Brevet FR2635469A1 — publié le 19900223

Additifs pour laitiers de ciment pétroliers, et laitiers correspondants. L'invention concerne les laitiers de ciment utilisés pour la cimentation de puits, notamment de puits pétroliers, d'eau, de gaz, géothermiques et analogues. L'homme de métier sait que par "cimentation" on entend le pompage du laitier dans le tubage du puits ( "tubing") puis la remontée du laitier dans l'annulaire du puits où le ciment doit prendre et ainsi consolider le tubage. Les conditions de pression, de température et de pompage sont bien connues pour rendre une telle opération très délicate. On est donc amené à concevoir des laitiers de ciment très spéciaux contenant des additifs qui leur permettent d'être bien adaptés aux conditions particulières imposées par chaque puits et la nature des formations géologiques traversées. On utilise ainsi couramment un dispersant consistant en un produit de condensation acide naphtalène-sulfo niquel formaldehyde. Ce dispersant bien connu (polynaphtalène-sulfonate ou "PNS") et notamment son sel de sodium ("Na PNS") donne entière satisfaction dans de très nombreux cas. On sait par ailleurs que la rhéologie d'un laitier dépend fortement du rapport eau/ciment.Si ce rapport décroît, on est amené à introduire un dispersant pour retrouver une viscosité acceptable, c'est-à-dire correspondant à un laitier qui soit pompable. On sait encore ajouter de la silice à un laitier de ciment pétrolier pour améliorer la résistance à la compression du ciment, notamment à haute température. La silice est connue pour augmenter la viscosité du laitier et impose donc un ajout supplémentaire de dispersants(s). Le tout est notamment fonction de la granulométrie de la silice introduite. Plus la silice introduite est fine, et plus la viscosité augmente fortement. Lorsque l'on utilise, soit pour alléger le laitier, soit pour prévenir la migration de gaz dans l'annulaire, ou pour renforcer la résistance à la compression de la micro-silice (dimension moyenne de particule comprise entre environ 0,05 pm et 5 tam), la dispersion correcte des particules de ciment et la viscosité du laitier deviennent un problème qui ne peut pas être résolu avec les dispersants connus comme le PNS. Par "micro-silice" on désignera dans tout le texte la micro-silice elle-même, ainsi que la silice colloI- dale, la fumée de silice, les terres de diatomées, les cendres volantes et produits particulaires analogues, présentant de manière tout à fait préférée une dimension de particule comprise entre env. 0,1 et 2 pin de préférence 0,1 pm. L'emploi de micro-silice étant techniquement très avantageux, il existe un réel besoin dans l'industrie pétrolière pour un laitier de ciment contenant la proportion requise de micro-silice (Jusqu' environ 30% BWOC, de préférence 15* BWOC BWOC signifie "en poids de ciment") et qui reste néanmoins utilisable sur le terrain (c'est-à-dire dont les paramètres rhéologiques restent dans les limites bien connues permettant un pompage correct, un bon placement du laitier, un bon placement de la boue de forage, et de bonnes caractéristiques de cimentation telles que résistances mécaniques, liaisons avec le tubage, liaisons avec les roches etc...) De tels laitiers n'ont pas pu être préparés avec les dispersants classiques, comme le PNS. Par contre il a été constaté qu'un dispersant relativement voisin chimiquement du PNS et obtenu par une synthèse analogue se comportait très différemment du PNS. Ce dispersant a été décrit dans la demande de brevet français No 87 15038 déposé le 28 Octobre 1987 par la demanderesse et consiste en un produit de con-densation de mélamine sulfonate-formaldehyde (polymélamine-sulfonate que l'on désignera ici par "PMS"). Ce polyaminesulfonate peut être notamment sous forme du sel de sodium ("Na PMS"). Le sel de sodium est préféré, mais d'autres sels métalliques sont accep tables (potassium, calcium) ainsi que le sel d'ammonium. Le vocable ci-dessus recouvrira également l'acide polymélamine sulfonique. Il a maintenant été découvert, selon l'invention, que le nouvel additif résultant de la combinaison d'un agent connu de contrôle du filtrat ( l'hydroxyéthyl- cellulose ou HEC ) et du PMS présentait de grands avantages par rapport à l'emploi classique du PNS, notamment comme additif pour laitiers saturés salés et laitiers haute température. On pourra utiliser la forme solide, liquide, ou une solution notamment à 40% dans l'eau. Ce nouvel additif constitue le principal objet de l'invention. Les laitiers de ciment le contenant en constituent un autre. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. Exemple 1 Laitiers salés saturés Avec les laitiers préparés dans une eau saturée en NaCl, en particulier si un dérivé cellulosique est utilisé pour réduire le filtrat, la rhéologie peut être réduite de façon significative par l'addition de PMS. En effet, on peut voir dans le tableau ci-dessous que le seuil d'écoulement est beaucoup plus bas avec du PMS qu'avec du PNS. Laitier salé saturé Ciment : Dyckerhoff Gulf (class G) Hydroxyethylcellulose 0,7% (BWOC) Dispersant : PNS 0.16 gal/sack (14,2 l/t) ou PMS : 0,32 gal/sack (28,4 l/t) Fluide de base : Eau salée saturée Température : 160 F. (71 C) Densité : 15.8 ppg (1896 g/l) Norme API : 5G8 TV PV Gel Gel dans Seuil Viscosité à 10 min. le bol d'écoulement plastique (Norme API) lbs/100sqft cP (Pa) PNS 30 33 18 OUI (14) PMS 9 56 35 NN (4) Note: BWOC = en poids de ciment. Exemple 2 Laitiers pour puits haute température Quand on cimente des puits très chauds, même peu profonds, comme par exemple des puits d'injection de vapeur, il est nécessaire d'ajouter 35% de silice au laitier de ciment pour prévenir la perte de résistance du ciment pris dûe à la haute température de la vapeur. L'addition de silice produit une rhéologie élevée qui requiert l'addition de grandes quantités de dispersant pour obtenir des conditions de pompage acceptable. Si le PNS est utilisé, il en résultera un très long temps de prise et un mauvais développement de la premiere résistance à la compression pour des températures inférieures à 600C (140 Fs. Cependant avec du PMS il est possible d'obtenir des temps de prise inférieur à 5 heures et des résistances à la compression à 16 heures supérieures à 3000 psi (210 kg/cm2) qu'on n'obtient pas avec le PNS. Ces résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous. Laitier typique utilisé pour un puits d'injection de vapeur Ciment : Dyckerhoff G "GULF" (version tropicale) Fluide de base : Eau du robinet Hydroxyethylcellulose 0,25% BWOC Silice : 35% BWOC Accélérateur de prise : NaCl 6% BWOW Densité : 15.6 ppg (1872 g/l) BHCT : 100 F (1) (37,8 C) BHST : 131 F (2) (55 C) Norme API : 4G6 PNS PMS (0.25 gal/sk) (0.5 gal/sk) (22,2 l/t) (4,4 l/t) Ty (lbs/100sqft) (Pa) 17.7 (8) 2.3 (1) Pv (cp) 62 63 IGel à lOmin. (lbs/100sqft) (Pa)! 34 (16) ! 12 (6) Z :Sedimentation : Non : Non : Perte de filtrat API(cc/30 min)! 632 ! 178 !Temps de prise IPlus de420mn! 265 min. ! :Resistance comp. API à 16 h ! 0 0 : 3000 psi ! : : : : (1) Température de circulation en fond de puits (2) Température statique en fond de puits Note : BWOC = en poids de ciment BWOW = en poids d'eau Exemple 3 Laitier Ciment : Dyckerhoff "Gulf" (class G) (version tropicale) Hydroxyéthylcellulose 0.7% (BOWC) Dispersant : PNS 0.16 gal/sack (14,2 l/t ou PMS 0.32 gal/sack (28,4 l/t Fluide de base : Eau déionisée Température : 160 F (71 C) Densité : 15.8 ppg (1896 g/l Norme API : 5G8 BWOC - en poids de ciment. Dispersant Seuil Viscosité Gel Temps Filtrat Gel dans d'écoulement plastique à 10 min de prise ml/30 min. le bol :lbs/100sqft ! cP ! ! minutes ! (Pa) PNS 1 4 1 67,99 1 5 ! 294 ! 30 : NON (2) Z PMS : 2.26 1 72 1 7 Z 194 ! 26 1 NON (1.1) Revendications 1) Additif pour laitiers de ciment pétroliers et analogues , caractérisé en ce qu'il consiste en un mélange i) du produit de condensation de mélamine sulfonate et de formaldéhyde (polymelamine sulfonate ou PMS) ou de son sel de sodium (Na PMS) avec ii) l'hydroxyethylcellulose. 2) Laitiers pour cimentation de puits pétroliers, de gaz, d'eau ou geothermique, caractérisés en ce qu'ils contiennent un additif selon la revendication 1.