Brevet FR2553820A1 — publié le 19850426

La présente invention se rapporte d'une façon générale au domaine du forage rotatif de puits et elle concerne plus particulièrement un procédé pour empêcher l'apparition d'un collage sur paroi par effet différentiel lors du forage rotatif de puits d'hydrocarbures. Lors du forage rotatif de puits d'hydrocarbures1 un train de tiges de forage à l'extrémité inférieure duquel est monté un trépan est entrainé en rotation pour forer le trou à l'aide du trépan. On fait circuler un fluide de forage vers le bas dans le train de tiges creuses de forage, le fluide sortant au travers du trépan et revenant à la surface par l'intervalle annulaire existant entre le train de tiges de forage et la paroi du trou foré. La rotation du train de tiges de forage et la circulation du fluide de forage sont sensiblement continues en cours de forage, en étant interrompues pour des opérations essentielles comme l'addition d'un tronçon supplémentaire de tige de forage à la partie supérieure du train ou bien lorsque l'ensemble du train de tiges de forage est démonté et tiré hors du trou foré.Périodiquement au cours d'interruptions de l'opération de forage et également à sa terminaison, des outils de fond de trou tels que des outils de carottage, sont introduits dans le trou et sont ensuite récupérés, et un tubage est inséré dans le trou et fixé en position. Un collage sur paroi par effet différentiel peut se produire quand le train de tiges de forage, un outil de fond de trou ou un tubage est laissé immobile en s'appliquant directement contre un terrain perméable en la présence d'un gradient de pression de fluide de forage supérieur au gradient de pression de fluide du terrain perméable. Dans la Fresque totalité du forage rotatif, le poids du fluide de forage est tel qu'une différence de pression importante est établie entre le fluide de forage et le fluide de terrain en s'opposant à des écoulements dans le terrain. Pendant des opérations de foraqe. cette différence de aradient de les liquides - - pression fait en sorte que/dufluide de forage s'ecoulent du trou foré dans le terrain perméable, en déposant un cake de filtration composé de solides du fluide de forage sur la paroi du trou.Lorsque la rotation et la circulation cessent et que le train de tiges de forage s'appuie contre la paroi du trou, la pression différentielle fluidique continue à accumuler le cake de filtration sur le coté du train de tiges de forage. Occasionnellement, ce cake de filtration forme un joint étanche le long du côté du train de tiges de forage qui est adjacent à la paroi du trou, en empechant l'application du gradient de pression de fluide de forage sur ce caté enrobé de la tige de forage. Le risque de formation d'un tel joint est augmenté lorsque le train de tiges tournant a précédemment formé par érosion une rainure verticale dans le cake de filtration ou la paroi du trou et lorsque le train de tiges de forage est laissé immobile dans cette rainure. Au contraire le gradient de pression de fluide de forage agissant sur le côté opposé exposé du train de tiges de forage est contrebalancé seulement par le gradient de pression de fluide de terrain1 ce qui se traduit par une force résultante égale à la différence de pression fluidique appliquée sur la zone enrobée du train de tiges de forage qui est isolée du fluide de forage. Cette force résultante maintient le train de tiges de forage appliqué contre le cake de filtration. La force nécessaire pour pousser, tirer ou faire tourner le train de tiges de forage est égale à cette force résultante multipliée par le coefficient de frottement entre le cake de filtration et le train de tiges de forage. Cette condition est appelée " collage sur paroi par effet différentiel " et elle peut également se produire pendant l'utilisation d'outils de fond de trou et la pose de tubage. La pratique couramment adoptée pour dégager des tiges de forage, des outils de fond de trou et un tubage collés consiste à rétablir d'abord la circulation du fluide de forage vers le bas de la tige de forage et vers le haut dans l'intervalle annulaire. Des lubrifiants ou agents de mouillage sous pression extreme, avec ou sans huile,sont alors ajoutés au fluide de forage. La différence entre les pressions du fluide de forage et du fluide de terrain continue à refouler les liquides du fluide de forage au travers du cake de filtration vers le terrain perméable, en permettant à ces lubrifiants ou agents de s'infiltrer dans le cake de filtra tion.Ils provoquent une réduction du coefficient de frottement entre le cake de filtration et la tige de forage ou bien ils désagrègent le joint étanche existant entre eux, en permettant l'application du gradient de pression de fluide de forage plus élevé sur le coté de la tige de forage qui est noyé dans le cake de filtration, en réduisant ainsi la force nécessaire pour dégager le train de tiges de forage collé. Cependant ce procédé n'empêche pas l'apparition ou la réapparition du collage sur paroi par effet différentiel. Le brevet US ne 4 063 603 décrit un procédé d'addition de granules de matière plastique de faible densité au fluide de forage pour créer un effet de roulement à billes et pour réduire le couple, le frottement et l'usure sur le tubage et le train de tiges de forage. Les granules de matière plastique sont relativement mous ; en conséquence ils peuvent se déformer sous pression et peuvent plus aise- ment subir une abrasion. Leur mdlesse relative empêche également des granules en matière plastique noyés dans le cake de filtration d'interdire l'érosion d'une rainure verticale dans le cake de filtration ou la paroi du trou.Leur faible masse spécifique provoque leur flottation à moins qu'ils soient utilisés dans un fluide de forage de faible densité qui ne convient généralement pas pour les températures élevées rencontrées en fond de trou dans des puits profonds. Les granules en matière plastique se ramollissent eux-mames à des températures élevées, ce qui limite leur utilisation. Le lubrifiant pour fluide de forage à petits granules de verre qui a été décrit dans le brevet US n" 4 123 367 n'a pas pour but de résoudre, et ne résout pas le problème du collage sur paroi par effet différentiel. Dans ce brevet, on utilise des granules de verre ayant des dimensions de particules comprises entre 44 et 88 microns. On les ajoute au fluide de forage en circulation en concentrations de 6 à 23 g/l pour réduire le couple de rotation et le frottement. Ils sont bien trop petits pour empecher la formation d'un joint étanche entre le train de tiges de forage et le terrain. En conséquence l'invention a pour but de créer un procédé pour empêcher l'apparition d'un collage sur paroi par effet différentiel. L'invention a en outre pour but de-créer un procédé pour réduire l'importance d'un collage sur paroi par effet différentiel pouvant se produire. L'invention a également pour but de créer un procédé de traitement de zong individuellgde collage posai ble pour interdire l'apparition d'un collage sur paroi par effet différentiel dans cette-zone. L'invention a en outre pour but de créer un procédé pour noyer des granules de verre dans le cake de filtration formé dans une zone de collage possible sur paroi par effet différentiel afin de réduire la possibilité de formation par le cake de filtration d'un joint étanche avec le train de tiges de forage. L'invention a pour but de créer un procédé empêchant l'apparition d'un collage sur paroi par effet différentiel lors du forage rotatif de puits d'hydrocarbures. Le point d'écoulement du fluide de forage est mesuré et, si nécessaire, il est augmenté d'une maniere connue jusqulà une valeur minimale calculée à partir du poids du fluide de forage de façon que des granules de verre sensiblement sphériques et solides et ayant une masse spécifique comprise entre 2,4 et 2,65, un diamètre compris entre 0,25 mm et 4,8 mm et une dureté de 5-,5 Mohs placés dans celui-ci ne s'agglomèrent pas et de 28 à 140 g/l de granules de verre sont ajoutés à une certaine quantité du fluide de forage. Un bouchon du mélange de granules de verre et de fluide de forage est ensuite introduit dans le puits dans une zone adjacente à une zone de collage possible qui a été identifiée précédemment de façon qu'un nombre substantiel des granules de verre puisse,ltêtre dépose dans le cake de filtration en revêtant le trou foré dans une zone adjacente à la zone de collage possible. La presence des granules de verre empêche la formation d'un joint etanche entre un train de tiges de forage, un outil de fond de trou ou un tubage et le cake de filtration, cette étanchéité étant nécessaire pour l'apparition du collage sur paroi par effet différentiel. Dans un autre procédé, le mélange de granules de verre et de fluide de forage est pompé dans le trou foré sans identification de zones de collage possible. Un collage sur paroi par effet différentiel risque le plus de se produire lors du forage rotatif d'un puits d'hydrocarbures lorsque le trou foré traverse un terrain perméable où la pression de fluide de terrain est bien inférieure à la pression de fluide de forage à cette profondeur. Cette condition conduit à une accumulation rapide sur la paroi du trou d'un cake de filtration formé de solides du fluide de forage, à mesure que la différence entre les pressions fluidiques refoule les liquides du fluide de forage foré au - - - - - - ut prou /serran. a permeaDiiire au terrain permet aux liquides du fluide de forage d'être drainés hors du trou foré sans augmentation sensible de la pression fluidique de terrain de sorte que la formation du cake de filtration dans ces zones est continue. La perméabilité du terrain permet une progression rapide du cake de filtration autour du train de tiges de forage lorsque la rotation et la circulation sont momentanément arrêtées et lorsque le train de tiges de forage repose sans mouvement contre la paroi du trou.A mesure que le cake de filtration s'accumule, l'écoulement de liquide du trou foré vers le terrain est réduit par llépais seur du cake de filtration. La baisse de pression entre la pression du fluide de forage dans le trou foré et la pression du fluide de terrain s'établit au travers du cake de filtra- tion. En des points situés à l'intérieur du cake de filtras tion entre ses surfaces intérieure et extérieure, la pression a une valeur intermédiaire entre celles existant dans le trou et le terrain. Lorsqu'un trou est foré au travers daun terrain perméable où la pression fluidique régnant dans celuiaci est sensiblement inférieure, le terrain constitue une zone possible de collage sur paroi par effet différentiel. Souvent l'apparition d'un collage sur paroi par effet differentiel pendant le forage précédent de puits adjacents identifiera ces zones avant qu'un nouveau puits soit commencé. En outre, l'exploitation d'un terrain contenant des hydrocarbures par des puits adjacents peut réduire la pression fluidique dans ce terrain, en créant une zone potentielle de collage sur paroi. A d'autres moments, les zones peuvent être identifiées pendant le forage du puits existant par l'apparition d'un collage sur paroi pareEfet différentiel.Dans tous les cas, une fois qu'une zone possible de collage a été localisée, le procédé selon l'invention peut être utilisé pour empecher un collage sur paroi par effet différentiel dans la zone où un train de tiges de forage, un tubage et des outils de fond de trou sont utilisés dans le trou foré non tubé. La matière préférée utilisable avec le procédé conforme à l'invention est constituée par des granules de pleins verre/sensiblement sphériques ayant une masse spécifique comprise entre 2,4 et 2,65, une dureté de 5,5 Mohs et un diamètre compris entre 0,25 et 4,8 mm. De préférence, les qranules de verre sont exempts d'inclusions de gaz et sont crown-glass composes owun verre,ae naute quaiite, cnimiquement resistant et du type calcosodique ayant une teneur en silice supérieure à 67 %. Dans le procédé de la présente invention, la densité et le point d'écoulement du fluide de forage utilisé dans le puits sont mesurés. On a trouva que, si le point d'écoulement est trop faible, les granules de verre ont tendance a se déposer. On a trouvé qu'il existe une relation numérique entre la densité du fluide de forage et le point d'écoulement minimal du fluide de forage, qui réduit la tendance des granules de verre a se déposer. La valeur numérique mesurée pour le point d'écoulement en kg/m2 et multipliée var 20,5 ne doit pas être inférieure de plus de quatre unités a la valeur numérique de la densité, mesurée en kg/litre et multipliée par 8,33.Si cet impératif n'est pas satisfait par les mesures initiales du fluide de fora gazon doit augmenter le point d'écoulement d'une manière connue, par exemple par addition d'argile de bentonite, jusqu'a ce que la relation soit satisfaite. Les granules de verre sont ensuite ajoutés å 7 une certaine quantité de fluide de forage La concentration préférée des granules de verre est comprise entre 28 et 140 grammes par litre de fluide de forage Ce mélange de granules de verre et de fluide de forage est introduit dans le trou foré dans une zone adjacente à une zone de collage possible, par pompage d'un bouchon du mélange dans le -ras-n de tiges de forage et en le faisant déplacer jusque ans non une une position adjacente a ladite zone du trou/ L'ecoulement des liquides du fluide de forage vers le terrain perméable dans la zone de collage possible incorpore les solides du fluide de forage, notamment les granules de verre dans le cake de filtration recouvrant la surface du trou foré non tubé dans une zone adjacente à la zone de collage possible Bien que le mode et d'intervention des granules de verre pour empecher l'apparition d'un collage Sllr' paroi par offet différentiel ne soit pas connu ? on estime que leur présence dans le cake de filtration empêche la formation d'un point étanche entre le cake de filtration et le train de tiges de forage.Une telle étanchéité est nécessairs pour permettre l'apparition d'un collage sur paroi par cet différentiel, du fait que le joint empêche la pression supérieure du fluide de forage d'attendre et d'agir su la parie du train de tiges oui est noyée dans le cake defiltration. On estime également que la présence des granules de verre dur dans le cake de filtration empêche, à cauae de leurs surfaces sphériques et lisses, la formation de rainures verticales dans la cake de filtration e- la paroi du trou Dans une variante du procedé confo@me à l'invention, une certaine quantité du mélange de granules non tubé de verre et de fluide de forage est pompée dans le trou foré/ sans identification initiale des zones de collage possible. Les granules de verre s'incorporent d eux-mêmes au cake de trituration dans le trou non tubé L'écoulement des liquides de fluide de forage, du trou foré vers le terrain environnant, et par conséquent 1 accumulation des solides du fluide de forage dans le cake dc filtration, sont plus grands dans les zones de collage possible e- cause de la porosité et de la faible pression fluidique de e terrain. En conséquence, les granules de verre sont concentrés dans le cake de filtration dans des endroits adjacents aux zones de collage possible, où ils seront les plus efficaces pour empêcher l'apparition du collage sur paroi par effet différentiel. Le procédé conforme à l'invention procure plusieurs avantages distincts par rapport aux procédés courants de traitement du problème du collage sur paroi par effet différentiel. Ce procédé empeche l'apparition de cette difficulté alors que le procédé préféré à l'heure actuelle agit seulement de façon à résoudre le problème après qu'il s'est produit. Les granules'de verre sont inertes et n'affectent pas les propriétés des fluides de forage à base d'eau ou d'huile. A la différence des granules en matière plastique, ils ne sont pas affectés par les températures régnant en fond de trou et pouvant atteindre 730oC. Ils ne flottent pas mais, lorsqu'ils sont correctement utilisés, ils restent en suspension dans un fluide rendu visqueux. La dureté des granules de verre les empêche d'être usés par la rotation du train de tiges de forage en acier contre eux. Leur forme sphérique anti-abrasion réduit l'usure ou les dommages du train de tiges de forage. Les granules inertes ne se décomposent pas en la présence de substances chimiques caustiques. Le procédé selon l'invention agit également de manière à réduire le degré de collage sur paroi par effet différentiel dans les circonstances où il se produit. On estime que les granules réduisent au minimum la surface du train de tiges enrobé qui est isolée de façon étanche de la paroi du trou par le cake de filtration, en diminuant ainsi la force nécessaire pour dégager le train de tiges collé, Puisque les granules de verre sont inertes, on peut utiliser l'un quelconque des procédés actuellement préférés pour dégager un train de tiges collé, en coopération avec les granules de verre, sans effet perturbateur. L'utilité et les possibilités d'application pratique de l'invention sont illustrées dans les exemples suivants concernant un essai en laboratoire et des essais expérimentaux sur chantier où le procédé conforme à l'inven tion a été utilisé pour empêcher l'apparition du collage sur paroi par effet différentiel lors du forage rotatif de puits d'hydrocarbures. EXEMPLE 1 : ANALYSE ET ESSAI EN LABORATOIRE Cet essai en laboratoire a été effectué pour obtenir des données empiriques démontrant l'aptitude du procédé conforme à la présente invention à empêcher un collage sur paroi par effet différentiel. Un noyau creux formé d'une matière de grande porosité a été monté au centre dlun cylindre. On a fait circuler un fluide de forage d'essai au travers du centre du noyau tout en exerçant un vide sur les côtés du noyau. Le vide a provoqué l'accumulation d'un cake de filtration à l'intérieur du noyau proportionnellement à la perte dynamique du fluide de forage au travers du noyau perméable.Une fois que le cake de filtration a été forme, on a placé un simulateur de manchon de forage au centre du noyau de manière à l'appliquer contre le cake de fltration On a fait circuler le fluide de forage et, après un intervalle constant, on a dégagé le manchon de forage. La force de traction nécessaire a été enregistrée en kilos pour chaque type de système de fluide de forage contralé. On a utilisé comme boue de forage de base A une boue formée de lignosulfonate et d'eau de mer pesant 1,68 kg/l et ayant une perte de fluide API de 10,0 cm3. Sans les granules de verre utilisés dans le procédé conforme à l'invention, une force de traction de 4,5 + O, 23 kg a été nécessaire pour dégager le simulateur de manchon de forage collé. Lorsqu'on a ajouté 57 g/i de granules de verre à la même boue de base A, il a eté nécessaire d'exercer une force de traction de 2,?à3,6 kg + 0,23 kg. Lorsqu'on a ajouté 85 g/l de granules de verre à la meme boue de base A, il a été nécessaire d'exercer une force de traction de 1,8 kg + C,23 kg.Enfin, lorsqu'on a ajouté 114 g/l de granules de verre à la meme boue de base A, une force de O kg a été nécessaire pour dégager le simulateur de manchon de forage. Le même essai 3 été effectué avec une boue de forage de base B différente, normée de bentonite hydratée, d'un polymère et d'eau de mer pesant 1,38 kg/i et ayant une perte de fluide API de 52,0 cm3. Sans les granules de verre du procédé conforme à l'invention dans la boue de base B, une force de traction de 21,8 + 0,23 k g a été nécessaire pour dégager le simulateur de manchon de forage. Lorsqu'on a ajouté 57 g/l de granules de verre à la même boue de base B, une force de traction de 20,4 + 0,23 kg a été nécessaire. Enfin lorsqu'on a ajouté à la même boue de base B 114 g/1 de granules de verre, une force de traction de 14,5 + 0,23 kg a été nécessaire pour dégager le simulateur de manchon de forage. EXEMPLE 2 Un essai expérimental sur chantier a été effectué dans la région de Gueydan en Louisiane du Sud. On a utilisé une boue formée de lignosulfonate et d'eau douce et pesant 2,16 kg/l.La profondeur-objectif de 4 500 m a été atteinte avec un trou foré non tubé de 676 m de longueur et d'un diamètre de 149 mm. L'écart a été de 49 à 17 ". A la profondeur-objectif, plusieurs difficultés ont été rencontrées dans le trou lorsque le train de tiges de forage a été collé deux fois pendant la circulation pour le conditionnement de la boue. Delta boue avec huile a été injectée deux fois et le train de tiges de forage a été degagé respectivement au bout de 26 h heures et 15 heures.La boue avec huile a été évacuée et la boue de base reconditionnée. 8 000 litres de boue de base ont été placés dans le bassin à boue et ont été mélangés avec 114 g/l de granules de verre. Le tampon de 8 000 litres a été déplacé et amené dans le trou non tubé à l'endroit où on a soupçonné la zone de collage potentiel et le train de tiges de forage a été retiré du trou sans pause pour un carottage. Après exécution de diagraphies soniques et par rayonnement gamma et après un relevé au pendagemètre on a mis en circulation la boue de forage et on l'a conditionnée avec un bouchon a 114 g/1 de granules de verre dans le trou non tubé. On a fait descendre 687 mètres de tubage à joint lisse de 127 mm et on l'a cimenté dans le trou de 149 mm de diamètre sans rencontrer de difficultés. Llincor- poration des granules de verre a amélioré la condition du forage, en accélérant ainsi le carottage et la mise en place du tubage de 127 mm de diamètre sans autres problèmes. EXEMPLE 3 Un essai expérimental sur chantier a été effectué en Louisiane du Sud. On a utilisé une boue formée de lignosulfonate et d'eau douce , pesant 2,21 kg/l La profondeur-objectif a été de 4500 mètres pour un diamètre de trou de 147 mm. Lors d'un forage à 4100 m., le train de tiges de forage s'est cassé à 3900 m. Le train de tiges de forage n'a pas pu être libéré par secousses . Un surforage a commencé avec un train de tiges de surforage de 127 mm de diamètre. Périodiquement, on a introduit dans le train de tiges de surforage un mélange de fluide de forage et de granules de verre pour établir une bonne condition de forage. Après un surforage sur 120 m , les coulisses ont cassé à 3 900 m. On a réintroduit dans le trou une cloche de repdcha ge qui s'est bloquée sur l'obstruction. Le puits est entré en surpression, en faisant apparattre une pression de 350 x 105 Pa sur l'obturateur anti-éruption. Le puits a été calmé au bout de cinq jours. Le tube de surforage a été dégagé et tiré hors du trou. On voit par conséquent qu'on obtient, conformé ment à la présente invention, un procédé pour empecher l'ap- pariton d'un collage sur paroi par effet différentiel lors du forage rotatif de puits d'hydrocarbures de manière à atteindre intégralement les objectifs et avantages définis ci dessus. Bien entendu 11 invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour empêcher un collage sur paroi par effet différentiel d'un appareillage de fond de trou lors du forage rotatif d'un trou non tubé contenant un fluide de forage, caractérisé en ce que - on mesure la densité du fluide de forage et le point d'écoulement du fluide de forage et, si nécessaire, on augmente le point d'écoulement de manière que sa valeur numérique, mesurée en kg/m2 et multipliée par 20,5 ne soit pas inférieure de plus de quatre unités à la valeur numérique de la densité, mesurée en kg/litre et multipliée par 8,33 - on mélange de 28 à 140 g/l de granules de verre au fluide de forage séparé, les granules de verre étant solides et essentiellement sphériques, ayant une masse spécifique comprise entre 2,4 et 2,65, un diamètre compris entre 0,25 et 4,8 mm et une dureté de 5,5 Mohs ; et - on pompe un bouchon du mélange de fluide de forage/ granules de verre dans le trou foré non tubé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une zone de collage possible sur paroi par effet différentiel a été identifiée dans le trou foré non tubé et en ce que l'étape de pompage d'un bouchon du mélange de fluide de forage/granules de verre dans le trou foré non tubé consiste à faire arriver le mélange de fluide de forage/ granules de verre en un endroit adjacent à la zone de collage possible par pompage d'un bouchon du mélange par l'intermédiaire du train de tiges de forage jusque dans le trou foré non tubé et à faire déposer le bouchon en un endroit adjacent à la zone de collage possible de manière qu'un nombre substantiel des granules de verre puissent être déposés dans le cake de filtration revetant le trou foré non tubé en un endroit adjacent à la zone de collage possible, afin qu'un joint étanche entre le train de tiges de forage, le tubage et l'outil de fond de trou et le cake de filtration soit moins facilement formé. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les granules de verre sont formés d'un verre calcosodique et ont une teneur en silice supérieure à 67 %. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bouchon de mélange de fluide de forage/granules de verre est pompé dans le trou foré non tubé par l'intermédiaire du train de tiges de forage. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bouchon de mélange de fluide de forage/granules de verre est pompé dans le trou foré non tube par l'intermé- diaire du train de tiges de forage pendant des opérations normales de forage.