Brevet FR2556737A1 — publié le 19850621

La présente invention concerne le domaine de la cimentation des puits de forage, notamment des puits pétroliers. Lorsque l'on fore un puits au travers de formations souterraines afin de produire ou d'injecter des fluides, ce puits doit ttre cimenté, entre autres pour lui conserver son intégrité et conserver également le contrôle des fluides injectés; ou produits. Habituellement, pour la production de fluides, par exemple pour la production de pétrole brut, on descend un tubage d'acier dans le puits de forage. Ensuite, on prépare à-la surface un laitier de ciment présentant les propriétés adéquates, et on injecte ce laitier dans le tubage. Ce laitier de ciment est ensuite déplacé, c'est-à-dire que l'on injecte à sa suite un fluide de déplacement, jusqu'à quelques mètres au-dessus du sabot de tubage. La quasi- totalité du laitier de ciment est alors repousséedans l'espace annulaire existant entre le tubage et la paroi du puits. Lorsque le laitier de ciment est en place, on le laisse prendre et on laisse se développer sa résistance mécanique pour obtenir un bon maintien du tubage, une bonne liaison avec les roches de diverses compositions, et afin d'isoler de toute migration de fluides les zones respectives. On connaît un très grand nombre de formulations pour laitier permettant d'adapter les propriétés du laitier de ciment (principalement: densité, temps de prise ou d'épaississement, rhéologie, filtrat, eau libre, résistance à la compression, permgabi- lité, et résistance à la dégradation chimique) aux exigences des puits. Une bonne formulation de laitier de ciment est en parti- culier nécessaire lorsque l'on effectue la cimentation d'un puits foré au travers de formations salines, car les conditions d'équilibre entre le ciment et les zones salines sont difficiles à établir. Si ces conditions ne sont pas établies, on observe la dissolution des sels, la migration des alcalis dans le ciment, ce qui se traduit par un laitier à prise retardée (développement médiocre de la résis- tance mécanique) et donnant une liaison médiocre entre le ciment et les formations traversées. La présente invention propose une formulation originale de laitier de ciment, permettant d'amëliorer de manière décisive et surprenante la cimentation d'un puits traversant des formations salines, en ce qui concerne: - la résistance à la compression initiale et finale, - la possibilité de régler le temps d'épaississement, - la rhéologie, - les caractéristiques d'eau libre, - la compatibilité avec les sels de magnésium, - la compatibilité avec les formations se trouvant au- dessus ou au-dessous de la formation saline, et ne contenant pas ellesmêmes de sels, et - l'obtention d'une excellente liaison entre le ciment et les formations salines. On connait actuellement deux techniques principales pour réaliser une cimentation traversant des formations salines: on effectue la cimentation soit avec des laitiers contenant de très fortes quantités de sels (de 18 % en poids d'eau de mélange jusqu'à la saturation), soit des laitiers contenant des quantités extrême- ment faibles de sels (O % ou à peine quelques pour cent de sels par rapport au poids de l'eau de mélange). La première technique consiste donc à utiliser des ciments fortement salins. Etant donné que les formations salines sont forées avec des boues saturées en sels, il est apparu logique de réaliser la cimentation à l'aide de laitiers saturés ou presque saturés en sels'de manière que le laitier utilisé soit compatible avec la boue utilisée. Le principal avantage de cette technique est qu'il ne peut pas se produire de dissolution d'une quantité supplé- mentaire de sels provenant de la formation, ce qui conduit à une liaison entre le ciment et la formation qui est relativement bonne. Au contraire, ces laitiers fortement salins présentent de nombreux inconvénients qui sont tous extrêmement sérieux: 1. Le temps d'épaississement est difficile à régler car ces laitiers sont "intrinsèquement" retardés. 2. Ces laitiers sont toujours visqueux, et il est difficile d'adapter leur rhéologie à un écoulement turbulent. 3. Les valeurs du filtrat des laitiers fortement salins sont extrêmement élevées. 4. Les laitiers de ciment fortement salins ne sont pas compatibles avec certaines formations pouvant se trouver au- dessus ou au-dessous des formations salines traversées. Ainsi, la silice amorphe,que l'on peut trouver dans certaines formations de grès et dans des roches volcaniques acides, réagit sur les sels et forme des silicates alcalins expansibles qui peuvent totalement détruire la formation ainsi que le ciment. Ceci est connu sous le nom de "réaction silice-alcalind'. 5. Afin que les laitiers de ciment fortement salins puissent être pompés, ce qui peutdans quelques cas, tre très difficile, on doit habituellement ajouter à ces laitiers des quanti- tés élevées de plastifiantsretardateurs de prise. Ainsi, le laitier a plutôt tendance à prendre en gel plutôt qu'à subir une prise normale, et encore ceci ne survient-il qu'au terme d'une longue période d'épaississement. En conséquence, il existe une longue période durant laquelle le laitier n'est pas liquide et transmet à peine la pression hydrostatique vers la formation. D'autre part, ce laitier n'est pas encore assez résistant pour supporter et protéger le tubage. Etant donné que les formations salines traversées par le forage sont fortement plastiques et peuvent facilement s'écouler dans le puits de forage sous l'influence de la pression géostatique,il existe à l'évidence un risque d'écrasement prématuré dutubagedu puits. Ainsi, bien que cette solution puisse sembler logique, elle apporte en fait plus d'inconvénients que d'avantages. La seconde solution connue réside dans l'emploi des laitiers de ciment ne contenant pas de sels, ou seulement une très faible quantité de sels. Cette technique est plus récente. Il est beaucoup plus facile de contrôler les propriétésda laitsdc meMtde ce type. Ieurs prIrxpaux inconvénients sont les suivants: l)Afinde réduie la quantité de sels incorporée dans le ciment par abrasion de la roche, on doit pomper ce laitier très len- tement dans le puits. 2) N'anmnoins, malgré cette précaution, il se produira localement des dissolutions et donc des apparitions de concentrations élevées en sels. Etant donné que les concentrations en sels infé- rieures à 15 7. en poids de l'eau de mélange ont un effet d'accéléra- tion sur la prise du ciment, il est nécessaire, pour éviter le risque d'une prise prématurée, ou bien de prdmdlanger une certaine quantité de sels dans le laitier, ou bien d'utiliser des retardateurs de prise. Ces deux possibilités, lorsqu'elles sont mises en oeuvre, permettent tout au plus de déterminer le temps minimum d'épaississement. Etant donné qu'une absorption de sels se produit durant le déplacement du laitier et sa prise, le temps d'épaississement augmenterade manière imprévisible. Les laitiers de ciment ne contenant pas de sels ou seulement une faible quantité de sels, présentent une capacité élevée de dissolution des sels pouvant se trouver dans les roches avoisinantes. Ainsi, durant l'épaississement du laitier en regard d'une zone saline, la phase aqueuse du laitier pourra encore dissoudre certaines quantités de sels, ce qui se traduira par l'apparition d'un petit espace vide entre le ciment et les roches, ce qui déterminera une très médiocre liaison entre le ciment et la formation adjacente. Ainsi, bien que de tels laitiers ne contenant pas de sels ou seulement une faible quantité de sels améliorent certaines caractéristiques de la cimentation en zones salines, cette technique n'est pas non plus satisfaisante et est limitée à seulement quelques applications spécifiques. On notera encore que ces deux techniques connues ne peuvent pas être utilisées en présence de sels de magnésium dans la roche. La présente invention consiste en une composition de laitiers de ciment non saturée en sels, destinée ê la cimentation en zones salines, et dont les propriétés physiques ne sont pas influencées de-manière notable par l'introduction dans cette compo- sition de quantités supplémentaires de sels (dissous ou arrachés à partir des formations traversées), et permettant de créer une liai- son originale et très solide entre le ciment et les formations adjacentes, cette composition étant de plus compatible avec les sels de magnésium. La composition selon l'invention ne contient au départ qu'une faible quantité de sel (jusqu'à 18 % de NaCl en poids par rapport à l'eau de mélange). Ceci réduit notamment le risque d'une réaction silice-alcalins entre la composition et les formations se trouvant au-dessus ou audessous de la couche saline. L'invention réside essentiellement en deux points: 1) on ajoute au laitier de ciment une solution de silicate de sodium saturée. On augmente ainsi l'activité en silice; 2) on contrôle le temps de prise par un mélange de lignosulfonate avec soit du borax, soit de l'acide citrique. L'addition de cette solution à un milieu comprenant de l'eau salée se traduit par la formation d'un gel de silicate de sodium qui est dégradé dans des conditions de p'l basique. En consé- quence, ce gel n'est pas stable dans un laitier de ciment, ce qui permet d'obtenir une bonne rhéologie, par ailleurs non sensible à une augmentation de la salinité du laitier. La quantité de silicate de sodium dans le système selon l'invention doit être supérieure à une limite que l'on peut fixer à environ 35 /lit de laitier. Néanmoins, pour une concentration donnée en NaCl, l'addition de silicate de sodium à l'eau de mélange est limitée, car plus on ajoute de silicate de sodium à l'eau salée, plus il se forme de gel de silicate de sodium, ce qui réduit l'aptitude au mélange du ciment et de sa phase aqueuse. La concentration en silicate de sodium pourra donc être limitée à environ 150 1/t de laitier, cette concentration supé- rieure conduisant encore à de bonnes caractéristiques de mélange. Les laitiers de ciments riches en silicate de sodium sont accélérés et sont donc en gnéral difficiles à retarder. On résout ce problème selon la présente invention par une combinaison d'un retardateur de type lignosulfonate (environ 1,5 1/t de laitier) et de borax (0,5 à 2,0 %/) ou d'acide citrique (0,1 à 0,4 %), quipermet de régler facilement le temps d'épaississement du système selon l'invention. On se référera dans'ce domaine au tableau I ci-après. Ce tableau I montre que les retardateurs de prise de type ligno- sulfonate (modifié ou non) et borax ne conviennent pas s'ils sont utilisés seuls. Par contre la combinaison des deux permet d'avoir à la fois un contrôle du temps de prise et une bonne rhéologie. Le tableau 1 montre aussi que l'acide citrique permet de bien contrôler le temps de prise. Cependant, aux basses tempéra- tures, les concentrations requises en acide citrique sont relati- vemnent critiques: une faible variation en acide citrique entraIne de larges variations dans le temps d'épaississement. Donc pour des raisons pratiques on préférera utiliser la combinaison lignosul- fonate/borax à températures faibles ou moyennes, et l'acide citrique à hautes températures ou en présence de sels de magnésium. Lorsque l'acide citrique est utilisé,il est préférable de l'utiliser en combinaison avec un dispersant (polynaphtalène-sulfonate de sodium) et/ou un autre retardateur comme les lignosulfonates modifiés de façon a avoir une bonne rhéologie (seuil de cisaille- ment inférieur à 2,5 Pa) sans avoir un temps d'épaississement démesurément long, ce qui serait contraire à l'objectif souhaité. Les compositions selon la présente invention donnent lieu à des réactions originales au niveau de l'interface entre le ciment et les roches traversés. 1. Etant donné que les activités du silicium (addition de silicate de sodium), du calcium (à partir des matériaux de cimen- tation) et des alcalis (addition initiale de sel, et alcalis prove- nant des couches adjacentes) sont suffisantes au voisinage immédiat de l'interface entre le ciment et la couche saline, il se forme des minéraux fibreux tels que par exemple Gismoadine et Pectolite (ces deux minéraux sont extrêmement stables en pH basique) qui conduisent à une excellente liaison entre le ciment et la formation saline. Cette liaison est tout à fait originale et caractéristique de l'invention. Etant donné qu'au niveau du contact entre la couche saline et le ciment on doit s'attendre à une forte activité du chlore, ces minéraux contiendront également une certaine quan- tité de chlorures. 2. Les phases ferritiques et aluminiques réagiront également avec les ions ch]orure pour former des composés de formules 3Ca (A1, Fe) 204.CaC12.10H20 et 3Ca (A1, Fe) 204.3CaCl2. H20. Ces réactions vont consommer une quantité supplémentaire des ions chlorure mobiles. 3. L'hydratation du ciment ainsi que les réactions mentionnées ci-dessus consomment une certaine quantité d'eau. Etant donné que la solution interstitielle correspondant au système selon l'invention est fortement concentrée en ce qui concerne la silice, la phase aqueuse va devenir sursaturée en silice, ce qui conduit à la précipitation d'un gel de silice contenant une certaine quantité de NaCI. On sait qu'un tel gel constitue un agent d'étanchéification très efficace et un durcisseur très efficace du ciment. Ainsi, tandis que, dans les techniques connues anté- rieurement, on obtenait, entre autres inconvénients, une très médiocre liaison entre le ciment et les roches salines,voire même la créaction d'un espace vide entre le ciment et les roches, on constate qu'il se forme selon la présente invention une précipitation- de minéraux et la formation d'une transition fibreuse entre le ciment et la couche saline, l'ensemble conduisant à une liaison originale et très solide entre le ciment et la roche. En dehors de ce point capital, les avantages principaux obtenus selon l'invention peuvent être résumés de la manière suivante: 1. Temps d'épaississement: Le temps d'épaississement peut être facilement adapté à la plupart des contraintes nées des conditions de pompage ou du puits luimême, depuis une période qui peut être inférieure à 1 heure jusqu'à plus de 7 heures (tableau I ci-après). On constate que si l'on ajoute une quantité supplémen- taire de sels à la composition pour laitier de base (afin de simuler l'absorption ou la dissolution de sels lorsque l'on pompe le laitier le long d'une formation saline) cette augmentation de la salinité n'a pratiquement aucune influence sur le temps d'épaississement. Seules de grandes quantités de sels de magnésium affectent de manière notable le temps d'épaississement, mais ceci peut être facilement - compensé par l'addition de la combinaison retardatrice lignosulfonate/ acide citrique décrite plus haut. 2. Résistance à la compression: Le système selon l'invention conduit & l'obtention d'une résistance a la compression aux jeunes Qges qui est supérieure à celle obtenue dans les systèmes classiques: La résistance à la compression selon l'invention est supérieure d'environ 30 % au terme de 8 heures (plus de 13 mPa au lieu de moins de 10 vPa dans l'art antérieur) et est supérieure d'environ 20 X au terme de 24 heures de-durcissement (tableau I ci- après, compositions 10 et 11). Même les laitiers selon l'invention qui ont été retardés (temps d'épaississement d'environ 3 hepres) présentent encore des caractéristiques de résistance à la compression au terme de 24 heures (environ 30 mPa) qai ne peuvent pas être obtenues paz les laitiers classiques pour cimentation de zones salines. 3. Propriétés rhéologiques: La présente invention permet d'obtenir une excellente rhéologie, compatible-avec des déplacements turbulents et des taux de pompage élevés (tableau I ci-après). On peut obtenir facilement un seuil de cisaillement inférieur à 1,3 Pa et des viscosités plas- tiques d'environ 3,5 Pa.s, même à une concentration en sels attei- gnant 30 % en poids par rapport à l'eau de mélange (tableau I, compo- sitions n 10 et 11). Meme avec une contamination magnésienne de 3 % de MgC12, (que l'on peut rencontrer si le laitier est pompé dans une formation qui contient des sels marins comme la Carnallite, la Bischofite, et/ou la Tachyhydrite), des quantités convenables d'acide citrique maintien- dront le seuil de cisaillement à environ 0,6 Pa sans que cela n'in- fluence de manière notable le temps d'épaississement ni la résistance à la compression (tableau I, composition n 19). Les compositions de laitier selon l'invention sont donc totalement compatibles avec les sels de magnésium, tandis que, dans l'art antérieur, la présence de sels de magnésium se traduit par une prise prématurée. En fait, selon les techniques actuelles, s'il existe du magnésium dans les roches traversées, on ne sait pas effectuer une cimentation correcte avec du ciment Portland. Si aucune dissolution de sels de magnésium n'est à craindre, les systèmes selon l'invention seront de préférence retardés par du borax au lieu de l'acide citrique (toujours en combinaison avec le lignosulfonate) car le borax permet de meilleures propriétés rhéologiques même à hautes températures. 4. Eau libre: Le phénomène d'eau libre ne pose aucun problème si l'on emploie les systèmes selon l'invention, puisque aucune des formu- lations essayées n'adonné lieu à plus de 1 % d'eau libre. 5. Filtrat: Les propriétés de filtrat des laitiers selon l'invention peuvent être contrôlées dans une certaine mesure par un polymère sulfoné. Cette possibilité dépend de l'importance du contrôle à réaliser, et est à mettre en balance avec le degré de liaison avec la formation saline qui semble nécessaire. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toute- fois en limiter la portée. A. Préparation du laitier: La préparation du laitier, la détermination du temps d'épaississement, et la détermination de la résistance à la compres- sion ont été effectuées selon la norme API 10. La viscosité plastique et le seuil de cisaillement ont été calculés par la méthode des moindres carrés sur la base des lectures au viscosimètre FANN à 600, 300, 200, 100 tr/min. Tous les laitiers sont à base d'un ciment Dykerhoff Class G, Red Label (étiquette rouge) (type tropical). Les laitiers ont été préparés par mélange des chlorures et des additifs liquides dans l'eau de mélange, et des autres additifs, qui sont solides, avec le ciment. B. Les additifs: Dans le tableau ci-apres, les abréviations ont les significations suivantes: A: solution de silicate de sodium (30-32 Bé) A*. retardateur de type lignosulfonate, modifié. B: dispersant utilisé de manière classique dans les formulations pour cimentation de puits pétroliers, consistant en le sel de sodium du produit de conden- satien de naphtalènesulfonate et de formAldéhyde. C: borax D: acide citrique E: chlorure de sodium F: chlorure de magnésiumr [-s-ea Z_0o] D6ap OZ Y 31OI&SvTd 3LISODSIA (p OE [etd D6ap oz v LN3U;3T1IYSID aa tinas cc sa2lnaq SZ: j:313SSI'1I3ISA sa SdiL3j úL$5S alnpegos issaL q5Bue2iS 6ute2ado,, !: badS IdV uOTas NOISSSUdIOD YiY SDNVLSIS3E (z ç6L aInpaqzs 'eaw 5utuaTUGDtq4 BUTZe2adO. : 01 adS I&v UojaS lMlu3SSISSIda Sd13L (I S'E 9'0 t8Z 9SI E 81 ú,0 - "V1 Z'l S'l9 61 6'XZ S0 8',ú OOú - 8l 80 - W'' Z'T 0'19 8T L'ú 6T'- IftZ L9Z 81 Z'0 - tl'- -'l 019 LI 6-ú 9'8 S'6Z SoZ - si 'O - -'P r'l O'19 910t 9S' 6'&I 84LZ s 8i - S'l tvt' 'I 0'19 Sl T'Z '1 S'úZ ZEI - 8i - S'! tv'' t-' PIL t9 LZ L'0 O'6Z 6 - 81 - OI -'1 -"! t'ILEl 6'Z 8'0 Z'ot 8L - 8! - SL'0 1P'? t61 t1IL Zl C' L'8 S'91 Sl - DE - ' - - TT'- ç S'ú Cú' L'1Z 8 - - DE - PO' V'! 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Composition selon la revendication à1, caractériséeen ce qu'elle contient comme adjuvant un silicate de sodium an quantité comprise entre environ 35 1/t de laitier et environ 150 1/t de laitier. 3. Composition selon la revendication 1 ou 2, carac- térisée en ce que la quantité de sels présente au départ est infé- rieure à 18 % NaCl en poids d'eau de mélange. 4. Compositions selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractériséesen ce qu'elles contiennent de plus une combinaison retardatrice de lignosulfonate et de borax ou d'acide citrique. 5. Composition selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée en ce que le lignosulfonate est présent à raison d'environ 1,5 l/t,.le borax est présent à raison de 0,5 a 2,0 % en poids du laitier et l'acide citrique est présent à raison d'environ 0,1 à 0,4 % en poids du laitier. 6. Compositionsselon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractériséesen ce qu'elles contiennent de plus les autres additifs classiques pour composition de cimentation. 7. Procédé pour cimenter un puits de forage, notamment un puits pétrolier caractérisé en ce que l'on injecte dans l'espace annulaire, d'une manière connue, les compositions selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6.