélec- trode 5. Les électrodes 4 et 5 sont exécutées, par exemple, sous forme de troncs de cône à bases circulaires de même orientation ; l'électrode intérieure 4 constitue un corps creux traversé le long de son axe géométrique "a" par une tubulure ou une pipe 8 dont l'une des extrémités est réunie sans discontinuité à l'éxtrémité de l'électrode 4 qui présente la plus petite section et dont l'autre extrémité est réunie à la pipe 3 de sortie du fluide. Sur la paroi extérieure de l'électrode intérieure 4, réparties sur sa hauteur ou longueur et en suivant au iboins une spirale hélicoidale, sont fixés des déflecteurs ou nervures 9. Ces nervures 9 disposées dans l'espace interélectrodes intensifient les réactions électrochimiques par la création au sein du liquide en écoulement de régimes turbulents. L'exécution des électrodes 4 et 5 sous forme de troncs de cône et la disposition à l'intérieur de l'électrode intérieure 4 d'une pipe 8 assure une distribution des vitesses d'écoulement du fluide résultant de sa rotation ou "vrillage" et une augmentation des vitesses par diminution des rayons des veines liquides le long des cônes grâce auxquelles les inclusions solides et les sédiments insolubles de sels se séparent du fluide pour passer dans une capacité 13 tandis que le fuide purifié, traité, sort, à l'opposé, par la pipe 8. L'électrode extérieure 5 sur toute sa longueur ou hauteur est percée d'un grand nombre d'orifices débouchants 10 permettant le passage du fluide dans une enceinte Il entourant l'électrode 5.A sa surface intérieure vient adhérer ou se plaquer le diaphragme 7, qui peut être réalisé en une matière poreuse appropriée, notamment électriquement isolante. Les nervures 9 peuvent, selon une variante de réalisation, servir à maintenir le diaphragme 7 à une distance convenable des électrodes 4 et 5. Grâce à une telle exécution de l'électrode 5 et du diaphragme 7 la zone de traitement dans le champ électrique de l'électrode intérieure est augmentée et la fiabilité de fonctionnement du diaphragme 7 est améliorée. L'électrode extérieure 5 par son extrémité de plus petite section est réunie, par l'intermédiaire d'un joint diélectrique 12, à l'enveloppe de la capacité 13 destinée à recueillir les schlamms. La capacité 13 destinée à recueillir les schlamms est par exemple une pipe disposée verticalement dans la figure annexée dans laquelle sont installés des volets 14 et 15 qui sont commandés par un servomécanisme 16. Pour purger le liquide et les sédiments de l'enceinte 11 on utilise une pipe inférieure 17 tandis que pour purger les gaz on met en oeuvre une pipe supérieure 18. Le dispositif fonctionne de la manière suivante après qu'on aura injecté aux électrodes 4 et 5, branchées (dans l'exemple considéré) au pôle positif et au pôle négatif respectivement, une tension de la source 6 de courant, on commence à pomper à travers la pipe 2 le fluide à traiter de manière qu'Il pénètre dans l'enceinte 22 située au-dessus de l'électrode 4. Ensuite le fluide arrive dans l'espace interélectrodes entre l'électrode 4 et le diaphragme 7. Grâce aux nervures 9, le fluide est animé d'un mouvement de rotation lorsqu'il descend dans cet espace interélectrode et sa vitesse s'accélère car les rayons des sections des cônes diminuent. Il s'ensuit que sa vitesse angulaire augmente. Etant donné que la pression dans l'espace entre l'électrode 4 et le diaphragme 7 est plus élevée que la pression derrière le diaphragme 7, le fluide traverse le diaphragme 7 et pénètre jusqu'à l'électrode 5 en fermant le circuit électrique. Dans la zone de l'électrode négative t il y a des transformations électrochimiques des sels qui se trouvent dans l'eau sous forme de composés Me-R (Me représentant un métal, R étant un ion négatif, par exemple :Na-Cl, Na=Me, Cl=R) en composés du type Me-OH, hydroxydes. Les ions négatifs sous 1 t action du gradient de potentiel à la surface de l'électrode 4 et du gradient de concentration d'ions OH quittant cette surface passent dans la zone de l'électrode 5 où ils forment des acides entrant en réaction avec les ions hydrogène qui se dégagent à la surface de cette électrode. S'il s'agît de traiter le fluide dans la zone de l'électrode positive on échange les polarités des électrodes 4 et 5, par exemple au moyen d'un commutateur de polarité non figuré. La circulation du fluide dans la zone des nervures 9 intervient dans plusieurs directions : circulation rotative (circulaire) autour de l'axe géométrique "a" commun des électrodes 4 et 5, mouvement rotatoire dans un plan perpendiculaire aux nervures 9 et mouvement descendant. Par ailleurs le fluide suit ces trajectoires à des vitesses variables et différentes à cause de la diminution des rayons des sections des cônes. Ainsi sont créées des conditions favorables de traitement : séparation des particules solides vers la périphérie d'un élément de spirale, déplacement actif des ions vers les électrodes, traitement uniformisé suivant toute la section de l'écoulement. En définitive la vitesse des transformations électrochimiques augmente. L'accélération de l'écoulement au fur et à mesure du traitement et la réduction de la surface de contact avec les électrodes du fait de leur forme conique contribuent à une utilisation plus rationnelle de l'énergie électrique. La séparation centrifuge des particules solides dans une spirale ou hélice conique ne conduit pas au colmatage des alvéoles, cellules ou pores du diaphragme 7 étant donné que les particules se déplacent tangentiellement à lui. Le mouvement de rotation présentant une valeur réduite dans un plan perpendiculaire aux nervures 9 s'oppose à une adhérence intime des particules contre le diaphragme 7 tandis que la rotation circulaire de fluide autour de l'axe Waw retient grâce aux forces centrifuges les particules à la périphérie de la veine spirale.A la sortie de l'espace interélectrodes les inclusions solides et les dépôts insolubles des sels stécou- lent dans la capacité 13 destinée au rassemblement des dépits ou schlamms tandis que le fluide traité électriquement et purifié par action centrifuge de type hydrocyclone remonte et sort par les pipes 8 et 3. Après un certain remplissage de la capacité 13 par des dép8ts, on fait tourner tour à tour les volets 14 et 15 par exemple de 900C et on rejette les dépôts à la décharge. Les produits acides des réactions qui se forment dans la zone de l'électrode positive sont évacués par la pipe 17. Lesdits produits peuvent être utilisés pour la régulation des paramètres de la boue de forage au cours de son épuration. Les gaz qui se dégagent dans les zones d'électrodes sont évacués dans l'atmosphère par la pipe 18. Le traitement du fluide de gâchage dans la zone de l'électrode négative permet d'obtenir la valeur requise du pH de la boue de forage et d'éviter son traitement par certains réactifs chimiques. Le dispositif selon l'invention permet d'intensifier et d'améliorer le traitement par déplacement des couches de liquide dans plusieurs directions, d'augmenter la fiabilité de la séparation des inclusions solides et des dépôts insolubles du fluide traité, d'élever les indices économiques par une utilisation plus rationnelle de l'énergie électrique avec accélération de la circulation du liquide et réduction de sa surface de contact avec l'électrode au fur et à mesure de l'avancement du traitement. REVEND ICAT IONS 1. Dispositif pour la préparation de fluide de dilution, délayage ou gâchage des boues de forage comportant un corps, ayant une entrée et une sortie de ce fluide de gâchage, dans lequel sont disposées coaxialement des électrodes branchées sur une source de courant continu et séparées par un diaphragme c a r a c t é r i s é en ce que les électrodes sont exécutées sous forme de troncs de cônes et que dans l'enceinte de l'électrode intérieure le long de son axe géométrique est installée une pipe dont l'une des extrémités est réunie sans discontinuité à l'extrémité de l'électrode intérieure du côté de sa plus petite section et dans l'autre extrémité est réunie au départ du fluide de gâchage. 2. Dispositif selon la revendication 1 c a r a c t é r i s é en ce que sur la paroi extérieure de l'électrode intérieure, le long de ladite électrode, sont fixées des nervures suivant au moins une spirale. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2 c a r a c t é r i s é en ce que l'électrode extérieure, sur toute sa longueur, est percée d'un grand nombre d'orifices débouchants tandis que le diaphragme est plaqué à sa surface intérieure. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 c a r a c t é r i s é en ce que l'électrode extérieure est réunie par son extrémité de plus petite section par l'intermédiaire d'un joint diélectrique à une capacité destinée à recueillir les schlamms ou dépôts.