Brevet FR2493910A1 — publié le 19820514

_-1 _ La présente invention se rapporte au domaine de l'extraction pétrolière et est relative à un agent de soutène- ment de fractures crées dans les parois d'un puits traversant des formations géologiques. Il est bien connu d'effectuer la stimulation des puits par fracturation des couches géologiques, par exemple en injectant un fluide à haute pression au niveau de la for- mation que l'on désire fracturer, puis en injectant des maté- riaux granulés solides (agent de soutènement) pour empocher les fractures de se refermer. De nombreux matériaux ont été proposés. Mais, dans les formations géologiques à grande profondeur, dont l'exploi- tation pour l'extraction de pétrole ou de gaz naturel se dé- veloppe, les contraintes s'exerçant sur les empilements de grains solides sont telles que de nombreux matériaux usuelle- ment utilisés, en particulier le sable siliceux ou des billes de verre, se fragmentent de façon importante. On constate que les fragments créés diminuent la perméabilité de la fracture. De ce fait, la production des formations fracturées décroit. Il a été observé par ailleurs que le comportement des agents de soutènement vis-à-vis des sollicitations rencon- contrées dans ce type d'opération n'est pas seulement en rap- port avec la résistance à l'écrasement des grains pris indi- viduellement. On a donc cherché des agents de soutènement ayant un taux de casse en lit multicouche plus faible. On trouve à l'heure actuelle, dans le commerce, des agents de soutènement constitués d'alumine ou de bauxite frittée. Egalement, la Demanderesse commercialise un agent de soutènement constitué de zircone et de silice dans des pro- portions telles que le rapport en poids ZrO2/biO2 soit d'au moins 1,5, de l'alumine et de l'oxyde de sodium pouvant être également inclus de façon facultative (voir les brevets fran- çais 2 506 327 et 2 359 274 et le brevet des Etats-Unis d'Amé- rique nO 4 072 193). Tous les agents de soutènement à haute résistance mécanique disponibles dans le commerce présentent des masses volumiques élevées, d'au moins 3300 Kg/m3 et pou- vant atteindre 3800 Kg/m3. L'injection d'agents de soutènement dont la masse - 2 - volucnique est élevée créé des difficultés de transport au fond des fractures du fait de leur vitesse de sédimentation dans le fluide de fracturation. Il faut donc employer des fluides plus visqueux et plus denses afin de limiter au maxi- mum la sédimentation et de permettre un placement progressif jusqu'au fond des fractures créées. Ces fluides ne donnent pas toujours les résultats les meilleurs (dégradation du fluide, endommagement de la formation) et sont, de plus, fort coûteux. Il serait donc intéressant sur les plans techniques et économiques de disposer d'agents de soutènement à haute résistance mécanique pour grandes profondeurs, mais d'une mas- se volumique inférieure aux valeurs rencontrées avec les agents de soutènement disponibles actuellement. Outre l'inté- r4t économique que présente l'utilisation d'un fluide de fracturation moins complexe, la baisse de la masse volumique des agents de soutènement entra nera une baisse de la vitesse de sédimentation et, par là, contribuera à une meilleure effi- cacité de l'opération en favorisant le placement des agents de soutènement dans une proportion plus importante de la fractu- re. Dans un fluide, la vitesse de sédimentation d'une particu- le solide est proportionnelle à la différence des masses vo- lumiques du solide et du fluide porteur. Toutes choses égales par ailleurs, la diminution de masse volumique d'un agent de soutènement de 3800 à 3200 Kg/m3 entra nera une baisse de la vitesse de sédimentation de 21% dans un fluide d'une masse volumique de 1000 Kg/m3 et de 24% dans un fluide d'une masse volumique de 1300 Kg/m3o L'objet de l'invention est de fournir un agent de soutènement à haute résistance mécanique, notamment en lit multicouche, d'une masse volumique inférieure à 3250 Kg/m3. Plus particulièrement, l'invention concerne un agent de soutènement granulaire à haute résistance mécanique, d'une masse volumique inférieure à 3250 Kg/m3, caractérisé en ce qu'il est constitué de billes formées par fusion, granulation et solidification d'une composition de départ comprenant, en poids sur la base des oxydes, 46 à 50 parties de ZrO2, 54 à 50 parties de SiO2, la somme ZrO2 +SiO2 totalisant 100 parties, O à 19 parties d'Al203 et O à 13,5 parties d'au moins un oxyde choisi dans le groupe formé par MgO, Cao, FeO et TiO2. De préférence, la composition de départ comprend 47,1 à 48,7 parties de ZrO2, 52,9 à 51,3 parties de 8i02, la somme de ZrO2 + Sio2 totalisant 100 parties, 8,2 à 1b,9 par- ties d'A1203 et 4,1 à 8,5 parties d'au moins un oxyde choisi dans le groupe formé par MgO, CaO, FeO et TiO2. La composition des billes est sensiblement identique à celle de la composition de départ. Les agents de soutènement dont la composition tombe dans la gamme large définie ci-dessus ont un comportement dans les essais de laboratoire décrits plus loin équivalent à celui des agents de soutènement à haute résistance connus jusqu'à des contraintes effectives de 70 MPa. Les agents de soutènement dont la composition tombe dans la gamme préférée définie ci-dessus ont des masses volu- miques comprises entre 3150 et 5250 Kg/m3 et un comportement équivalent à celui des agents de soutènement à haute résistan- ce connus actuellement, jusqu'à des contraintes effectives de 100 MPa, ce qui est supérieur aux contraintes effectives ren- contrées dans les gisements les plus profonds. La fabrication des billes de l'invention s'opère de façon classique0 La charge d'oxydes constitutifs ou de précur- seurs de ceux-ci (des matières minérales naturelles comme, par exemple, des silicates) peut être fondue dans un four électri- que. Un filet de matière fondue est granulé par soufflage (à l'air ou à la vapeur d'eau). On obtient ainsi des billes d'une grosseur de 0,1 à 4 mm, les granulométries les plus appropriées pour l'application comme agent de soutènement sont situées en- tre 0,25 et 2,0 mm. La fabrication de billes formées de ZrO2 et de SiO2 seuls avec un rapport ZrO2/Si0241 présente toutefois des dif- ficultés, comme indiqué dans le brevet français 2 320 276 ou le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 106 947. Aussi, afin d'éviter les problèmes rencontrés avec la fabrication de billes constituées de ZrO2 et SiO2 seuls, il est recommandé de partir d'une composition comprenant au moins 4 parties et, aussi, de préférence, au moins 1 partie d'au moins un oxyde choisi dans -4 - le groupe formé par MgO, CaO, FeO et Ti02o Avantageusement, on partira d'une composition contenant 8,2 à 16,9 parties d' 1203 et 4,1 à 8,5 parties de MgO, CaO, FeO et/ou TiO2, pour 100 parties du total ZrO2 + SiO2. L'incorporation de ces additifs, notamment dans la gamme préférée ci-dessus, facili- te la fusion de la composition de départ et permet une gra- nulation sous forme de particules en majorité sphériques avec un bon rendement. Aussi, la composition de départ préférée per- met de produire de la façon la plus économique (bon rende- ment) des agents de soutènement à taux de casse en lit multi- couche équivalent à celui des agents de soutènement à haute résistance mécanique mais de masse volumique plus élevées Les exemples non limitatifs suivants sont donnés en vue d'illustrer l'inventiono EXEMPLES 1 à 8 et TEMOINS DE COMPARAISON A à D: On a préparé par fusion, granulation et solidifica- tion,des billes sensiblement sphériques présentant la compo- sition et la masse volumique indiquées dans le Tableau 1 sui- vant qui indique aussi la valeur de certains rapports entre constituants. Des billes selon les exemples 1 à 8 et les témoins A à D ayant une granulométrie dans la gamme de 0,425 à 1,0 mm ont été soumis à un essai de mesure de la conductivité et à un essai de mesure du taux de casse. Les billes des exemples 1 et 2, bien qu'entrant dans le cadre de l'invention, présen- tent des difficultés de fabrication (mauvais rendement), ce qui les rend peu intéressantes sur le plan économique. L'essai de mesure de la conductivité est un essai classique qui consiste à mesurer la perméabilité k d'une couche de l'agent de soutènement, ayant une épaisseur initia- le h (6 mm), soumise à unepression p, vis-à-vis du passage d'air sous pression à 2000. La conductivité est égale au pro- duit kh et est mesurée en Darcymètres. A p = 70 MPa, la con- ductivité des agents 1 à 8 est de 0,95 à 1,1 Darcy-mètre (valeur sensiblement constante) et est semblable à celle des témoins C et D du commerce. Les agents A et B ont, par contre, une conductivité qui ch&te dès p = 30 MPa et, pour p = 70 MPa, ont une conductivité de moins de 0,2 Darcy-mètre. Les agents préférés 4, 5, 6 et et les témoins 0 - 5 - et D du commerce ont été testés jusqu'à p = 100 MPa, leurs conductivités respectives à cette pression de compaction sont égales à 0,78; 0,76; 0,72; 0,82; 0,68 et 0,78. La conductivité des agents de soutènement de l'in- vention soutient donc favorablement la comparaison avec celle des meilleurs produits du commerce et cela bien que leur masse volumique soit nettement inférieure. L'essai de mesure du taux de casse consiste à sou- mettre un lit multicouche de l'agent à tester, placé dans un cylindre en acier de 50,8 mm de diamètre fermé par un poinçon, à une pression de 70 ou 100 MPa selon le programme suivant: montée en pression en 1 minute puis maintien de la pression pendant 2 minutes. On tamise ensuite l'agent sur un tamis de 0,425 mm d'ouverture de mailles. Le pourcentage de matière passant à travers le tamis est le taux de casse. Dans l'essai à 70 MPa, les taux de casse sont les suivants: Agent 1 2 3 4 5 6 7 8 A B a D Taux de 0,6 1,8 1,9 0,9 0,5 0,6 0,8 0,4 19,1 9,3 0,5 0,5 casse, Dans l'essai à 100 MPa, les taux de casse sont les suivants: Agent 4 5 6 8 a D Taux de 2,1 2,9 2,5 1,4 3,5 3,2 casse,% La résistance des agents de l'invention, en particu- lier des agents préférés, à la compaction sous pression élevée soutient favorablement la comparaison avec celle des meilleurs agents de soutènement du commerce. Les essais sous 100 MPa soumettent les agents à des contraintes supérieures à celles effectivement rencontrées dans les gisements les plus profonds. TABLEAU 1 Composition, en parties en poids sur la base des oxydes Rapport en poids Masse volumique (Kg/m3) ZrO2 49,8 Zro2 1 SiO2 50,2 - _52 3240 I..Si02 ZrO2 SiO2 A1203 TiO2 Pe0 46,35 53,65 0,81 0,20 0,20 ZrO = 0,864 A1203 = 0,015 SiO2 TiO2+FeO = 0,008 SiO2 ZrO2 49,2 ZrO2 3i0o 50,8 So- = 0,969 3 Zri2 5 0,2 SiO22 3160 A1203 4,7 A1203 009 3o i = 0,093 SiO2 ZrO2 SiO2 A12 03 MgO 48,7 51,3 9,3 4,2 ZrO2 = 0,949 A1203 siO2 MgO = 0,082 SiO2 = 0,181 nb ms a vo o Exemples ! Oh I TABLEAU 1 (suite) Composition, en parties en poids sur la base des oxydes Rapport en poids Masse volumique (Ig/m3) ZrO2 47,1 ZrO2 SiO2 52,9 S2= 0,892 ggO =0106 3180 Ai 0160S2 2iO2 Ai 0,892 = 0,106 i2 331803 xgOo 5, 6 - i03 = O,306 ,, ,. , .. ,, ZrO2 zio2 8'02 A1203 TiO2 48,3 51,7 ,2 7,5 ZrO2 = 0,934 BiO2 Al0 =O SO = 0,198 TiO2 SiO2 I -4 I ZrO2 48;7 ZrO2 Zr2- 0,949 SiO2 51,3 SiO2 TiO2+FeO 7 Lz3 ', A2 si0 = 0,030 330 ALZ0B 03 SO TiO2 1,2 = 0,158 FeO 0,3 SiO2 ZrO2 48,7 ZrO2 0,950 8i02 51,3 --_- 05 93 b =CaO+TiO2 8| A1 3 _ =0,90|3210 8 Al205 12,2 0,101 CaO 4,1 SiO2,0 TiO2 1, 0 I Exemples N %; w o %O TABLEAU 1 (suite) Composition, en parties en poids sur la base des oxydes Rapport en poids liasse volumique (G/m3) ZrO2 41,1 ZrO2 A* SiO2 58,9 S iO 0698 A1203 0,6 2 TiO2+FeO 290 2 3AI 0 - 0$003 2950 TiîO2 0,1 23 = 0,010 SiO2,0 FeO 0,1 Sio2 - Zro2 Sio2 A1203 37,2 62,8 0,5 Zr2 Si.02 SiC2 0,592 0,008 o Co Billes de bauxite a (1) frittée 3730 (A1203-- 89.%) Billes à base de ZrO2 D (2) zircone et de sili- - = 2,2 3820 ce SiO2 Produit du commerce vendu sous la marque "High-Strength Proppant" par la Société CARBORUnDUM COMPANY Produit du commerce vendu sous la dénomination "E.R. 120 B" par la SOCIETE EUROPEENIME DES PRODUITS REFPACTAIRES Les produits A et B sont des produits expérimentaux en dehors du cadre de l'invention o -h ta Exemples (1) (2) * i -9 - REVENDICATIONS 1. Agent de soutènement granulaire à haute résis- tance mécanique, d'une masse volumique inférieure à 3250 Kg/m5, caractérisé en ce qu'il est constitué de billes formées par fusion, granulation et solidification, d'une composition de départ comprenant, en poids sur la base des oxydes, 46 à 50 parties de ZrO2, 54 à 50 parties de SiO2, la somme ZrO2 + biO2 totalisant 100 parties, O à 19 parties d'A1205 et O à 13,5 parties d'au moins un oxyde choisi dans le groupe formé par MgO, CaO, FeO et TiO2. 2. agent de soutènement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition de départ comprend au moins 4 parties d'A1203. 3o Agent de soutènement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la composition de départ comprend au moins 1 partie d'au moins un oxyde choisi dans le groupe for- mé par MgO, CaO, FeO et TiO2. 4. Agent de soutènement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition de départ comprend 47,1 à 48,7 parties de ZrO2, 52,9 à 51, 3 parties de Si02, 8,2 à 16,9 parties d'A1203 et 4,1 à 8,5 parties d'au moins un oxyde choisi dans le groupe formé par MgO, CaO, FeO et TiO2. 5. Agent de soutènement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il a une grosseur comprise entre 0,25 et 2,0 mm.