Brevet FR2563567A1 — publié le 19851031

PROCEDE ET COMPOSITION POUR LE TRAITEMENT D'UN FORAGE La présente invention concerne, d'une part, un procédé pour traiter des zones souterraines, en particulier des puits de gaz et des puits de pétrole dans lesquels on recontre des formations tendres ou faibles, avec une bouillie aqueuse de faible poids d'un ciment hydraulique et, d'autre part, une composition utile pour la mise en oeuvre dudit procédé. Dans la cimentation de trains de tuyaux particu- lièrement longs dans un puits de forage, par exemple de l'ordre de 300 m à 600 m, il est souvent nécessaire d'exécu- ter l'opération de cimentation en stades multiples du fait que le poids excessif de la longue colonne de suspension de ciment risque de fracturer la formation souterraine. Des bouillies de ciment comprenant des ciments hydrauliques, de la bentonite et des grandes quantités d'eau ont été employées dans la cimentation des forages dans la- quelle une bouillie de faible poids est désirée. On a égale- ment employé le métasilicate de sodium dans des bouillies de ciment dans la cimentation des forages. Les dérivés de cellulose ont été de même employés dans le passé dans des bouillies de ciment pour forages. En vue de cimenter de longs trains de tuyaux, les producteurs de pétrole et de gaz ont précédemment eu recours à des opérations de cimentage multistade ayant pour consé- quence des temps perdus d'installation importants ou ont utilisé des additifs plus coûteux tels que des microbulles de verre ou de céramique pour alléger les bouillies de cimen- tation. Les bouillies de faible poids allongées d'eau anté- rieurement connues, utilisant la bentonite ou le métasilicate de sodium, ont généralement présenté des caractéristiques d'utilisation médiocres en raison de leur teneur excessive en eau libre ou du manque d'un temps de prise ou d'une résistan- ce finale raisonnable. Selon l'invention, on propose un procédé de trai- tement d'une zone souterraine consistant à mettre en place, à l'intérieur de celle-ci, une bouillie aqueuse durcissable et à permettre consécutivement à ladite bouillie de durcir; dans ce procédé, la bouillie comprend un ciment hydraulique et, pour 100 parties en poids dudit ciment: A. de 150 à environ 250 parties d'eau; B. de 10 à 15 parties de bentonite sodique; C. de 0,5 à 1,5 partie de métasilicate de sodium; et D. de 0,5 à 1,5 partie d'hydroxyéthylcellulose. Bien que les composants individuels aient été antérieurement utilisés dans des applications de cimentage de puits de forage, il est absolument essentiel que lesdits composants précités soient tous présents dans les proportions indiquées, sinon on ne peut pas obtenir une bouillie ayant des propriétés acceptables pour des applications de cimen- tation en "longs trains". Une telle bouillie a, de préféren- ce, un poids spécifique compris entre 1,20 et 1,44 g/cm3 en vue de former un fluide acceptable pour le traitement de formations souterraines plus faibles ou dans des applications dans lesquelles on met en place une longue colonne de bouil- lie de ciment en une seule opération. En utilisant le procédé et la bouillie selon l'invention, on peut exécuter des travaux de cimentation en longs trains et on peut obtenir une circulation de la suspension de ciment dans l'espace annulaire compris entre le tube et la paroi du trou de forage, même jusqu'au retour en surface à partir d'une profondeur de plusieurs centaines à plusieurs milliers de mètres. De préférence, on utilise une bouillie aqueuse ayant un poids spécifique compris entre 1,26 et 1,38 g/cm3 et, de préférence, une teneur en eau libre, telle que déterminée suivant les normes de l'American Petroleum Institute (API), inférieure à 10 ml. On met convenablement en oeuvre le procédé de l'invention avec un appareillage classique pour champs pétroliers utilisé pour pomper les bouillies de ciment dans des trous de forage pratiqués dans des formations souterraines. 256356? On prépare également la bouillie de ciment de faible poids conforme à l'invention en utilisant un appareillage classi- que de délayage et mélangeage de ciment utilisé sur les champs pétroliers, en combinant tout d'abord tous les addi- tifs secs avec le composant constitué par le ciment hydrau- lique finement divisé, en combinant tous les additifs liqui- des avec l'eau de mélangeage destinée à être employée, puis en mélangeant les composants secs avec les composants liqui- des ainsi mélangés afin d'obtenir la bouillie. Le comrposant ciment hydraulique est une substance cimenteuse qui, typiquement, est une substance minérale qui une fois humidifiée avec de l'eau se transforme à partir d'une matière finement ou grossièrement divisée en une matière durcie continue. Les ciments Portland,-des ciments d'alumine et des ciments de pouzzolane sont représentatifs dudit composant. Le ciment Portland est préféré pour être utilisé conformément à l'invention, en particulier les ciments Portland connus sous les noms de ciments classe G et classe H de l'API. Sauf mention contraire, toutes les quantités se rapportant à la composition de la bouillie de ciment résultante son exprimées en parties en poids et-pour parties du composant ciment hydraulique. Pour préparer la formulation de la bouillie de ciment de l'invention, on ajoute de 150 à 200 parties d'eau au ciment hydraulique. De préférence, on utilise une quanti- té d'eau suffisante pour obtenir une suspension aqueuse résultante ayant un poids spécifique compris entre 1,20 et 1,44 g/cm3, et mieux encore entre 1,26 et 1,38 g/cm3. De façon particulièrement préférée, on utilise 180 à 220 parties d'eau pour 100 parties du ciment hydraulique. Le composant B de la bouillie de l'invention, qui est utilisé en quantités comprises entre 10 et 15 parties et, de préférence, entre 11 et 14 parties pour 100 parties du ciment hydraulique, est une substance finement divisée, susceptible de gonfler dans l'eau et connue sous le nom de bentonite. Elle est constituée principalement par l'argile montmorillonite. Comme il est désirable que la bentonite fixe et retienne une grande quantité de l'eau de la bouillie de ciment, on l'utilise, de préférence, principalement sous la forme sodique. Cette-forme a un pouvoir de gonflement élevé dans l'eau, tandis que la forme calcique de la bento- nite ne gonfle pas de façon appréciable dans l'eau. La forme sodique de la bentonite est généralement connue sous le nom de bentonite du Wyoming ou de bentonite de l'Ouest (Western bentonite). Elle est couramment utilisée dans les champs pétroliers et satisfait, de préférence, les prescriptions de la spécification API NI 10. Le composant C de lasuspension de l'invention, utilisé en une quantité allant de 0,5 à 1,5 partie pour 100 parties de ciment est le métasilicate de sodium. Le métasi- licate de sodium est disponible sous forme anhydre ou sous forme de pentahydrate. Comme la forme anhydre a une densité plus élevée et qu'elle est, par suite, plus économique à manipuler, on préfère l'utiliser pour la mise en oeuvre de l'invention. Les quantités de métasilicate de sodium indi- quées dans ce texte se réfèrent à la base anhydre; si l'on utilise la forme pentahydrate, il y a lieu d'employer une quantité correspondante plus grande pour tenir compte de sa densité inférieure. De préférence, on en utilise de 0,75 à 1,25 partie et, mieux encore, on l'emploie à raison de une partie pour 100 parties de ciment dans la bouillie selon l'invention. Le composant D, utilisé en quantités de 0,5 à 1,5 partie, est une hydroxyéthylcellulose. De nombreux produits hydroxyéthylcelluloses sont disponibles sur le marché avec des degrés variables de substitution molaire et sont acces- sibles en différents poids moléculaires. Le terme hydroxyé- thylcellulose utilisé dans le cadre de l'invention est ainsi destiné à inclure les hydroxyéthylcelluloses, qui portent des substituants méthoxy sur au moins certains des sites hydroxyle actifs de la molécule de cellulose et qui sont couramment connues sous le nom d'hydroxyéthylméthylcellulose ou HEMC. Comme les poids moléculaires absolus de ces hydroxy- ethylcelluloses sont difficiles à déterminer, les poids moléculaires relatifs sont généralement exprimés par la viscosité engendrée à une température donnée pour une concentration arbitraire du polymère dans une solution aqueu- se. On préfère, pour l'utilisation dans le cadre de l'inven- tion, les hydroxyéthylcelluloses ayant une substitution mo- laire d'environ 2,5. On préfère également, conformément à l'invention, des hydroxyéthylcelluloses qui ne portent aucun substituant méthoxy et qui présentent, à 25 C, une viscosité Brookfield comprise entre 25 et 400 centipoises (cps) à une concentration de 2 % dans l'eau. La quantité du composant D utilisé dans les bouil- lies de l'invention est, de préférence, comprise entre 0,75 et 1,25 partie, et mieux encore d'une partie pour 100 parties de ciment. Toutefois, lorsque des hydroxyéthylcelluloses de poids moléculaires plus élevés sont destinées à être utili- sées dans le cadre de l'invention, il peut être désirable d'en utiliser une quantité plus faible que dans le cas o l'hydroxyéthylcellulose est de poids moléculaire inférieur. Par suite, si la quantité d'une hydroxyéthylcellulose desti- née à être utilisée conformément à l'invention devait rendre la bouillie résultante plus épaisse qu'on ne le désire pour effectuer un pompage aisé dans des conditions de forage descendant, on peut alors diminuer la quantité de l'hydroxy- éthylcellulose. Généralement, la quantité de métasilicate de sodium dans le composant C peut alors être augmentée de façon correspondante afin d'éviter d'obtenir une suspension ayant un excès d'eau libre. Inversement, lorsque la suspen- sion présente une teneur très faible en eau libre, mais est plus épaisse qu'il n'est désiré, on peut réduire la quantité de silicate de sodium, tandis que la quantité de l'hydroxy- éthylcellulose utilisée peut être augmentée. En plus des composants nécessaires précités, on peut inclure d'autres additifs classiques pour bouillies de ciment utilisées dans les puits de pétrole..Il est toutefois préférable d'éviter l'addition de dispersants organiques tels que des composés polyaromatiques sulfonés et des lignines sulfonées, car ils tendent à détruire la- capacité de rétention d'eau des composants requis pour la bouillie. Toutefois, on peut éventuellement inclure dans la bouillie de cirent d'autres additifs classiques pour les ciments des champs pétroliers, tels que des accélérateurs, des retardateurs et des diluants, tels que la gilsonite ou du charbon pulvérisé, de la farine de silice ou de la poudre de silice (par exemple, de la terre de diatomées). Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on peut incorporer jusqu'à 10 % de chlorure de sodium à l'eau de mélangeage, par rapport au poids de l'eau. De préférence, on introduit dans l'eau de 1 à 5 %, et mieux encore 3 %, de chlorure de sodium pour obtenir un système de ciment à "l'eau salée". Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, on incorpore à la bouillie de ciment, pour 100 parties de ciment, jusqu'à 15 parties de gilsonite, de char- bon broyé, de farine de silice ou de terre de diatomées. Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le composant ciment hydraulique est constitué par un mélange à 50:50 de ciment Portland et d'une matière formée par des cendres volantes pouzzolaniques. De façon très préférée, les bouillies aqueuses de l'invention présentent une teneur en eau libre API égale au maximum à 7 ml, mieux encore égale au maximum à 3,5 ml et de façon tout à fait préférée égale au maximum à 2 ml. EXEMPLE 1 On prépare une bouillie de ciment en combinant parties d'un ciment de classe G avec 12 parties de bento- nite sodique, une partie de métasilicate de sodium et 0,75 partie d'une hydroxyéthylcellulose ayant une substitution molaire de 2,5 et présentant une viscosité Brookfield compri- se entre 200 et 400 centipoises à 25 C sous la forme d'une solution aqueuse à 2 %. On effectue un mélangeage intime de ce mélange sec de composants, puis on ajoute le produit de mélangeage à 210 parties d'eau froide en mélangeant- vigoureusement. On soumet la suspension résultante à un essai conformément aux spécifications API pour la détermina- tion de l'eau libre et l'on observe ainsi O ml d'eau libre. Lorsqu'on soumet cette bouillie à un essai conformément aux spécifications API, on observe, après 72 heures à 88 C, une résistance à la compression de 22,5 kg/cm2. EXEMPLE 2 On prépare une bouillie comme à l'exemple 1 sauf que l'on ajoute aux 210 parties d'eau, 3 % (par rapport au poids de l'eau) de chlorure desodium. Cette bouillie présen- te 8 ml d'eau libre et-conduit à une résistance à la compres- sion de 35,1 kg/cm2 apres 72 heures à 88 C. EXEMPLE 3 On prépare de nouveau une bouillie comme à l'exem- ple 2, sauf que l'on augmente la quantité du composant hydro- xyéthylcellulose de 0,75 partie à 1 partie. La bouillie présente une teneur en eau libre de 3 ml. EXEMPLE 4 A 100 parties d'un mélange 50:50 de ciment de classe G et de cendres volantes, on ajoute 12 parties de bentonite sodique, une partie de silicate de sodium et une partie de l'hydroxyéthylcellulose mentionnée dans les exemples précédents. On ajoute au mélange sec une quantité supplémen- taire de 10 parties d'une terre de diatomées lavée à l'acide, à savoir une silice en poudre fine. On mélange le produit avec 210 parties d'eau; on obtient une résistance à la compression pratiquement double de celle de la bouillie de l'exemple 1, en 24 heures seulement au lieu de 72 heures. -2563567 EXEMPLE 5 Lorsqu'on omet, dans la formulation de l'exemple 1, l'un quelconque des composants constitués par la bentonite sodique, le silicate de sodium ou l'hydroxyéthylcellulose, on observe, dans les bouillies résultantes, une teneur en eau libre API de 10 ml ou davantage. EXEMPLE 6 On prépare une bouillie selon le mode opératoire de l'exemple 1, sauf que l'on remplace l'hydroxyéthylcellu- lose de cet exemple par une partie d'une hydroxyéthylméthyl- cellulose (HEMC). L'hydroxyéthylméthylcellulose a un degré de substitution methoxyl de 0,2 et une substitution molaire hydroxyéthyl de 2,4. Une solution aqueuse à 2 % de la HEMC à 25 C a une viscosité Brookfield comprise entre 600 et 725 centipoises (respectivement à 60 et 30 tours par minute). La bouillie résultante présente une teneur en eau libre API de 2 ml. EXEMPLE 7 On fait descendre par pompage une bouillie de l'in- vention, formulée comme décrit dans l'exemple 1, sur une distance d'environ 3657 m de tube dans un trou de forage et on la fait remonter dans l'espace annulaire formé entre ce tube et la paroi du trou de forage jusqu'à ce que les retours de ciment soient vus en surface. De cette manière, on effectue une opération de cimentage sur long tubage en un seul stade, alors qu'elle exige à l'ordinaire la dépense surajoutée de multiples stades avec des bouillies courantes. On fait un test d'adhérence sur le tubage cimenté avec la bouillie précitée: il révèle une adhérence bonne à excellente. Des tests analogues concernant des travaux de cimentation effectués dans la même zone en utilisant d'autres systèmes de faible poids disponibles montrent une faible adhérence du ciment. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'une zone souterraine consistant à mettre en place, à l'intérieur de celle-ci, une bouillie aqueuse durcissable et à permettre consécutivement le durcissement de ladite bouillie, caractérisé par le fait que la bouillie comprend un ciment hydraulique et, pour parties en poids dudit ciment: A. de 150 à environ 250 parties d'eau; B. de 10 à 15 parties de bentonite sodique; C. de 0,5 à 1,5 partie de métasilicate de sodium; et D. de 0,5 à 1,5 partie d'hydroxyéthylcellulose. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la bouillie aqueuse a un poids compris entre 1,26 et 1,38 g/cm. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la bouillie aqueuse a une teneur en eau libre API au plus égale à 7 ml. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le composant (D) est une hydroxyéthylcellulose ayant une substitution molaire de 2,5. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le ciment hydraulique comprend du ciment Portland. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le ciment hydraulique comprend, en outre, une pouzzolane. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le ciment hydraulique comprend un mélange à 50:50 en poids, de ciment Portland et de cendres volantes. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, dans la bouillie, on incorpore 1 à 5 % de chlorure de sodium, par- rapport au poids de l'eau présente. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise 180 à 220 parties d'eau. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé 256356? par le fait que l'on utilise une partie de composant (C) et une partie de composant (D). 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la bouillie aqueuse a un poids compris entre 1,20 et 1,44 g/cm3 et une teneur en eau libre API au plus égale à 7 ml, le ciment hydraulique comprenant un mélange à 50:50 en poids, de ciment Portland et d'une pouzzolane. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé par le fait que la bouillie aqueuse est mise en place dans la zone souterraine en la faisant descendre dans celle-ci par pompage à travers un tube situé dans un trou de forage à l'intérieur de ladite zone et à l'intérieur d'un espace annulaire formé entre l'extérieur dudit tube et la paroi dudit trou de forage, au moins jusqu'à ce qu'une portion de la bouillie revienne à la surface à partir de ladite zone, et qu'on laisse ensuite durcir la bouillie mise en place. 13. Bouillie aqueuse de ciment hydraulique adaptée pour être mise en place dans des formations souterraines et ayant un poids relativement faible, caractérisée par le fait qu'elle comprend un ciment hydraulique et, pour 100 par- ties en poids dudit ciment A. de 150 à environ 250 parties d'eau; B. de 10 à 15 parties de bentonite sodique; C. de 0,5 à 1,5 partie-de métasilicate de sodium; et D. de 0,5 à 1,5 partie d'hydroxyéthylcellulose. 14. Bouillie selon la revendication 13, caractéri- sée par le fait qu'elle comprend un ciment hydraulique comportant un ciment Portland et, pour 100 parties en poids dudit ciment: A. 210 parties d'eau; B. 12 parties de bentonite sodique; C. 1 partie de métasilicate de sodium; D. 1 partie d'hydroxyéthylcellulose. 15. Bouillie selon la revendication 14, caractérisée par le fait que le ciment hydraulique comprend, en outre, une pouzzolane.