Brevet FR2628435A1 — publié le 19890915

"Utilisation d'un oxyde de manganèse comme boues de forage et bouillies de ciment de puits de pétrole". La présente invention concerne l!utilisation d'un produit résiduaire de l'affinage d'alliages ferro-manganèse, comme matériau lourd dans les bouil- lies de ciment de puits de pétrole et dans les boues de forage qui sont utilisées pendant le forage des puits de pétrole. Pendant le forage de puits de pétrole, on fait circuler une boue de forage dans le puits. Le but principal de la boue de forage est de maintenir une pression hydrostatique dans le puits qui est supérieu- re à la pression des couches contenant du pétrole et du gaz, dans la formation en cours de forage en vue d'empêcher une éruption incontrôlée du puits. En outre, la boue de forage est utilisée pour transférer hors du puits des particules qui sont formées pendant le forage. En vue d'obtenir une densité nécessaire de la boue de forage, ce qu'on appelle des matériaux lourds doivent être ajoutés à la boue de forage. Comme matériaux lourds, on utilise des matériaux inertes ayant une densité élevée. Les exemples de matériaux lourds connus sont la baryte, l'hématite et l'ilméni- te. Les matériaux lourds sont utilisés sous forme 262843S particulaire fine, la taille de particule étant norma- lement inférieure à 75 mm et de préférence inférieure à 50 mmn. Pendant la cimentation des puits de pétrole, une bouillie de ciment est pompée dans l'espace annu- laire compris entre la paroi du puits et les tubes de forage disposés dans le trou du puits. Le but de la cimentation et de sceller l'espace annulaire entre le tubage et la paroi du puits en vue d'empêcher le transfert de gaz et de pétrole dans cet espace annu- laire. Pour cimenter les puits de pétrole, il faut utiliser des bouillies de ciment ayant une densité correspondant au moins à la pression hydrostatique dans le puits de pétrole. Pour cimenter des puits de pétrole qui sont forés dans des formations à haute pression, il faut utiliser des bouillies de ciment ayant une densité élevée. Des bouillies de ciment de densité élevée sont obtenues par l'addition de maté- riaux lourds. Comme matériaux lourds de densité élevée pour bouillies de ciment, on peut utiliser les mêmes matériaux que ceux qui sont normalement utilisés comme. matériaux pour augmenter la densité des boues de fora- ge. Une condition importante que doivent remplir les matériaux lourds pour l'utilisation dans les bouillies de ciment de puits, est que les matériaux lourds doivent posséder certaines propriétés en relation avec la rhéologie des bouillies de ciment. Il est ainsi important qu'une quantité nécessaire de matériau lourd puisse être ajouté sans augmenter la viscosité de telle façon qu'il sera difficile de pomper les bouil- lies de ciment dans l'espace annulaire entre la paroi du puits et le tubage. De plus, il est important que la tendance à la sédimentation soit faible. Si la tendance à la sédimentation'est élevée, la densité du ciment dans le puits variera avec la hauteur et il y aura un risque de perdre la maîtrise du puits. C'est un objet de la présente invention de fournir un matériau lourd qui puisse être utilisé en boue de forage et en bouillie de ciment, ce matériau présente de manière inattendue de bonnes propriétés en boue de forage et en bouillie de ciment. En conséquence, la présente invention concerne l'utilisation d'un matériau oxyde manganoman- ganique contenant au moins 90 % en poids d'oxyde man- ganomanganique (Mn304), le reste étant de l'oxyde de calcium, de l'oxyde de magnésium, de l'oxyde de potas- sium et du dioxyde de silicium et moins de 1 % de man- ganèse à l'état élémentaire, ledit matériau ayant une densité comprise entre 4,50 et 4,75 g/cm3 et une tail- le de particules d'au moins 98 % inférieures à 10 mm, comme matériau lourd pour boue de forage et- bouillies de ciment de puits de pétrole. Les particules d'oxyde manganomanganique.qui sont utilisés dans la présente invention ont une den- sité plus grande que les matériaux lourds classique- ment utilisés. Grâce à la présente invention, il est possible de produire des boues de forage et des bouil- lies de ciment de puits de pétrole ayant une densité supérieure à ce qu'on pourrait obtenir en utilisant les matériaux lourds classiques. De plus, on a trouvé de manière inattendue que les particules d'oxyde man- ganomanganique réduisent la tendance à la sédimenta- tion et donnent une résistance plus élevée aux bouil- lies durcies de ciment. Les particules d'oxyde manganomanganique qui sont utilisées dans les divers aspects de l'invention sont récupérées à partir des gaz qui s'échappent pen- dant l'affinage à l'oxygène de ferromanganèse fondu. Ces particules représentent un déchet qui, normalement doit être éliminé. Le ferromanganèse classique produit dans un haut fourneau à courant d'air forcé ou dans un four électrométallurgique ou analogue à haute température, à environ 1200'C et plus, peut contenir jusqu'à 6 % ou plus de carbone. La teneur en carbone est habituelle- ment réduite, comme par exemple à environ 1,5 %, en insufflant de l'oxygène ou un mélange d'oxygène et d'air à travers le bain de ferromanganèse fondu, ou à sa surface. Ceci est fait dans une cuve séparée qui contient un bain de ferromanganèse fondu récemment écoulé du four électrique et à une température d'envi- ron 1000C ou plus et de préférence à environ 13000C ou plus. Un procédé de réduction de la teneur en car- bone de ferromanganèse fondu est décrit dans le brevet des Etats-Unis Ne 3 305 352 publié le 21 Février 1967. Dans ce procédé préféré de production de fumées d'oxy- de manganomanganique de la présente invention, on fait couler le ferromanganèse depuis le four électrique dans lequel il est produit, dans une cuve de traite- ment, telle qu'une poche ou un four à une température d'environ 1300*C ou plus. On élimine les scories et ensuite on souffle de l'oxygène à la surface du bain de ferromanganèse fondu par tout moyen approprié, tel qu'une ou plusieurs lances disposées à environ 2,5 cm au-dessus de la surface pour diriger un ou plusieurs courants d'oxygène à une pression d'environ 7,7 à environ 10,5 kg/cm2 pour avoir un impact contre la surface du bain. Le débit d'oxygène est d'environ 1,8 à environ 23 kg par minute pour un bain fondu de 227 kg dans une poche d'environ 76 cm de haut et de 51 cm de diamètre intérieur. Ce procédé peut être extrapolé si c'est souhaité. Le gaz résiduaire ainsi produit contient des particules très finement divisées de fumée d'oxyde manganomanganique.de configuration sphé- rique qui sont faciles à recueillir dans le gaz rési- duaire par des appareils classiques de récupération. Si c'est souhaité, les fumées d'oxyde manga- nomanganique de la présente invention peuvent aussi être produites comme sous-produit du procédé spécifi- que décrit dans le brevet américain N' 3 305 352 pour diminuer la teneur en carbone du bain de ferro- manganèse. Dans un tel cas, le bain de ferromanganèse sera soumis à insufflation à un débit suffisant pour chauffer le bain à une température de 1700'C avant que la teneur en carbone du bain de métal fondu ne soit ramenée à 1,5 %C. L'insufflation d'oxygène continuera jusqu'à ce que la température du bain atteigne environ 1750C environ, comme décrit dans le brevet. La fumée d'oxyde manganomanganique est extraite du gaz de manière classique. Les données ci-dessous soulignent quelques caractéristiques typiques des fumées d'oxyde mangano- manganique comme spécifié ci-dessus pour l'utilisation selon la présente invention: Formule chimique: Essentiellement Mn304. Typiquement, de 96 % à 98 % en poids d'oxyde manganomanganique, le complément étant un mélange qui comprend l'oxyde de calcium, l'oxyde de magnésium, l'oxyde de potassium et la silice, avec moins de 1 % environ en poids de man- ganèse métal. Analyse chimique (typique %.poids): 65,27 Mn; 2,03 Fe; 0,029 Al; 0,.28 Si; 0,17 C; 0,040 P; 0,045 As; 0,46 Ca; 1,43 Mg; 0,072 K; 0,023 Cr et 0,002 Pb. Densité apparente: 720-1440 kg/m3. Humidité: 0,22 % (1 heure à 107'C). Taille de particule: 98 % en-dessous de 10-6m. Forme: sphérique. Masse spécifique: 4,6 à 4,75 grammes/cm3. Stabilité thermique: pas d'effet jusqu'à 600'C. La présente invention sera maintenant décri- te plus en détail, en liaison avec les exemples sui- vants. EXEMPLE 1 Trois bouillies de ciment à haute densité A, B et C pour cimentation des puits de pétrole ont été préparées. Les bouillies de ciment ont contenu diffé- rentes quantités de particules de Mn304. La masse spé- cifique des particules a été de 4,6 g/cm3 et 98 % des particules ont eu une taille inférieure à 10-6m. L'analyse chimique des particules de Mn304 a été la suivante: Mn 64,5 % (=90 % Mn304) FeO 0,5 % Fe2O3 3,9 % CaO 2,4 % MgO 2,3 % SiO2 0,6 % S 0,05 % As 0,028 % Cd 0,002 % Les compositions de bouillies de ciment A, B, C, sont indiquées dans le Tableau I. TABLEAU I A B C pour-cent pour-cent pour-cent en poids en poids en poids Ciment G 61,1 55, 1 49,8 Fluidifiant (D-31) 0,7 0,7 2,4 Particules de Mn3O4 11,7 20,4 27,4 Eau 26,5 23,8 20,4 Densité g/cm3 2,04 2,16 2,27 Le ciment G est un ciment Portland produit par Norcem A/S, Norvège. D-31 est un fluidifiant produit par B.J. Hughes, USA. Pour faire des comparaisons, on a préparé trois bouillies de ciment classique D, E, F ayant la même densité que les bouillies A, B, C respectivement, en utilisant la baryte comme matériau lourd. Les bouillies de ciment A à F ont été prépa- rées et testées selon la spécification 10 API "Spéci- fication API pour les matériaux et le contrôle des ciments de puits". Les résultats sont présentés dans le tableau II. TABLEAU II Bouillies - Rhéologie (20C) A B C D E F Viscosité apparente, cp 29 40 45 56 90 * Viscosité plastique, cp 31 33 47 57 86 * Ecoulement, lb/10Oft2 -4 14 -5 3 8 * * La bouillie F est devenue trop visqueuse pour mesu- rer la viscosité et le point d'écoulement. Comme le montre le tableau II, les bouillies A-C contenant des particules de Mn304 comme matériau lourd, ont une viscosité plus faible que les bouillies D-F contenant de la baryte comme matériau lourd. La bouillie F ayant une densité de 2,27 g/cm3 est devenue trop visqueuse pour pouvoir être utilisée en cimenta- tion de puits de pétrole. Les résultats présentés dans le tableau II montrent ainsi que les bouillies de ci- ment contenant les particules de Mn3O4 comme matériau lourd ont de meilleures propriétés rhéologiques que les bouillies contenant la baryte comme matériau lourd. En vue de comparer la résistance à la com- pression après durcissement, des spécimens de test ont été réalisés à partir des bouillies B et E. Les spéci- mens de test ont été durcis dans l'eau à 20'C pendant 1,7 et 28 jours. Les-résultats sont présentés dans le tableau III. TABLEAU III Bouillies Temps B E Résistance à la compression, PMa 1 jour 12,2 11,4 2 jours 35,5 32,1 14 jours 52,7 46,1 Le tableau III montre que les spécimens de test obtenus à partir de la bouillie B, contenant des particules de Mn304 ont une résistance à la compres- sion plus élevée que les spécimens de test obtenus à partir de la bouillie E qui contiennent le matériau classique lourd, la baryte. EXEMPLE 2 Deux boues de forage A et B ont été prépa- rées. La boue de forage A a contenu un mélange de 90 % de baryte et de 10 % de particules de Mn304 comme ma- tériau lourd et de la boue de-forage B a contenu -un mélange de 75 % de baryte et de 25 % de particules de Mn3O4 comme matériau lourd. Les particules de Mn3O4 ont eu la même composition chimique et la même masse spécifique que les particules de Mn304 utilisées dans l'exemple 1. Pour faire des comparaisons, on a préparé une boue de forage C, qui a contenu seulement de la baryte comme matériau lourd. Les boues de forage A-C ont été préparées selon API RP 131 2API "Procédures standardisées pratiques recommandées pour le contrôle de laboratoire des boues de forage". Les résultats des propriétés rhéologiques des boues de forage AC sont présentés dans le tableau IV. TABLEAU-IV Boue de forage Rhéologie (20'C) A B C Viscosité apparente, cp 52,5 105,5 47 Viscosité plastique, cp 51,0 66,0 50 Point d'écoulement, lb/10Oft2 3 79 3 Résistance de gel, 10 sec. 0 80 1 Résistance de gel, 10 min. 6 15 270 La résistance de gel a été mesurée selon API RP 131 "Procédures standardisées pratiques recomman- dées pour le contrôle sur le terrain de boues de fora- ge". Le Tableau IV montre à l'évidence qu'on peut utiliser les particules de Mn304 à grande concentra- tion comme matériau lourd sans détériorer sérieusement la viscosité et la résistance de gel de la boue de fo- rage. Ainsi, en utilisant un mélange de matériaux lourds classiques et des particules de Mn304 il est possible d'obtenir une boue de forage de densité supé- rieure à ce qu'il est possible d'obtenir en utilisant de la baryte ou d'autres matériaux classiques lourds. La propriété de l'abrasion de particules de Mn304 et de la baryte a été testée en mesure de la perte de poids de pales de rotor selon la procédure API RP 131. Les résultats ont montré qu'alors que la baryte a donné une perte de poids de 6,8 mg/min, la perte de poids en utilisant les particules Mn304 a été réduite à 0,6 mg/min. Ceci montre que les particules de Mn304 donnent une usure par abrasion nettement plus faible que les particules de baryte. REVENDICATIONS 1) Utilisation de particules d'oxyde manga- nomanganique, caractérisée en ce qu'elle contiennent au moins 90 % en poids d'oxyde manganomanganique, le reste étant de l'oxyde.de calcium, de l'oxyde de magnésium, de l'oxyde de potassium et du dioxyde de silicium et moins de i pour-cent en poids de manganèse élémentaire, ledit matériau ayant une densité comprise entre 4,50 et 4,75 g/cm3 et une taille de particule telle qu'au moins 98 % soient en-dessous de 10 pm, comme matériau lourd pour boues de forage et pour bouillie de cimentation de puits de pétrole. 2) Utilisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules manganomangani- ques sont recueillies à partir de gaz résiduaires émis pendant l'affinage à l'oxygène de ferromanganèse fon- du.