Brevet FR2489408A1 — publié le 19820305

La présente invention concerne les techniques de forage du sol et a notamment pour objet un procédé de diagraphie continue au cours de travaux de forage du sol. I1 est particulièrement avantageux d'utiliser l'invention lors du forage de trous de prospection géologique. L'invention peut aussi être appliquée avec succès dans la production de pétrole et de gaz, lors du forage de puits d'exploitation servant à déterminer la composition lithologique des roches en cours de perforation. A l'heure actuelle, la composition lithologique de roches en cours de perforation est déterminée en découpant et en extrayant du trou de forage un échantillon de roche à l'aide d'un carottier, puis en analysant sa texture et sa composition minéralogique. De telles méthodes sont caractérisées par une longue durée des travaux, de grandes dépenses de main-d'oeuvre et des frais importants. On connais des méthodes de détermination des caractéristiques tectoniques, de la structure et de la composition lithologique des roches d'après les graphiques de carottage électrique obtenus au cours du forage. Ces méthodes exigent elles aussi beaucoup de travail, car elles nécessitent la remontée de l'outil de forage, la descente de l'appareillage à l'aide d'un câble, puis 11 analyse d'après les données obtenues. On connatt des méthodes de détermination de la composition lithologique d'après les débris de forage remontés au jour par la boue. D'après les débris de forage on détermine par des méthodes de laboratoire la texture et la composition minéralogique des roches traversées. Ces méthodes connues donnent des informations peu précises, car on ne sait pas toujours de quelle profondeur proviennent les débris. De plus, la durée de l'étude de la composition minéralogique des échantillons de débris est longue. On s'est donc proposé de créer un procédé de diagraphie continue au cours de travaux de forage, dans lequel le paramètre physique exploité permettrait de déterminer rapidement, avec précision et d'une manière relativement simple la composition lithologique des roches en cours de perforation. La solution consiste en ce que dans le procédé de diagraphie continue au cours de travaux de forage avec emploi de boue de forage, d'après l'invention on soumet la boue injectée dans le forage à un traitement électrique unipolaire avec mesure simultanée de son potentielredox, on maintient celui-ci à une valeur constante prescrite, on mesure en continu le potentiel redox de la boue sortant du forage, on compare ce potentielàladite valeur prescrite du potentiel redox de la boue injectée dans le forage et, d'après leur différence, on détermine la composition minéralogique, à l'instant considéréJ des roches adjacentes au front de taille du forage en comparant la différence obtenue aux potentiels redox normaux connus des minéraux. Le procédé faisant l'objet de l'invention permet d'accroitre la précision de détermination de la composition lithologique des roches grâce au contact direct entre les roches et la boue, entre lesquellesse déroulent des processus d'échange d'ions provoquant des changements des paramètres principaux de la boue, notamment de son potentiel redox. En outre, le procédé faisant l'objet de l'invention simplifie et accélère la détermination de la composition lithologique des roches, car il supprime les opérations pénibles de prélèvement de carottes ou de débris, ainsi que les opérations liées au carottage électrique. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références au dessin unique annexé dans lequel - la figure I représente la courbe de variation du potentiel redox en fonction du rapport des activités de la forme oxydée a0x et réduite aréd de la. matière - la figure 2 représente un circuit de circulation de la boue de forage permettant de mettre en oeuvre le procédé conforme à 1 t invention. On sait que la boue de forage, sous Sa forme la plus générale, est un système liquide hétérogène dans lequel il y a obligatoirement des particules de phase solide, des ions de bas poids moléculaire et des poly-électrolytes polymères dont les molécules ont dans leur composition des groupes susceptibles de s'ioniser dans la solution. La présence de ces constituants dans la boue de forage détermine une série de propriétés particulièrement importantes au point de vue de la réalisation du forage.Il convient de citer parmi ces propriétés, en premier lieu, l'aptitude de boue 8 n'exercer qu'unie action physicochimique minimale sur les roches constituant la paroi du forage, de ne provoquer qu'unie perturbation minimale des processus thermodynamiques, chimiques et physiques se déroulant à 1'interface "forage-couche1,. Cette condition essentielle ne peut être satisfaisante quesila stabilité (ctest-à-dire la conservation de toutes les caractéristiques principales3 de la boue dans le temps ne se dégrade pas sous l'action des sels agressifs (résistance aux sels). Les polyélectrolytes (réactifs chimiques employés pour stabiliser les propriétés des boues de forage3 assurent la protection des particules et des phases du système de dispersion (boue de forage) contre l'influence nuisible du milieu ambiant pendant le forage. En outre, ils sont absorbés par les particules de phase solide, en formant une enveloppe de solvate et en permettant ainsi de considérer les propriétés de la surface solide comme étant celles d'une macromolécule bidimensionnelle de polyélectrolyte. Quant aux parties lyophiles de la surface des particules de phase solide, sur lesquelles les molécules des polyélectrolytes ne sont pas absorbées, elles leur sont tout à fait semblables du point de vue de leursproydUtdsphyGxo chiiiques. De meme que les véritables molécules de hauts polymères, elles comprennent des groupes susceptibles de s'ioniser dans la boue (silanols) et sont capables de nK à iurs surface des ions de bas poids moléculaire et des molécules d'eau d'hydratation. De la sorte, l'une des principales -conditions primordiales pour la détermination de la stabilité des boues de forage est l'appréciation de ltéquilibre physicochimique de leurs polyéctrolytes. Les dimensions des molécules de. polyélectrolytes, de même que leurs autres propriétés, peuvent varier dans des limites incomparablement plus larges que celles des macromolécules ordinaires. Les polyélectrolytes se disent en polyacides, polybases, polyamphibolites (copolymères ayant dans leur composition à la fois des groupes basiques et des groupes acides). Parmi les réactifs chimiques utilisés pour traiter les boues de forage, tous les groupes indiqués sont représentés. La majorité des polyélectrolytes contiennent des groupes faiblement acides ou basiques (par exemple, des groupes carboxyle tels que la carboxyméthylcellulose ou des groupes amine tels que l'hypane). C'est pourquoi signe ne peuvent s'ioniser qu'en présence d'une base forte (pour les polyacides) ou d'un acide fort (pour les polybases). Dans ce cas, la chaîne du polyélectrolyte porte des groupes chargés, tandis que le milieu ambiant contient des ions de bas poids moléculaire de signe contraire (anti-ions). Les propriétés des molécules de polyélectrolytes dans la boue sont déterminées par la présence d'une interaction électrostatique des groupes chargés entre eux et avec les ions de bas poids moléculaire de la boue qui, considérée dans son ensemble est d'ordinaire électriquement neutre. Les données experimentales (en particulier les essaims portant sur les phénomènes de transfert de Na marqué, ainsi que les mesures des coefficients d'activité des ions de bas poids moléculaire) ont montré que d'ordinaire une molécule de polyacide ou de polybase retient fermement auprès d'elle, sous l'action des forces électrostatiques d'attraction, un nombre important d'anti-ions solvatés (hydratés) constituant souvent plus de la moitié du nombre de groupes chargés de la chaine. La répulsion électrostatique des groupes portant des charges de même nom dans les polyacides et les polybases provoque un brusque changement des propriétés de conformation des macromolécules, avant tout une augmentation de leurs dimensions dans la boue, ce qui a d'ordinaire une influence favorable sur les indices de qualité des boues de forage. Les dimensions moyennes des molécules des polyélectrolytes peuvent, quand le degré d'ionisation croit, augmenter de cinq fois et plus. L'augmentation de la concentration des ions de bas poids moléculaire dans la boue (de la force ionique de la boue) diminue 'interaction des groupes chargés et rapproche les dimensions et d'autres propriétés des molécules des polyélectrolytes des propriétés correspondantes des macromolécules ordinaires. il s'ensuit une forte baisse de l'activité des molécules du polyélectrolyte. il ressort de ce qui précède que la variation de la concentration des ions de bas poids moléculaires dans la boue (sels, bases, acides minéraux) exerce sur les polyélectrolytes (et les portions lyophiles des particules de phase solide) une action dont le mécanisme est identique et gEsenmène à une variation de l'intensité et du caractère de l'interaction entre les groupe de macromolécules chargés et le milieu ambiant. Cette variation est étroitement liée à l'équilibre d'oxydo-réduction des molécules du polyélectrolyte dans la boue, puisqu'il détermine la possibilité de l'échange d'électrons entre la macromolécule et les ions de bas poids moléculaire, les atomes et les molécules qui l'entourent et constituent le milieu de dispersion de la boue de forage.C'est pour cette raison que le rapport des formes oxydée et réduite de la matière dans la boue de forage a une influence décisive sur la stabilité des molécules du polyélectrolyte et, par conséquent, sur la stabi lité de toute la boue de forage, sur sa résistance aux sels. En effet, toutes les réactions de variation de l'activi- té des composés organique s dans les boues de forage se ramènent à une variation Q degré (de l'état) d'oxydation des macromolécules des polyélectrolytes, par exemple en cas de destruction par thermo-oxydation de la carboxyméthylcellulose. Les réactions dites d'oxydo-réduction sont celles au cours desquelles il se produit une oxydation ou une réduction réciproque de diverses matières. L'oxydation des matières est liée à ltenlèvement d'électrons aux particules qui les constituent et la réductions à l'apport d'électrons auxdites particules. -Quand on plonge une électrode en métal inerte dans un liquide, il apparat à l'interface électrodesolution un potentiel d'oxydo-réduction, dit potentiel redox (red = réduction ; ox = oxydation). La valeur du potentiel redox d'un système caractérise l'intensité des processus d'oxydo-réduction se déroulant dans ce système et dépend du rapport des concentrations des formes oxydée et réduite des ions qui le constituent ou qui lui ont été apportés. En conséquence, pour déterminer la stabilité des boues de forage on peut recourir à la mesure du potentiel redox du système, caractérisant le rapport des constituants oxydants et réducteurs dans la boue. Le potentiel redox f d'une boue dans laquelle l'activité de l'oxydant est aux, et celle du réducteur, ares, se détermine d'après l'équation de Nernst étant le potentiel normal de l'électrode inerte (en platine, en or), mV R, la constante universelle des gaz T, la température, oK Z, le nombre d'électrodes participant à la réaction F ,le nombre de Faraday L12, 1-?. logarithme naturel. Cette formule permet de construire la courbe A de variation du potentiel redo@ # en fonction du rapport des zutrapport des activités des formes oxydée (inox) et réduite (ares) de la matière; l'allure de cette courbeestma sur la figure 1. Dans des conditions stationnaires, c'est-à-dire quand les conditions d'échange d'énergie avec le milieu ambiant neutre varient très lentement dans le temps, le potentiel redox de la boue de forage prend d'ordinaire une valeur d'équilibre correspondant au rapport aOX/ared = 0,5. Un indice aussi essentiel de l'activité chimique du système que son pH prend lui aussi, dans ces conditions, une valeur neutre, égale à 7. Tout changement de ces deux caractéristiques par rapport à l'état d'équilibre signifie queue système est énergétiquement instable et peut être le siège de réactions d'oxydo-réduction, tant au contact avec le milieu ambiant (roche de la paroi du forage), qu'entre les particules et les phases du système lui même. La roche constituant la paroi du forage contient, selon sa composition lithologique, une grande quantité de minéraux différents, qui, lorsqu'ils entrent en contact avec un électrolyte (en l'occurence, avec la boue de forage), modifient le potentiel redox de la boue, et ce, dans une plage assez étendue. Dans le tableau 1, donné plus bas, sont donnés à titre d'illustration les potentielsredox normaux tD correspondant aux réactions électrochimiques possibles entre les divers ions se trouvant dans le réseau cristallin des minéraux constitutifs de la roche et le liquide (eau, boue de forage). Ce tableau fait apparaitre que les différents minéraux présentent des différences de potentiel redox notables. De la sorte, si pendant le forage la boue de forage se trouvant à l'état d'équilibre entre en contact avec la roche du front de taille, connaissant la valeur du potentiel redox de chacune des roches constituant les couches du gisement on peut, d'après la variation de la valeur et du signe du du potentiel redox de la boue sortant du forage après avoir contacté la roche, déterminer la composition lithologique de la couche attaquée. tableau 1 Réaction Cr3+ + e - 0,41 Sn4+ + 2e + 0,153 Cru2+ + e + 0,167 Fe3+ + e + 0,771 Mn+ + e + 1,51 L'exemple concret mais non limitatif suivant est décrit pour mieux fixer les idées Pour déterminer la composition lithologique des roches en cours de perforation, on prépare une boue de forage initiale et on la soumet à un traitement électrique unipolaire, en mesurant simultanémentdans l'électrolyseur 1 la valeur de son potentiel redox En faisant varier la tension et le courant aux électrodes 2 et 3, on règle le potentiel redox à une valeur correspondant à 1'équilibre d'oxydo-réduction (pour les boues de forage cette valeur se situe e-ntre -1,6 et + 1,8V) D'ordinaire, lors de la préparation d'une boue de forage, selon le type d'argiles employées, ainsi que selon le type et les proportions des réactifs chimiques introduits dans la boue, le potentiel prédominant peut être soit oxydant, soit réducteur Pour le stabiliser, il taut traiter la boue soit dans la zone de l'électrode négative 2 (dans ce cas, les réactions chimiques se déroulant dans la boue auront un caractère réducteur), soit dans la zone de l'électrode positive 3 (les réactions chimiques auront alors un caractère oxydant). Les électrodes sont alimentées à partir d'une source de courant continu 4. Après avoir ainsi traité la boue, on maintient le potentiel redox à une valeur constante prévue par la technologie utilisée. La boue stabilisée est injectée dans le forage 5 par une pompe 6. Le contrôle de la stabilisation du potentiel redox de la boue traitée s'effectue au moyen d'un capteur 7, par exemple d'une électrode au calomel de Krjukov, raccordée à un appareil secondaire 8. Lors de la perforation de la roche 9, des réactions d'oxydo-réduction se produisent à l'interface boue-roche, par suite des processus d'échange d'ions entre la boue de forage et les minéraux constituant la roche attaquée. La boue de forage sortant du forage 5 arrive dans une capacité 10, dans laquelle un capteur 11 et un enregistreur 12 mesurent en continu le potentiel redox de la boue de forage après son contact avec la roche en cours de perforation. Ensuite on compare la valeur du potentiel redox de la boue de forage sortant du forage à la valeur prescrite du potentiel redox de la boue de forage injectée dans le forage. Connaissant les potentiels redox des minéraux constituant les roches sédimentaires, il est facile en les comparant à la valeur de l'écart du potentiel redox de la boue sortant du forage, de déterminer la composition minéralogique et lithologique, au moment considéré des roches en cours de perforation. La mise en oeuvre du procédé faisant l'objet de l'invention permet de réduire notablement la durée de la détermination de la composition lithologique des roches avec une précision suffisante, d'abaisser les frais, les dépenses d'énergie et les dépenses de main-d'Quvre, Le procédé proposé de diagraphie continue au cours du forage est d'une efficacité maximale dans la production de pétrole et de gaz, lors des forages de prospection et du forage de puits d'exploitation. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui ntå été donné qu'à 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. REVENDICATION Procédé de diagraphie continue au cours de travaux de forage avec emploi de boue de forage, caractérisé en ce qu'on soumet la boue injectée dans le trou de forage à un traitement électrique unipolaire avec mesure simultanée de son potentiel redox, on maintient ce dernier constant à une valeur prédéterminée, on mesure en continu le potentiel redox de la boue sortant du trou de fortage, on compare sa valeur à ladite valeur prédéterminée du potentiel redox de la boue injectée dans le trou de forage, et, d'après leur différence, on détermine la composition minéralogique à l'instant considéré des roches adjacentes au front de taille du trou de forage en comparant la différence obtenue aux potentiels redox normaux connus des minéraux.