Brevet FR2474558A1 — publié le 19810731

La présente invention concerne un procédé amélioré de conso- lidation 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 gtre utilisé pour consolider localement des formations perméables. Diverses méthodes ont déjà été proposées pour empocher 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 pé- trole ou de gaz. Un premier type de méthode consiste à retenir le sable par un moyen mécanique, en utilisant des écrans artificiels à orifices ca- librés, ou des empilages de graviers ayant une répartition granulométri- que bien définie, selon la dimension des grains de sable de la formation 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 géo- logique, si une trop grande quantité de polymère est retenue dans cer- tains pores. On connaît par le brevet français no 1 409 599 un procédé pour la consolidation des sols dans lequel ces sols sont traités par des polymères huileux, renfermant des catalyseurs siccatifs tels que le cobalt, le fer, le plomb ou le manganèse 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 applicable à la conso- lidation des formations géologiques souterraines dont on souhaite main- tenir la perméabilité. Ce résultat est atteint avec un procédé assurant le contrô- le de l'altération chimique d'une substance polymérisable. 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 liquide avec une quantité donnée de gaz oxydant, de façon à transformer par une réaction exothermique ledit mé- lange 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 géo- logique 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 atteinte dans la formation au cours desdites réactions ne dépasse pas 350 C et soit, de préférence, comprise entre 1000 C et 3000 C. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on utilise en combinaison un hydrocarbure polyéthylénique et un catalyseur qui comporte au moins un élément du groupe constitué par le zirconium, le cérium, le lanthane et les lanthanides et au moins un élément, appartenant au groupe formé par le vanadium, le manganèse, le cobalt 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 atteint le ni- veau thermique permettant audit mélange organique de se polymériser effi- cacement 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'oxy- gène introduite dans la formation sont contrôlées afin de ne pas dépas- ser la température maximale qui conduirait à la dégradation de la subs- tance polymérisée. Le mélange organique utilisé dans le procédé selon l'inven- tion pourra avantageusement être constitué d'hydrocarbures polyéthyléni- ques obtenus par polymérisation de diènes ou de triénes éventuellement dilués par un solvant organique et additionnés d'un catalyseur tel que défini ci-dessus. L'hydrocarbure polyéthylénique utilisé sera avantageu- sement du polybutadiène. Les solvants utilisés seront constitués par exemple, par des hydrocarbures tels que benzène, toluène, xylèneou par une coupe pétrolière; la teneur en solvant sera avantageusement comprise entre 0 et 50 % pour limiter la réduction de réactivité due à la dilu- tion. 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 % I.;, 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 préféren- ce inférieure à 500 litres par mètre d'épaisseur de formation géologique; des quantités supérieures n'affectent cependant pas l'efficacité du pro- cédé 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'application de la méthode dans des réservoirs de gaz, le mélange gazeux oxydant uti- lisé 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'inflammabilité 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 mélange organique sera de préférence d'autant plus faible que la pression d'in- jection est plus élevée. La présence d'eau dans le mélange gazeux sera évitée par un traitement de séchage approprié, si nécessaire. Le dosage du mélange gazeux 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 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 mode de mise en oeuvre de l'invention, la référence 1 désigne une formation géologique sableuse traversée par un puits 2, qui comporte un cuvelage 3 muni de perforations 4 au niveau de la formation 1 dont on désire extrai- re 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'un polybutadiène additionné d'un catalyseur tel que défini ci-dessus, éven- tuellement en mélange avec un autre liquide organique tel qu'un solvant ou une coupe pétrolière, et d'un gaz oxydant 6, tel que l'air ou l'oxy- gène, 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, sensiblement 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 produc- tion 7, au-dessus de la formation 1. Dans la colonne de production 7, le gaz oxydant est séparé du mélange organique par un bouchon 8 d'une subs- tance 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 mélange organique qui, au contact d'un gaz oxydant, est capable de participer, dès la température de la formation 1, à une altération chimique condui- sant à la consolidation de ladite formation aux abords du puits. Le li- quide 5 est plus facilement altérable par le mélange gazeux oxydant,pour donner lieu à la consolidation,que les hydrocarbures contenus 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 avantageusement faire précéder l'injection du liquide 5 par l'injection de fluides tels que le xylène ou une coupe pétrolière et un alcool, tel que l'iso- propanol, 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 dégagement de ch'aleur provoqué par la réaction d'oxydation du liquide 5 ne dépasse 3500 C. On évite ainsi, selon l'invention, la combustion à haute tempé- rature du liquide organique 5, ce qui permet d'éviter la dégradation du polymérisat et d'assurer la protection des équipements du puits, notam- ment du cuvelage 3. L'efficacité du procédé selon l'invention est illustrée.par les essais suivants, lés caractéristiques de mise en oeuvre de ces essais n'ayant aucun caractère limitatif. E S S A I No 1 Un mélange intime de 10 parties d'un support minéral cons- titué de sable de carrière (80 %) et de kaolinite (20 %) et de 1 partie de polybutadiéne (viscosité = 750 cP) est tassé dans un tube vertical a paroi mince de 5 cm de diamètre sur une hauteur de 20 cm. Le massif préparé a une porosité de 37 % et la saturation en composé polyénique. est de 50 % du volume des pores. L'essai est réalisé à une température de 50 C et à la pression atmosphérique avec un débit d'air de 0,5 1/mn. Au cours de l'essai, d'une durée de 7 heures, on n'observe ni diminution de la te- neur en oxygène du gaz effluent, ni augmentation de la température. En fin d'essai, le massif n'est pas consolidé. E S S A I No 2: Un mélange intime d'un support minéral et de mélange organique liquide est tassé à la température ambiante dans un tube vertical a 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 du polybutadiène addition- né de 0,12 % poids de zirconium et de 0,06 % poids de cobalt sous for- me de naphténates et le support minéral est un sable de carrière. L'expérience 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 4 heures, la température s'élève à 1020 C. On vérifie après essai que le milieu est bien consolidé (résistance à la compres- sion égale à 86 bars) et que la perméabilité est conservée. E S S A I No 3: Un essai a été réalisé en utilisant comme mélange organi- que du polybutadiène additionné de 0,18 % poids de manganèse sous for- me d'octoate et de 0,12 % poids de zirconium sous forme de naphténate et comme support minéral un sable de carrière additionné de 5 % de kaolinite. L'expérience est effectuée sous une pression relative de bars avec un débit d'air de 3 litres par minute (conditions stan- dard), pendant 6 heures. On constate une élévation de température de C à 1580 C. On vérifie après essai que le milieu a conservé sa perméabilité et qu'il est parfaitement consolidé. Sa résistance à la compression est de 104 bars. E S S A I N: 4 Un mélange intime de sable de carrière et de polybutadiène additionné de 0,32 % poids de cérium et de 0,42 % poids de cobalt sous forme de naphténates est utilisé pour cet essai réalisé à 100 bars, la température initiale étant de 500 C. Un gaz oxygéné constitué d'un mélange air + azote contenant 4 % d'oxygène est injecté pendant 3,2 heures à un débit de 13,7 litres (conditions standard) par minute. La réaction se traduit par une éléva- tion de la température jusqu'à 3000 C. Le milieu obtenu en fin d'essai est très bien consolidé; sa résistance à la compression est supérieure à 200 bars. ES S A I NO 5: Cet essai est réalisé avec un massif constitué par du sable de carrière additionné de 20 % poids de kaolinite et par du polybutadiè- ne additionné de 0,3 % poids de cérium et de 0,42 % poids de cobalt sous forme de naphténates. La pression opératoire est de 100 bars et la température initiale est de 40 C. On injecte durant 5 heures 45 min un gaz conte- nant 2 % d'oxygène et 98 % d'azote à un débit de 10,3 litres (condi- tions standard) par minute. La température s'élève jusqu'à 1240 C. La résistance à la compression du milieu obtenu après essai est supé- rieure à 150 bars. E S S A I N 6: On ajoute de l'eau à un support minéral sableux contenant % de kaolinite de manière à obtenir un mélange ayant une teneur en eau de 7 % poids. Le mélange mis en place et tassé dans la cellule dé- crite pour l'essai no 2 est alors porté à 50 C. Un pétrole brut (densité égale à 0,87) est injecté pour saturer le volume libre de pores et constituer un milieu représentatif d'un réservoir pétrolier.Après déplacement partiel des fluides par des bouchons successifs d'essence,d'alcool isopropylique et d'essence,on in- jecte le mélange organique constitué de polybutadiène additionné de 0,3 % poids de cérium et de 0,4 % poids de cobalt sous forme de naphté- nates. La pression relative dans la cellule est alors portée à 100 bars et un gaz contenant 8 % d'oxygène et 92 % d'azote est injecté pendant 5 heures à un débit de 4 litres (conditions standard) par minute. La réac- tion se traduit par une élévation de température jusqu'à 216 C. Le mi- lieu obtenu a conservé sa perméabilité et est bien consolidé; sa résis- tance à la compression est de 62 bars. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Procédé de consolidation d'une formation géologique, dans lequel on injecte dans la formation un mélange organique liquide et un cataly- seur, ledit mélange étant capable de subir in situ, au contact d'un gaz oxydant, des réactions démarrant à la température normale de la forma- tion géologique et conduisant à l'obtention d'un produit solide qui con- solide cette formation, et on injecte un gaz oxydant en quantité suffi- sante pour obtenir une solidification sensiblement complète dudit liqui- de organique, cette quantité étant cependant limitée de façon que la température atteinte dans la formation, au cours desdites réactions, ne dépasse pas une valeur fixée à l'avance, caractérisé en ce que l'on réa- lise une consolidation suffisante de la formation sans affecter nota- blement sa perméabilité en utilisant en combinaison un hydrocarbure po- lyéthylénique et un c a t a 1 y s e u r qui comporte au moins un élément du groupe constitué par le zirconium, le cérium, le lanthane et les lan- thanides et au moins un élément appartenant au groupe formé par le vana- dium, le manganèse, le cobalt et le zinc. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments du catalyseur sont utilisés sous forme de sels solubles dans les cons- tituants de base du mélange organique liquide. 3. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange organique liquide contient un hydrocarbure polyéthylénique liquide. 4. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le mélange organique liquide contient du polybutadiéne liquide.