Brevet FR2576591A1 — publié le 19860801

-1- Compositions de ciments pour cimentation de puits permettant de lutter contre le cheminement de gaz sous pression dans l'annulaire cimenté. L'invention concerne des compositions de ciments pour cimentation de puits pétroliers ou géothermiques notamment dont les composants forment une combinaison originale et bloquent le phénomène dit "de gas- channeling" dès son apparition avec une prise du ciment très particulière dite "à angle droit". La notion de "gas-channeling" (cheminement du gaz sous pression dans l'annulaire ciment&) est extrêmement connue des professionnels de la cimentation des puits pétroliers. On rappellera toutefois ici que le cheminement du gaz se produit après injection du laitier de ciment dans l'espace annulaire compris entre les formations traversées et le cuvelage du puits, lorsque le puits traverse une poche de gaz sous pression. Le phénomène apparaît durant la prise du ciment, à partir du moment o cette prise atteint un degré suffisant pour que la pression hydrostatique ne soit plus, ou plus suffisamment transmise, mais un degré insuffisant pour que le ciment s'oppose, au niveau de la poche de gaz, à l'infiltration de celui-ci'dans le ciment en cours de prise, sous l'effet de la pression régnant dans la poche, qui n'est plus équilibrée par la pression hydrostatique. Le gaz sous pression chemine alors dans la masse du ciment en cours de prise et/ou entre le ciment et les formations traversées, ce qui crèe dans le ciment des conduits multiples qui peuvent atteindre la surface. Ce phénomène peut de plus être favorisé par le retrait du ciment et éventuellement par les pertes de liquide du laitier de ciment par filtration vers les formations traversées, lorsque celles-ci sont poreuses, notamment ("fluid lors" ou "filtrat"). Le cheminement du gaz est donc un problème très grave qui entraîne une fragilisation du ciment et des problèmes de sécurité en surface. Le nombre de tentatives effectuées pour résoudre ce problème est à la mesure de sa gravité et de la préoccupation majeure des pétroliers à ce sujet depuis de nombreuses années. Une solution efficace a été proposée dans les demandes de brevet français n 82-05983 (6 avril 82) et 83-01031 (24 janvier 83). -2- Ces textes décrivent l'emploi de laitiers de ciment contenant un latex styrène-butadiène, un stabilisant de ce latex et, pour les températures les plus élevées, une farine de silice. Le demandeur a cherché à améliorer encore les propriétés des compositions de ce type et à faciliter encore d'avantage leur emploi sur le champ. Il a été découvert selon la présente invention que des laitiers de ciment contenant essentiellement: * ciment * eau * surfactant du type alkylphénol polyoxyèthylènè * latex styrène-butadiène (éventuellement) * farine de silice (éventuellement) (le latex éventuel et le surfactant répondant à des choix spécifiques qui seront explicités ci-dessous) présentaient une propriété tout à fait originale dite de "prise à angle droit". Cette propriété se traduit par le fait que, lors de la prise, le laitier ne passe pas par la phase intermédiaire décrite dans les demandes de brevet précitées. Le laitier passe en effet directement de l'état o la pression hydrostatique est correctement transmise par la colonne de laitier à celui o la prise du ciment s'oppose efficacement à la migration du gaz dans l'annulaire. Les compositions qui seront décrites ci-après plus en détail, apportent donc une solution radicale à ce phénomène bien connu sous le nom de "gas-channeling". Cette propriété très particulière de "prise à angle droit" n'est obtenue que pour des compositions très spécifiques du laitier de ciment. Il a été constaté en effet que seule l'introduction dans le laitier d'un surfactant spécifique (sel d'ammonium de nonylphénoxy poly (éthylèneoxy) éthanol sulfaté) à 10-30 moles d'oxyde d'éthylène conduisait à cette propriété. On sait par ailleurs que, dans le domaine de la cimentation des puits pétroliers et autres, le laitier de ciment doit présenter un ensemble de propriétés (rhéologie, filtrat, eau libre, temps de prise...) très difficiles à combiner. On parvient à ce résultat selon la présente invention en associant au surfactant précité un latex qui est lui aussi spécifique: il s'agit d'un latex styrène-butadiène (SBR) (motifs -3styrène et butadiène dans le rapport en poids de /30 à 40/60). On a notamment constaté que les latex précités conduisaient à un très bon contrôle du filtrat. Une très bonne tolérance aux sels a également été observée en liaison avec la présence du surfactant spécifique précité. Il s'agit là d'une propriété importante puisque les puits peuvent être contaminés par des sels notamment de magnésium et sodium et que,, dans les forages en mer, il est hautement intéressant de pouvoir utiliser l'eau de mer comme eau de mélange du laitier. Les latex SBR précités conduisent donc à un ensemble remarquable de propriétés lorsqu'on les emploie en combinaison avec le surfactant précité (sel d'ammonium de nonylphénoxy poly (éthylèneoxy) éthanol sulfaté). L'invention concerne donc la fonction dudit surfactant d'apporter la propriété de "prise à angle droit" à un laitier de ciment, comportant ou non un latex; et la combinaison spécifique de ce surfactant précité avec un latex SBR pour obtenir un ensemble remarquable de propriétés nécessaires à la cimentation correcte de puits. On pourra utiliser également de la farine de silice dont l'intérêt est de permettre la cimentation à des températures statiques de fond de puits élevées [T > 1200C (250 F)]. Le ciment est un ciment hydraulique appartenant à une classe quelconque parmi ceux utilisés de manière courante pour la cimentation des puits pétroliers. Par "ciments hydrauliques", on désigne les ciments qui comprennent des composés de calcium, aluminium, silicium, oxygène et/ou soufre et qui prennent et durcissent par réaction avec l'eau. Répondent notamment à cette définition, les ciments communément appelés "ciments Portland", par exemple ciment Portland ordinaire, ou à durcissement rapide ou extrarapide, ou résistant aux sulfates, et autres ciments Portland modifiés; les ciments communément appelés ciments alumineux, ciments d'aluminate de calcium à haute teneur en alumine; et de tels ciments contenant de petites quantités d'accélérateurs ou de retardateurs de prise, d'agents d'entraînement d'air, ainsi que des ciments Portland contenant des constituants secondaires (cendres volantes, pouzzolane), etc. -4- Les additifs classiques pourront être utilisés dans les quantités habituelles (agents anti-mousse, retardateurs, dispersants,...). Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. Propriété de prise à angle droit et d'inhibition de la migration du gaàz. Les tableaux I à IV ci-après établissent ces propriétés. Dans les tableaux II et III: DP = O: représente le moment o la pression de pores commence à chuter. DP = 5 %: représente le temps pour lequel la pression de pore du ciment a chuté de 5% en raison du début de prise. "temps de prise': il s'agit du temps au terme duquel la prise est achevée. On détermine ce temps par le maximun de température atteint dans le ciment. La prise est d'autant plus "à angle droit" que "DP = 5 %" et "temps de prise" sont plus proches l'un de l'autre. On voit que dans l'essai 1016 (Tableau III) la prise est rigoureusement " à angle droit". Dans le Tableau IV on voit que: - l'absence à la fois de latex et du surfactant précité conduit à un très mauvais résultat en ce qui concerne le contrôle du gas-channeling (essai 1018). - les essais 1019 (latex + surfactant) et 1020 (surfactant, pas de latex) établissent l'absence de migration de gaz et le rôle du surfactant précité dans ce domaine. Les Tableaux II et III confirment ces observations. Les exemples rassemblés dans les' Tableaux I à IV, et notamment les essais 3 du Tableau I, 1013 du Tableau II, 1016 du Tableau III et 1020 du Tableau IV montrent que les -5-- proportions à utiliser sont sensiblement les suivantes (en poids): * % latex/ciment: 5-30, mais la concentration en latex est directement lièe à la température d'application. De préférence: -10 % pour une température d'application de 30 C -15 % pour une température d'application de 50 C -20 % pour une température d'application de 85 C -25 % pour gne température d'application de C * % stabilisant/latex: 3-20 De préférence: 3-15 (en particulier, sel de sodiums de produit de condensation d'acide naphtalène sulfonique et de formaldehyde). *% retardateur/ciment: 0,05-2 selon la température (éventuellement) * % agent antimousse/ciment: 4-6 cm3/kg (éventuellement) * une teneur en eau préférée sera de l'ordre de 44 %, moins le volume des additifs liquides. * surfactant précité: 3 à 5 % en volume de latex. Lorsque le laitier ne comporte pas de latex, la concentration en surfactant précité peut être comprise entre 0,5 et 2 % en poids de ciment. -6- On trouvera sur les figures 1, 2 et 3 annexées trois exemples de prise à angle droit. Les essais correspondants sont effectués au consistomètre pressurisé selon la procédure API Spec. 10 Annexe E. Sur ces figures: c = courbe de consistance t =-courbe de température e = épailement exothermique La courbe de consistance montre très clairement la "prise à angle droit" et l'épaulement exothermique correspondant à la prise du ciment. -7- Les conditions d'essais ont été les suivantes: Fig. 1. Ciment Norcem API classe G Cellule n 1 T0. de circulation au fond 290 F (143 C) Pression au fond: 18 800 p.s.i. I.P.: 2 000 pos.i. Vitesse de chauffage. 6,30 / min. Composition Ciment Dispersant lignosulfonate 0,8 % EPDC (en poids de ciment) Retardateur glucosulfonate 0,05 % EPDC (en poids de ciment) Latex SBR) FENOPON 4 %) 310,8 i/t 3 % polyglycol 2000) Farine de silice 35 % EPDC Alourdissant (baryte) 35 % EPDC Antimousse (polyglycol 4000) 4,44 1/t Eau de mélange (eau douce) 63 % en volume-VAL (VAL=Vol. des additifs liquides) Résultat: prise 3 H 40 min. (consistance 100 Bc) PYg 2 Ciment NORCEM C 844 Cellule n 1 T0. de circulation au fond: 290 P (143 C) Pression au fond: 18 800 p.s.i. I.P.: 2 000 p.s.i. Vitesse de chauffage: 6,30 / min. Composition Ciment Dispersant lignosulfonate 1,1 % EPDC Latex SBR) FENOPON 4 %) 310,8 1/t 3 % polyglycol 2000) Alourdissant (barite) 35 % EPDC Farine de silice 35 % EPDC Antimousse Polyglycol 4000 4,44 1/t Eau de mélange (eau douce) 63 % en volume-VAL (VAL=Vol. des additifs liquides) Résultat: prise (consistance 100 Bc): 4 H. Figs 3 Ciment NORCEM C 844 Cellule n 1 T . de circulation au fond (BHCT): 290 F (143 C) Pression au fond (BHP): 18 800 p.s.i. I.P.: 2 000 p.s.i. Vitesse de chauffage: 6,3 /min. Composition Ciment Dispersant lignosulfonate 0,8 % EPDC Retardateur glucoheptonate 1,77 1/t Latex SBR) FENOPON 4 %) 310,8 1/t 3 % polyglycol 2000) farine de silice 35 % EPDC alourdissant (barite) 35 % EPDC antimousse (polyglycol 4000) 4,44 1/t eau de mélange (eau douce) 63 % en volume-VAL (VAL=Vol. des additifs liquides) Résultat: prise (consistance 100 Bc): 5 H. -10 - Tableau I ESSAI i ESSAI 2 ESSAI 3 CIMENT DYCKG DYCKG DYCKG CaC12 (% EPDC) 1 a N0 (% EPDC) 1 Latex A (1/t) 151 151 151 Stab. (1/t) 5,33 5,33 5,33 A M (l/t) 4,44 4,44 4,44 E.F (%-VAL) 44 44 44 TCF ( C) 38 38 38 Temps d'épais- sissement 7.25 2.12 2.30 (temps de pom- gel gel prise à pabilit) h.min angle droit N.B. Voir page 15 les notes pour Tableaux I à IV -11- Tableau Il Essai n 1001 1009 1010 1014 1013 LAITIER: DYCK G GULF (739) (841) (841) (841) Lat B (l/t) 151 151 151 151 N0 (%V Lat.) 3,6 3,6 3,6 AG (%V Lat.) 3 Stab. (l/t) 2,66 3,10 3,55 3,55 3,55 R (l/t) 1,33 1,78 1,78 1,78. 1,78 AM (l/t) 4,44 4,44 4,44 4,44 4,44 EF (% -VAL) 44 44 44 44 44 TEMPERATURE D'ESSAI ( C) 70 70 70 70 70 D.P = 0 (min) 160 235 275 245 205 D.P = 5%(min) 175 245 320 255 290 Temps de prise 240 310 340 320 325 (min) Temps de tran- sit du gaz ds nul nul nul nul infini la colonne (min) Migration ini- tiale du gaz 900 nul 12 nul nul (cc/min) Migration fi- 900 2170 12 45 nul nale du gaz (cc/min) Migration = cc/min(min 80 N.B. Voir page 15 les notes pour Tableaux I à IV. -12- Tableau III EsSal Na 1007 1008 1011 1015 1016 1017 LAITIER CEMOIL G 179 Latex B (l1/t) 151* 151 151 151 N0 (%VLat) 3,6 3,6 3,6 AG (%VLat) 3 Stab. (l1/t) 8,8 8,8 8,8 8,8 8,8,8 R (l/t) 1,78 1,78 1,78 1,78 1,78 1,78 AM(l/t) 4,44 4,44 4,44 4,44 2,66 2,66 EF 44 44 44 44 44 44 (%-VAL) * Latex A au lieu de latex B. N.B. Voir page 15 les notes pour tableaux I à IV. -13- Tableau III (suite) Esgai N 1007 1008 1011 1015 1016 1017 TEMPER. D'ESSAI ( C) 70 70 70 70 70 70 D.P=0 (min) 300 240 270 270 315 215 D.P=5 % (min) 410 310 30 5 300 380 360 Tps. de prise (min) 435 375 360 350 380 505 Tps. de transit du gaz infini nul 90 80 infini nul ds la colonne (min) Migrat. initiale du gaz | nul 2670 nul 2500+ (cc/min) Migrat. finale du gaz nul 2670 19 2,5 nul 5000+ (cc/min) Migrat= I cc/min (min) | N.B. Voir page 15 les notes pour tableaux I à IV. -14- Tableau IV Essai N 0 1018 1019 1020 LAITIER: DYCKG 841 DYCKG 841 DYCKG841 Latex A (1/t) 151 N 0 (% EPDC) 1,0 1,0 Stab. (l/t) 4 3,55 3,55 R (l/t) 1,78 1,78 1,78 AM (l/t) 4,44 4,44 4,44 Eau de mélange (18% de NaCl)-VAL 47,4 47,4 47,4 T0 d'essai ( C) 70 70 70 DP = 0 (min) 270 380 DP = 5 % (min) 325 455 340 Tps. de prise (min) 370 510 365 Migration initiale du gaz (scc/min) 20 nul nul Tps. de transit du gaz ds la colonne nul infini infini (min) Migration maximale du gaz (scc/min) 70 nul nul Seuil de cisaille- ment (YV) (Pa) 10,63 7,85 Viscosité plastique (cp) 30,4 18,6 N.B. Voir page 15 les notes pour Tableaux I à IV. -15- NOTES POUR LES TABLEAUX I A IV CaC12: agit comme accèlèrateur de prise en présence de No. DYCKG: Ciment DYCKERHOFF classe G (API). "DYCK G GULF": variété de ciment DYCK G adaptée par le fabricant aux pays tropicaux. CEMOIL G 719: ciment API classe G. NO: sel d'ammonium de nonylphénoxy poly (èthylèneoxy) éthanol sulfate. "FENOPON EP 120" de GAF 20 - moles OE. Latex A: Latex styrène-butadiène 50/50 % en poids. ("RHODOPAS" SBOI2). Latex B: latex styrène-butadiène 66/33 % en poids. Stab.: stabilisant du latex: sel de sodium du produit de condensation d'acide A -naphtalène sulfonique et de formaldéhyde. AM: agent anti-mousse (Polyglycol PM 4000). E.F: eau pure. AG: agent anti-gel (polyglycol PM 2000). R: retardateur du type lignosulfonate. % EPDC: % en poids de ciment. % -VAL: % moins le volume des additifs liquides. TCF: T de circulation du laitier au fond du puits. % V Lat.: % en volume par rapport au latex. -16- REVENDICATIONS 1. Additif pour conférer à des laitiers de ciment la propriété de prise à angle droit, caractérise en ce qu'il consiste en le sel d'ammonium d'un nonylphènoxypoly( éthanol sulfaté. 2. Compositions de laitiers de ciment pour la cimentation de puits pétroliers et géothermiques, caractérisées en ce qu'elles contiennent un additif de "prise à angle droit" selon la rev. 1., à la concentration de 0,5 à 2 % par poids de ciment. 3. Compositions de laitiers de ciment selon la rev. 2. caractérisées en ce qu'elles contiennent de plus un latex styrène butadiène (70/30 à 40/60). 4. Procédé de cimentation d'un annulaire de puits pétrolier ou géothermique, pour supprimer le phénomène de migration du gaz, caractérise en ce que l'on injecte dans l'annulaire une composition de laitier de ciment selon la rev. 2. ou 3.