Brevet FR2581651A1 — publié le 19861114

DISPERSANTS POUR FLUIDES DE FORAGE ET FLUIDES DE FORAGE LES CONTENANT La présente invention concerne l'emploi d'un copolymère acrylique comme dispersant pour les boues de forage aqueuses. L'invention concerne également les boues de forage contenant le dispersant, qui conviennent tout particulièrement pour le forage en moyenne et grande profondeur, dans les zones o apparaissent des difficultés liées à la température du sol, au contenu important en solides dont la boue peut se charger au cours du forage et enfin aux contraintes de l'environnement sur le plan de la toxicité. On sait que, dans le forage des puits de pétrole ou de gaz naturels par le procédé rotary, on utilise un fluide qui a notamment pour r6le d'assurer la remontée des déblais formés sur le front de taille. Ce fluide, qui est introduit sous pression par l'axe du train de tiges, traverse la tête du trépan puis remonte dans l'espace annulaire limité par ledit train de tiges et le trou de forage lui-même, assure simultanément d'autres fonctions qui sont notamment le refroidissement de la tâte du trépan, l'étanchéité des parois du puits, l'équilibre des pressions internes par la pression hydrostatique. Les fluides de forage aqueux, ou boues de forage, sont constitués usuellement d'une suspension aqueuse contenant divers matériaux destinés à leur conférer certaines propriétés physiques et chimiques. Ce sont notamment: - des viscosifiants: argiles gonflantes insolubles dans l'eau que l'on choisit en fonction de la teneur en électrolytes de l'eau, souvent associées à un ou plusieurs polymères viscosifiants - un dispersant ou fluidifiant - éventuellement un réducteur de filtrat comme la carboxy- méthylcellulose de bas poids moléculaire ou les amidons - éventuellement un agent alourdissant comme la barytine. L'eau peut être de l'eau douce, de l'eau saline ou une saumure. Un des problèmes majeurs qui se pose à l'homme de l'art est de disposer d'un système ayant des caractéristiques théologiques (viscosité - seuil de cisaillement - thixotropie) stables durant tout le cycle du forage et nonobstant les arrêts de circulation qui peuvent être nécessaires. Au fur et à mesure de la progression du forage et de la remontée des déblais, le contenu élevé en contaminants solides provoque un accroissement de la viscosité et la pression dans le système de circulation tend à devenir trop élevée s'il y a aggrégation et/ou floculation des particules d'argile. Pour abaisser la viscosité, ou tout au moins limiter son augmentation, et défloculer l'argile, des réducteurs de viscosité (dispersants ou fluidifiants) sont communément ajoutés au fluide de forage. Dans les puits pétroliers, par suite de l'accroissement de la profondeur, des températures relativement élevées peuvent être rencontrées. Il est donc indispensable que les additifs possèdent une stabilité thermique suffisante. Pour des raisons évidentes d'économie, il est souhaitable qu'ils soient efficaces à faible dose. Comme dispersants des boues de forage, les polyphosphates sont peu intéressants du fait de leur instabilité aux températures supérieures à 70 C. Les dérivés de la lignite et les lignosulfonates sont moins susceptibles de dégradation thermique. Cependant, l'efficacité de la lignite est limitée par les contaminants électro- lytes (chlorure de sodium et sels de calcium notamment), qui conduisent à sa précipitation. Les lignosulfonates de chrome et de ferro-chrome sont utilisés à la fois comme dispersants et réducteurs de filtrat. Ils sont efficaces en présence de sels de calcium et à des températures allant jusqu'à 150 C mais la toxicité due au contenu en chrome limite de plus en plus leur emploi. Parmi les autres dispersants préconisés pour les boues de forage, on peut citer des polymères comme les homopolymères d'acide acrylique de très bas poids moléculaire (brevet américain US-A 3 764 530) et les copolymères de l'acide maléique et du styrène sulfoné (brevet américain US-A 3 730 900). Il a été trouvé des dispersants utilisables dans les fluides de forage qui sont non toxiques, insensibles à l'environnement salin, qui ont une excellente efficacité à faible concentration et qui sont stables à des températures pouvant atteindre et même 258165 1 dépasser 150 C. La présente invention a pour objet l'emploi, à titre de dispersants dans les boues de forage aqueuses de copolymères acryliques hydrosolubles de bas poids moléculaire résultant de la copolymérisation de 75 à 99 moles % d'acide acrylique et/ou métha- crylique et de 1 à 25 moles % d'un sel soluble dans l'eau de l'acide allyl-et/ou méthallylsulfonique. Ces copolymères peuvent être obtenus par polymérisation radicalaire en solution aqueuse de l'acide acrylique et/ou méthacrylique avec un allyl et/ou méthallylsulfonate alcalin, notamment de sodium, ou d'ammonium. On peut employer par exemple l'eau oxygénée comme catalyseur de formation de radicaux libres, en association avec l'alcool isopropylique en présence de faibles quantités de sel de cuivre, ce dernier pouvant être remplacé par une certaine quantité de sulfate d'hydroxylamine ou eau oxygénée avec un sel de fer (sulfate ferreux) et sulfate d'hydroxylamine, ou encore persulfate de sodium ou d'ammonium en présence d'acide acétique. La solution du polymérisat obtenue peut être utilisée sous cette forme comme dispersant des boues de forage, mais elle peut également être concentrée, par tous moyens connus, ou bien le copolymère peut être isolé sous forme d'une poudre. Selon une forme préférée de mise en oeuvre de la présente invention, on utilise un copolymère obtenu à partir d'un mélange de monomères renfermant à la fois de l'acide acrylique et de l'acide méthacrylique. Le rapport molaire de l'acide acrylique à l'acide méthacrylique est de préférence compris entre 0,5/1 et 3/1 et plus préférentiellement entre 1/1 et 2/1. Selon une autre forme préférée de la présente invention, on met en oeuvre un copolymère obtenu à partir d'un mélange de 75 à 90 moles d'acide acrylique et de 10 à 25 moles de méthallylsulfonate alcalin ou d'ammonium. Le copolymère obtenu présente une masse moléculaire pouvant âtre comprise entre environ 500 et 10.000, et plus généralement entre environ 2.000 et 6.000. Le dispersant est ajouté aux éléments constitutifs de la boue, de manière connue en soi. Il est efficace en quantité aussi faible que 0,1 g (en sec) par litre de boue. On incorpore généralement des quantités comprises entre 0,5 et]0 g de dispersant par litre de boue, bien que des quantités plus élevées puissent être utilisées, selon les cas. Les exemples suivants illustrent l'invention: Exemple 1 Préparation du dispersant On prépare les deux solutions suivantes: Solution A Eau déminéralisée 350 g Acétate de cuivre 0,5 g Méthallylsulfonate de sodium 5 g Isopropanol 50 g Solution B Eau déminéralisée 450 g Acide acrylique 230 g Acide méthacrylique 230 g Méthallylsulfonate de sodium 50 g Dans un réacteur de 2 1 muni d'un agitateur, de trois tubes d'introduction d'azote, d'introduction de monomères et d'introduction de catalyseur, on place sous azote la solution A. On chauffe à reflux le milieu desaéré et agité, puis on introduit g de la solution B et 12 ml d'eau oxygénée à 110 volumes. On maintient la solution à reflux et sous agitation et on introduit en continu et simultanément les 860 g restant de la solution B et 68 ml d'eau oxygénée. Cette addition dure 1 heure 30 minutes. On ajoute encore 10 ml d'eau oxygénée, on maintient à reflux la solution 30 minutes, puis à nouveau 10 ml d'eau oxygénée et on maintient 1 heure 30 minutes à reflux. La solution est concentrée par distillation sous vide puis refroidie. Le concentrat a un extrait sec de 49,5 % et une densité de 1,185. La viscosité Brookfield est de 1.300 mPa.s (Modèle RV aiguille n 2). Masse moléculaire moyenne en poids du polymère Mw # 4.000 Diamètre hydrodynamique des particules par diffusion de lumière en solution à 5,1 g/l, 0 = 45 Angstroms. Préparation de la boue de forage On prépare une boue avec de l'eau douce et des argiles bentonitiques en introduisant dans 8,9 litres d'eau, 410 g de bentonite FB5 et 600 g de bentonite FR2 (produits commerciaux de la Société CECA) ayant un rendement de, respectivement, 35 m3 et- 15 m3 de boue par tonne d'argile mise en oeuvre [définition du rendement selon la spécification n DFCP 4 "Drilling Fluid material bentonite" de l'OCMA (Oil Companies Materials Association)]. On ajuste le pH à 9,5 par addition de soude. On agite 3 minutes au moyen d'une turbine ULTRATURRAX tournant à 15.000 tours/minute et on laisse refroidir à 25 C. On sépare la boue en plusieurs fractions aliquotes. Dans chaque fraction, on ajoute le dispersant à la concentration choisie. On cisaille à nouveau 30 secondes à l'aide de la turbine. On laisse reposer 30 minutes et on détermine les caractéristiques rhéologiques au moyen d'un viscosimètre FANN modèle 35A. On mesure la viscosité apparente (Va), la viscosité plastique (Vp), la yield value (Yv) et le gel 0 et 10. Ces caractéristiques sont définies dans l'ouvrage "Drilling and Drilling Fluids - G.V. Chilingarian and P. Vorabutr - Elsevier 1981". A titre comparatif, on mesure les performances d'un lignosulfonate de ferrochrome utilisé selon l'art antérieur (marque Brixel de la Société CECA). Tous les résultats sont répertoriés dans le Tableau 1. Il apparaît que la boue contenant le dispersant selon l'invention a un comportement rhéologique très supérieur à celui de la boue adjuvantée au moyen de lignosulfonate de ferro-chrome puisque les valeurs de viscosité et de gel qui mesurent l'épaississement de la boue sont bien plus faibles.- Exemple 2 Avec la boue préparée selon l'exemple 1, on teste les dispersants à haute température. Chaque boue, après addition du dispersant à la concentration choisie est introduite dans une cellule et soumise à un -roulage dans une étuve rotative pendant 16 heures à la température de 90 C, ou 120 C ou 150 C. Les résultats des mesures rhéologiques effectuées après le test thermique sont répertoriés dans le Tableau 2. On constate que le dispersant selon l'invention reste efficace à haute température et beaucoup plus performant que le lignosul- fonate de ferro-chrome. Ainsi, pour une concentration de 2 g par litre de boue, la comparaison des valeurs Yv, avant roulage et après roulage à différentes températures, montre que la moyenne Yv est de 3 pour le produit selon l'invention à 49, 5 % d'extrait sec alors qu'elle est de 29,5 pour le lignosulfonate à 100 % d'extrait sec. o a:" Ln % '68 tluCiodoD Z 00l [aX Fa = Das Texa ", 1/1 O L L ú Z/6 91 01 81 9 1/1 O 9 9 Z'7/61'Z L 61 9 z/l I 5 9 8ú/81 Oz il Oz vn snoq oZ/ uú '9 09/0ú51 [ St dl s iU eAV OI/Z v L 6 ú9/Lú77 v çZ I 8/Z 9 9 6 5'o 01/0 laTfAÀdA eA 01/0 -[aDAXdA eanoq ap aEI1/2 saiToieviado UOiluaAuTl uolas alaud odoaauues.adSTci suoFFlçPUOa TABLEAU 2 Conditions Dispersant Brixel Invention opératoires g/litre de boue * Va Vp Yv Gel 0/10 Va Vp Yv Gel 0/10 0,5 30 22 16 4/22 Après 1 35 14 42 30/52 20,5 16 9 2/10 roulage 2 37]8 36 26/45 15,5 13 5 2/3 16 h à 900C 4 35 25 20 14/26 18,5 16 5 1/2 6 29 20 18 9/21 17 14 6 2/9 8 22 15 14 8/20 17 14 6 2/10 O Après 1 34 13 42 35/38 21 18 6 0/12 roulage 2 32 16 32 24/42 10 9 2 0/0 16 h à 120 C 4 30 19 22 18/28 9 8 2 0/0 Après 2 34 15 38 32/50 15 13 4 0/1 roulage 16 h à 1500C LA, * Extrait sec: Brixel 100 % o Copolymère 49, 5 % Z Ln REVENDICATIONS 1) Boues de forage aqueuses caractérisées en ce qu'elles contiennent, à titre de dispersants, un copolymère acrylique hydrosoluble de faible poids moléculaire résultant de la copoly- mérisation de 75 à 99 moles % d'acide acrylique et/ou méthacrylique et de 1 à 25 moles % d'un sel soluble dans l'eau de l'acide allyl- et/ou méthallylsulfonique. 2) Boues de forage selon la revendication 1 caractérisées en ce que le copolymère renferme un mélange d'acide acrylique et d'acide méthacrylique dans un rapport molaire compris entre 0,5/1 et 3/1 et de préférence compris entre 1/1 et 2/1. 3) Boues de forage selon la revendication 1 caractérisées en ce que le copolymère est obtenu à partir d'un mélange de 75 à 90 moles d'acide acrylique et de 10 à 25 moles de méthallylsulfonate alcalin ou d'ammonium. 4) Boues de forage selon l'une des revendications I à 3 caractérisées en ce qu'elles contiennent 0,1 à 10 g de dispersant par litre de boue.