Brevet FR2569759A1 — publié le 19860307

PROCEDE DE CIMENTATION ETANCHE DANS UN PUITS DE FORAGE La presente invention concerne les cimentations que lton peut avoir a réaliser dans un puits de forage, notamment pour la fixation d'un cuvelage dans ce puits ou pour séparer deux formations de terrain l'une de l'autre par des bouchons de ciment. L'experience montre que l'on eprouve parfois de grandes difficultés à realiser une cimentation étanche, en particulier lors-que le puits produit t gaz. La non-étancheité d'une cimentation peut avoir des conséquences tre graves. Dans le cas d'un puits à gaz, ' le gaz peut cheminer d'une fors tion productrice de gaz jusqu'a la surface et entraîner la perte d'un apparei: de forage, la perte d'un puits et même la perte de vies humaines. Dans d'autre cas, du gaz ou de l'eau peut cheminer d'une formation de terrain dans une aur et altérer le volume etlou la qualité de l'effluent provenant d'une formation productrice ou une zone aquifère protégee peut se trouver contaminee par le c] minement d'effluents provenant d'autres formations de terrain. I1 a deJà été proposé, pour tenter de rendre etanche une cimentatio divers moyens tels que la polymerisation in situ d'acrylamide mélangée au cim l'utilisation de ciments thixotropes, l'adjonction d'un corps tensio-actif a a générer une mousse, la génération in situ d'un gaz qui compenserait la chut de pression hydrostatique résultant de la prise de ciment, l'emploi d'un late mais ces moyens ne sont pas satisfaisants, soit qu'ils détériorent les propri étés mécaniques de la cimentation, qu'ils n'aient aucune efficacité, qu'ils soient d'un emploi limité à de basses températures ou qu'ils perturbent les mesures d' adhérence. La société demanderesse a procédé à de nombreuses études et recherche en vue de découvrir les causes des difficultés rencontrées dans les cimentati et d'y porter remède. Elle est parvenue à la conclusion que, lors du processus de la prise du ciment, le squelette formé par les cristaux de ciment laisse les interstices remplis d'eau tandis que la densité de cette eau intersticielle va en décroissant dans le temps et que les dimensions transversales des canaux constitués par ces interstices diminuent et accentuent les effets de capillarité dus à la présence simultanée d'eau et de gaz, ce dernier provenant de l'air, du dégazage de l'eau ou d'une diffuson gazeuse, de sorte que des succions internes se produisent dans le ciment et que les pressions capillaires compensent ou même dépassent la pression hydrostatique, permettant le déplacement de l'eau intersticielle et des cheminements à travers le ciment. Partant de cette explication du phénomène, elle a cherché à obstruer les interstices laissés entre les cristaux de ciment en prise et elle a trouvé que l'on pouvait y parvenir sans nuire à la qualité présentée par le ciment après prise et durcissement, en utilisant certains produits d'addition dans des proportions bien déterminées. Un objet de l'invention est ainsi un procédé de cimentation dans un puits de forage, comprenant l'introduction d'un ratier de ciment anhydre ma- laxé avec de liteau, elle-meme additionnée d'une solution aqueuse de polyéthylènesimines, caractérisé en ce que lton utilise une quantité de cette solution aqueuse telle que le volume des polyéthylenes-imines introduites soit compris entre environ 15 Z et environ 20 Z du volume d'eau de gâchage que l'on sait être souhaitable d'utiliser avec la quantité de ciment anhydre introduite pour que le ciment durci ait de bonnes propriétés mécaniques, le volume de l'eau ajoutée en plus de celle contenue dans ladite solution aqueuse étant déterminé pour que le volume total d'eau en présence du ciment anhydre soit sensiblement égal audit volume d'eau de gâchage, On entend par "polyéthylènes-imines" aussi bien une polyéthylèneimine qu'un dérivé de celle-ci. On trouve déjà, dans l'état antérieur de la technique de cimentation, l'emploi de polyéthylènes-imines avec du ciment, mais dans des proportions volumiques par rapport à l'eau de gâchage de l'ordre de 0,5 Z à 1 Z, ce qui permettait de leur faire jouer un rôle de réducteur de filtrat mais absolument pas un rôle d'obstructeur d'interstices, rôle qui n'était par ailleurs pas envisagé. Les essais que l'on a effectués du procédé de la présente invention tant en laboratoire qu'en chantier ont montré que les proportions proposées permettaient d'obtenir une cimentation parfaitement étanche grâce à la gélification des polyethylènes-imines dans les interstices entre les cristaux de ciment à la suite de l'absorption progressive de l'eau de leur solution aqueuse par le ciment lors de la prise de celui-ci, tout en maintenant des forces d'a dhérence suffisantes du bloc de ciment formé sur les parois qui le contiennent. On a, en outre, constaté que le procédé était utilisable à de très grandes profondeurs de puits, des essais à des températures supérieures à 1500C ayant été pleinement satisfaisants. Les polyéthylenes-iminess miness'épaissisent par glification sous l'effet de leur déshydratation pendant. la prise du ciment. Cette déshydratation s'opère d'elle-meme par disparition des molécules d'eau participant au phénomène de cristallisation du ciment. La cristallisation engendre la naissance d'une multitude de capillaires très fins qui vont en se resserant au fur et à mesure de la prise et du durcissement du ciment tandis que la teneur en eau du liquide intersticiel diminue. Ce phénomène développe ainsi une gélification très importante des polyéthylènes-imines et élabore un residu sirupeux très épais et collant.Ce résidu obstrue les pores et les capillaires, ce qui impermeabilise le ciment relativement au gaz ou à l'eau qui pourrait cheminer du fait d'une réduction de la pression hydrostatique provoquée par la cristallisation du ciment. De préférence, le volume relatif de polyéthylènes-imines par rapport à celui dit d'eau de gâchage est d'environ 15 Z en présence d'eau douce comme eau dite ajoutée et d'environ 20 X en présence d'eau de mer comme eau dite ajoutée. On peut citer en particulier un essai effectué sur chantier. Après battage d'un cuvelage de 76 cm de diamètre (30 pouces) jusqu'à une profondeur de 144 m, on a poursuivi le forage jusqut 348 m de profondeur avec un trou de 66 cm de diamètre (26 pouces) et introduit un cuvelage de 51 cm de diamètre (20 pouces). Des indices de méthane avaient été relevés, particulièrement importants vers la profondeur de 280 mètres.On a alors procédé à une cimentation du cuvelage de 51 cm de diamètre à l'aide de deux laitiers - un laitier de tête (partie supérieure), de densité 1,58, dont la composition était la suivante - eau douce - bentonite prehydratée : 2 Z par rapport au poids de ciment - fluidifiant : 0,05 Z par rapport au poids de ciment - polyéthylène-imine : 15 Z par rapport au volume total d'eau - ciment de classe G ; - un laitier de queue (partie inférieure sur 150 m), de densité 1,90, dont la composition était analogue à la composition précédente compte tenu de la den sité voulue sauf que la proportion de fluidifiant était portée de 0,05 Z à 0,1 Z. Il n'y a eu aucune difficulté de mise en oeuvre et l'on n'a constate aucun cheminement de gaz vers la surface après prise et durcissement du ciment. On va décrire, à l'aide du dessin joint, des essais qui ont été effectués en laboratoire. Dans ce dessin, la Fig. 1 représente en élévation un montage d'essai ; la Fig. 2 représente une coupe verticale partielle dans la région d'un puits de forage ; et la Fig. 3 représente des courbes enregistrées lors d'un essai. Le montage d'essai de la Fig. 1 comporte une colonne verticale 1 destinée à recevoir le laitier à étudier et reliée à une branche horizontale inférieure 2 destinée à recevoir du terrain d'une formation inférieure telle que la formation 3 représentée sur la Fig 2 et à une branche horizontale supérieure 4 destinée à recevoir du terrain d'une formation supérieure telle que la formation 5 de la Fig. 2. Ce montage simule la configuration de la Fig. 2 où l'on a représenté entre la formation inférieure 3 contenant, par exemple, du sable, de l'eau et du méthane et la formation supérieure 5 contenant par exemple du sable et de l'eau, une coupe de la moitié droite d'un espace annulaire 6 compris entre un trou de forage 7 et un cuvelage 8 et devant être rempli de ciment pour éviter un passage du méthane de la formation 3 dans la formation 5 et/ou vers la surface selon les flèches 9. Pour reproduire les conditions réelles, sur la Fig. 1, une bouteille de gaz 10 permet d'alimenter l'extrémité libre de la branche 2sous une pression PF1 correspondant à la pression dans la formation 3, tandis qu'une source d'a zote sous pression 11 permet d'établir, au sommet de la colonne 1, une pression PH, plus grande que PF1, correspondant à la pression hydrostatique établie dans l'espace annulaire 6 et, dans la branche 4, une pression inférieure PF2 correspondant à la pression dans la formation 5. La température dans la colonne 1 et la branche horizontale 2 est réglée par des résistances chauffantes 12. On enregistre au moyen d'enregistreurs 13 l'évolution dans le temps d'une part de la pression P1 dans la branche 2 et de la pression P2 dans la colonne verticale 1 et d'autre part de la température T1 dans la branche 2 et de la température T2 dans la colonne verticale 1, ces quatre paramètres étant respectivement mesurés par des capteurs 14,15,16 et 17. La Fig. 3 représente les courbes obtenues, la pression ou la température étant portée en ordonnée, respectivement en bars ou en degrés Celsius et le temps étant porté enabscisse en minutes, dans un essai d'un laitier de densité 1,9 à eau douce, avec 15 Z de polyéthylène-imine par rapport au volume total d'eau et 0,5 Z de fluidifiant par rapport au poids de ciment, la pression en tête PH étant de 23 bars, la pression PF1 étant de 18 bars, la pression PF2 de 8 bars, et la température maximale du laitier de 1200C. On n'a constaté, après prise et durcissement du laitier, aucun cheminement de gaz pendant un essai de plus de 24 heures. En supprimant la pression en tête PH, on n'a obtenu aucun débit de gaz alors que la pression différen tielle négative était de l'ordre de 20 bars. Un montage de laboratoire analogue a permis d'étudier une cimentation jusqu'en surface d'un cuvelage de 24,5 cm (9 pouces 5/8) de diamètre pour un réservoir à gaz situé à 500 m de profondeur et à une température de 300C, le but essentiel étant l'isolation de deux formations de terrain communicantes. On a effectué des essais avec un laitier de densité 1,80 ayant la composition suivante pour 1 m3 de laitier - ciment CPA55 : 1181 Kg - eau douce : 554 litres - solution de polyéthylène-imine à 30 Z : 93 litres - réducteur de friction CFR2 de Halliburton : 8,27 Kg - antimoussant NF1 de Halliburton : 0,3 litre. Les lectures au viscosimètre FANN 35 (test de l'American Petroleum Institute dit A.P.I.) ont été les suivantes : 600 t/m : 107 ; 300 t/m : 61 200 t/m : 44 ; 100 t/m : 26 ; 6 t/m : 3 ; 3 t/m : 2 ;viscosité apparente 53,5 ;viscosité plastique : 46 ; seuil de déformabilité : 15. En test de filtration API à 30 C, on a obtenu 32 cc/30 minutes. Lë temps de pompabilité obtenu à 300C a été de 3 heures 37. On a mesuré une résistance à la compression de 117 bars après 24 heures et de 178,5 bars après 36 heures. Des essais comparatifs d'adhérence ont été effectués avec des echan- tillons de laitier ayant la composition ci-dessus d'une part et avec des échantillons de laitier de même composition sauf qu'ils ne contenaient pas de polyéthylène-imine d'autre part. Alors qu'avec ces derniers échantillons on a constaté une rupture d'adhérence au droit d'un tube métallique simulant le cuvelage et cela pour des pressions de décollement de 40 à 45 bars, avec des échantillons de laitier selon la composition ci-dessus, les pressions de décollement ont été de 45 à 50 bars et, plusieurs fois, il y a eu alors rupture de la carotte de gré simulant la formation, ce qui tend à prouver une meilleure adhérence métal-ciment et formation-ciment grâce à la polyéthylène-imine, en plus de l'avantage de la parfaite étanchéité que l'on a également constatée dans cet essai de la même manière que dans l'essai précédemment décrit. Les polyéthylènes-imines ou produits dérivés de celles-ci sont livrés en solution aqueuse à 70 Z d'eau. Il y a donc un apport d'eau non négligeable dont il faut tenir compte pour réduire d'autant la quantité d'eau ajoutée au ciment pour le gâchage de celui-ci. On connaît le volume théorique d'eau VET donnant les meilleures propriétés mécaniques au ciment utilisé après durcissement. D'après ce volume theorique, on calcule le volume de polyéthylènes-imines à ajouter : X.VET, X étant compris entre environ 15 Z et 20%. Le volume d'eau additionnelle de gâchage davant être réellement ajoutée VER est alore égal à VER = VET (1 - 0,7 X). On a donné des exemples d'essais effectués avec certains ciments, mais l'application de l'invention n'est évidemment pas limite à certaines catégories de ciments : elle s'étend à tous types de ciments : ciments Portland ordinaires, ciments Portland pétroliers, ciments alumineux, ciments alumineux spéciaux, ciments prémélangés à sec à des produits d'allègement tels que des cendres volantes, des pouzzolanes, des sphérules de verre, de la bentonite, des terres à diatomées, de la perlite ou tout autre adjuvant susceptible d'alléger le laitier, ciments géothermiques comprenant, en plus des additifs habituels, de la silice ou des cendres volantes ou des pouzzolanes. Dans la composition du laitier, on pourra utiliser diverses eaux, tous adjuvants aux ciments, tous produits additionnels habituels tels que fluidifiants, antimousses, retardateurs, alourdissants et allégeants. Revendications 1 - Procédé de cimentation dans un puits de forage (7), comprenant l'intro- duction d'un mortier de ciment anhydre malaxé avec de l'eau, elle-même additionnée d'une solution aqueuse de polyéthylènes-imines, caractérisé en ce que l'on utilise une quantité de cette solution aqueuse telle que le volume des polyéthylènes-imines introduites soit compris entre environ 15 Z et environ 20 Z du volume d'eau de gâchage que l'on sait être sou haitable d'utiliser avec la quantité de ciment anhydre introduite pour que le ciment durci ait de bonnes propriétés mécaniques, le volume de l'eau ajoutée en plus de celle contenue dans ladite solution aqueuse étant déterminé pour que le volume total d'eau en présence du ciment anhydre soit sensiblement égal audit volume d'eau de gâchage. 2 - 'Procédé de cimentation selon la revendication 1, à eau douce comme eau dite ajoutée, caractérisé en ce que le volume relatif de polyéthylènes imines par rapport à celui d'eau de gâchage est d'environ 15 Z. 3 - Procédé de cimentation selon la revendication 1, à eau de mer comme eau dite ajoutée, caractérisé en ce que le volume relatif de polyéthylènes imines par rapport à celui d'eau de gâchage est d'environ 20 %.