Brevet FR2640520A1 — publié le 19900622

La présente invention concerne un procédé de préparation d'une suspension d'une matière en particules non gonflante dans un fluide particulier. La suspension est utilisée pour établir une viscosité élevée et continue dans le fluide qui est utilisé pour forer, conditionner ou reconditionner un puits souterrain de pétrole ou de gaz. Un système rotary constitue la forme la plus courante de forage d'un puits souterrain. Ce système est fondé sur la rotation d'une colonne de tiges de forage à la base de laquelle est fixé un trépan de forage à dents multiples. Le trépan de forage entame le sol, ce qui a pour effet que les déblais de forage s'accumulent à mesure que le forage se poursuit. Il en résulte qu'un fluide de forage doit être utilise pour transporter ces déblais à la surface en vue de leur élimination, ce qui permet donc au trépan de continuer à fonctionner, et de maintenir le fond du trou propre et dépourvu de déblais à tout instant. D'une façon génerale, des fluides utilisés pour forer, conditionner ou reconditionner des puits souterrains ont été du type en émulsion eau-danshuile ou du type à base aqueuse, dans lequel de l'eau de ville, de l'eau de mer, une solution de sel, etc., est utilisée comme fluide de base prédominant auquel est ajouté un agent alourdissant tel que la baryte, une substance argileuse telle que la bcntonite pour donner du "corps", des agents influençant la filtration, des agents dispersants, des agents de déflocu- lation et d'autres additifs qui sont bien connus de l'homme de l'art. Depuis quelque temps, des considérations liées a la protection de l'environnement ont grandement limité et, dans certaines circonstantes, interdit l'usage de fluides en émulsion inverse et d'autres fluides à base d'hydrocarbures, en particulier dans des opérations de forage au large des côtes. Dans quelques cas, l'autre possibilité offerte à l'industrie, c'est-à-dire l'utilisa- tion de fluides classiques à base aqueuse, n'a pas donné entière satisfaction à cause, par exemple, du manque de lubrifiants, d'agents influençant la filtration, etc., qui sont efficaces dans des milieux à température et pression élevées si souvent rencontrés dans les opérations actuelles de forage. En conséquence, l'industrie a trouvé un intérêt considérable dans des fluides aqueux dits "synthétiques" qui sont non polluants, et qui montrent un grand nombre des propriétés bénéfiques des fluides à base hydrocarbonée, telles que la lubrification, la limitation de la filtra- tion, etc., le tout à des températures considérablement superieures à celles des paramètres opératoires classiques de fluides à base aqueuse. Certains de ces fluides synthétiques sont décrits dans la demande de brevet simultanément pendante N 07/128 798 déposée le 4 Décembre 1987, intitulée "Modified Non-Polluting Liquid Phase Shale Swelling Inhibition Drilling Fluid and Method of Using Same", dont l'objet et la description sont incorporés ici à titre documentaire. Ces fluides comprennent une phase liquide à laquelle est ajouté un composant hydrosoluble. La phase liquide peut être de l'eau douce, de l'eau de mer, une saumure, une saumure simulée, ou leurs mélanges. Le composant hydrosoluble peut être un alcool poly- hydroxylique, le glycérol, un glycol, un éther de glycol, un polypropylène-glycol, un polyéthylene-glycol, un copolymère d'oxyde d'éthylène et d'oxyde de propylène ou un copolymère d'oxyde d'éthylène et d'oxyde de propylène amorcé par un alcool, ou des mélanges de ces composants ou d'autres composants similaires, le composant hydrosoluble représentant une proportion d'environ 5 à environ 50 % en volume de la phase liquide totale du fluide. Ces fluides "synthétiques" nécessitent fréquemment l'addition d'un certain type de matière fibreuse en particules ne gonflant pas, telle que l'amiante, l'attapulgite, la sépiolite et d'autres substances minérales et des matières qui sont bien connues de l'homme de l'art et qui sont utilisées pour élever la viscosité, et à d'autres fins connues. Cette matière en particules est relativement insensible à l'hydratation en surface, au gonflement des couches internes et au gonfle- ment osmotique. En contraste avec des substances argileuses et d'autres substances qui gonflent effectivement dans des liquides, cette matière en particules qui ne gonfle pas ne possède pas une structure reticulaire qui permet l'absorp- tion de liquide entre les couches de même qu'à la surface des particules. En outre, cette matière non gonflante en particules est aussi relativement insensible au gonflement osmotique qui se manifeste dans des structures de type réticulaire, parce que les ions de surface sont plus concentrés que dans le liquide lui-même. On s'est aperçu qu'en tentant de préparer une suspension de cette matière non gonflante en particules dans des solvants appropriés en vue de l'introduction ultérieure dans ces fluides synthétiques, l'obtention d'une suspension de la matière dans le fluide réservait des difficultés considérables. Selon le fluide et la matière en particules que l'on choisit, il arrive parfois qu'une suspension est initialement formee, mais qu'elle est instable et que la matière en particules cesse d'être en suspension dans le fluide au cours du temps. Il est nécessaire de former une suspension de cette matière en particules afin que la matière puisse être utilisée pour diverses applications dans le fluide de forage, y compris pour améliorer et élever la viscosité. La- Demanderesse a trouvé qu'une suspension stable de cette matière non gonflante en particules dans des fluides de forage synthétiques choisis pouvait être obtenue par mise en contact de la matière non gonflante en particules avec une quantité suffisante d'un composant choisi de préférence entre l'eau et le glycerol, avec formation d'une "pâte" de ladite matière en particules. Le terme "pâte" est utilisé dans le présent mémoire pour désigner le produit que l'on obtient lorsqu'on expose une matière à un fluide au point de la mouiller pour produire ensuite une matière collante de type plastique qui se prête au malaxage avec une teneur résultante en liquide qui fait que la matière en particules devient une masse qui varie d'une matière à consistance de mastic jusqu'à une pâte collante, cependant que le contact avec le composant et l:exposition dans la quantité de ce dernier, tel que l'eau, etc., que l'on utilise pour former la pâte, sont insuffi- sants pour que la matière en particules se suspende ou se disperse ou se sépare visiblement dans le fluide. Après formation de la pâte, cette dernière est introduite dans une quantité prédéterminée du fluide de forage synthétique, sous agitation, pour former une suspension de la matière en particules sous forme initiale de pâte, en sorte qu'une viscosité élevée peut être établie et maintenue au cours du temps par l'état de suspension dans le fluide. La matière non gonflante en particules qui est utilisée dans la présente invention peut être n'importe quelle matière fibreuse qui n'a pas une structure réticu- laire, telle que la structure que l'on observe normalement dans des matières du type de la bentonite et d'autres matières gonflantes du type argileux. La matière en particules peut être une matière minérale ou un autre constituant tel que l'amiante. Des exemples de matières minérales non gonflantes sont la sépiolite et l'atta- pulgite. La quantité de matière en particules que l'on utilise dans la suspension n'est pas aussi importante que la quantité de composant du fluide qui peut être un solvant approprié et qui est utilisé pour la pâte. Les fluides dont on envisage l'utilisation dans la présente invention comprennent l'eau et le glycérol, et leurs mélanges. Si 1 eau est utilisée comme composant choisi du fluide, il peut s'agir d'une saumure, d'eau saumâtre, d'eau de ville, d'eau de mer, etc. Dans quelques cas, de l'eau désionisée peut être utilisée, mais son aptitude à former une pâte satisfaisante peut être quelque peu atténuée en raison du manque d'une ionisation correcte. Bien que la question ne soit pas entièrement élucidée, on considère qu'un échange ionique entre le fluide et la matière en particules peut avoir une certaine influence sur la réaction qui a lieu entre la matière en particules et le fluide que l'on utilise pour former la pâte. La quantité de composant du fluide que l'on utilise dans la présente invention dépend bien entendu de la matière en particules que l'on choisit. D'une façon générale, le composant du fluide doit être prévu en une quantité comprise entre environ 1,3 et environ 20 % en poids de la quantité totale de composition fluide/composant. Dans des applications sur le terrain, la quartité de composant du fluide peut être aisementcalculée avant la formation de la pâte, et la matière en particules peut être mise en contact avec le composant du fluide par pulvérisation avec un tuyau flexible ou une buse et exposition des surfaces de la matière en particules au fluide formé du composant, ou par d'autres moyens connus et similaires pour assurer la formation d'une pâte seulement. La pâte peut être introduite dans le fluide synthétique de base dans un récipient en dehors du site en vue de son transport ultérieur sur le site de forage, par bateau, par camion ou d'autres moyens, ou bien elle peut être introduite dans ce fluide cependant qu'elle circule réellement dans le puits, ou sur le site du puits et dans un bassin ou une trémie classique de préparation de boue. En tout cas, la pâte est introduite dans une quantité prédéterminee du fluide sous agitation, par exemple en utilisant un "pistolet" à boue disponible dans le commerce. En cas de préparation au laboratoire, on peut utiliser un agitateur Hamilton Beach. L'établissement d'une suspension satisfaisante peut être évalué visuellement, ou par des données de viscosité indiquant que la viscosité a été établie et entretenue au cours du temps. Normalement, la viscosité du fluide synthétique est élevée par la suspen- sion d'un facteur au moins égal à 4 environ par rapport à la viscosité du fluide synthétique sans addition de la suspension, comme déterminé par des essais classiques, 'tls que ceux qui sont indiqués dans le Standard Bulletin 13-B de l'American Petroleum Institute, paragraphe 2.4, pour le calcul et l'établissement du point de gélification initial et après 30 minutes. Dans les essais indiqués ci- après, ce mode opératoire a été utilisé. La conduite de cet essai et le calcul de ces résistances de gel sont bien connus de l'homme de l'art et sont exposés dans le Standard Bulletin L3-B de l'American Petroleum Institute, paragraphe 2.4, daté du ler Septembre 1988. Bien que d'autres fluides connus puissent être utilisés pour former un liquide synthétique de forage mettant en oeuvre le mode opératoire d'établissement de la suspension selon la présente invention, cette dernière est particulièrement utile pour préparer une suspension de cette matière non gonflante en particules dans un fluide synthétique de base choisi dans la classe comprenant le glycol, des éthers de glycol, des polypropylène-glycols, des polyéthylene-glycols, le glycérol, des copolymères d'oxyde d'éthylène et d'oxyde de propylène, des copolymères d'oxyde d'éthylène et d'oxyde de propylene amorcés par un alcool, et/ou leurs mélanges. On peut utiliser avantageuse- ment des queues de tripropylene-glycol additionnées de la suspension contenant une matière non gonflante en par- ticules sous forme de pâte. EXEMPLE I On a effectué des essais et interprété les résultats de manière à déterminer l'aptitude du procédé de l'invention a produire une suspension stable d'une matière déterminée non gonflante en particules dans des fluides utilisés expérimentalement. Dans les essais, on a effectué un "blanc" dans lequel la matière non gonflante en particules n'a pas été préparée sous la forme d'une pâte avant l'introduction dans un fluide en vue de préparer la suspension. Dans 'a préparation de ce "blanc" destiné à être utilisé dans ce mode opératoire, tous les agents chimiques ont été pesés et des queues de tripropylène- glycol ont été chargées dans un mélangeur à barreau Hamilton Beach. Les queues de tripropyltne-glycol ont été agitées dans ce mélange pendant 2 minutes, après quoi de l'eau de ville de Houston, Texas, a été ajoutée. Apres l'addition d'eau, la matière non gonflante en particules qui a été choisie a été ajoutée et le mélange a été agité dans le mélangeur pendant 20 minutes. Le mode opératoire utilisé pour l'essai dans lequel une pâte de matière non gonflante en particules a tout d'abord été préparée avant l'introduction dans le liquide, a été le suivant: tous les composés chimiques ont été pesés, après quoi des queues de tripropylene-glycol ont été ajoutées au mélange et le tout a été agité pendant 2 minutes. La matière non gonflante en particules qui a été choisie a été mise en contact avec de l'eau de Houston, Texas, par pulvérisation de l'eau en douceur jusqu'à ce qu'une pâte ait été formée. La pâte a été introduite dans le mélangeur en vue d'y être malaxée pendant 20 minutes. Dans chaque cas, de l'eau de ville a été utilisée pour former la pâte en quantité de 10 % du volume calculé de composition fluide/composant. Apres la formation de la pâte, celle-ci a été introduite dans des queues de tripropylene-glycol avant la mesure des pro- priétés rhéologiques. Les propriétés rhéologiques de chaque matière ont ensuite été déterminées à la température ambiante en utilisant un viscosimètre Fann 35 A, et la détermination des propriétés rhéologiques a été effectuée d'une manière connue, conjointement avec les résistances de gel initialement et après 20 minutes. La quantité de matière non gonflante en particules qui a éte utilisée pour préparer à la fois le "blanc" et la matière en pâte était une quantité égale à 28,53 kg/m3 de cette matière en particules. Apres l'introduction de la pâte dans le fluide, on a immédiatement observé à l'examen visuel sa mise en suspension. Aucune suspension de matière non gonflante en particules dans le fluide n'a été observé dans le cas du "blanc". Les mesures rhéologiques ont indiqué que l'éléva- tion de viscosité avait été établie et qu'une suspension stable avait été obtenue dans l'essai utilisant la méthode de formation de pâte, par des mesures de la résistance de gel initialement et après 30 minutes, dont les valeurs ont été notablement élevées par rapport aux valeurs de gel obtenues pour des "blancs". Les résultats de cet essai sont reproduits sur le tableau 1 suivant. TARMU 1 Essai No 1 Essai N' 2 "Blanc" Mouillé "Blanc" Mouillé Additifs à l'essai à se à sec 1 2 Produits M sure à 600 tr/min 72 112 68 86 150 150 TPGB, g Mesure à 300 tr/min 38 68 39 53 V.P., Sépio- mPa.s 34 44 29 33 4,8 lite, g Seuil de cisaille- ment,kPa 0,28 1,68 0,7 1,4 Gel Atta- initial 2 8 3 7 4,8 pulgite, g Gel a Eau de rin 3 12 4 8 17 17 ville, g EXEMPLE II On a effectué des essais et évalué les résultats comme dans l'exemple I, en modifiant la quantité de sépiolite et d'attapulgite, de même que la quantité d'eau de ville qui avait été utilisée pour former la pâte. Dans un essai (essai 3 de l'exemple II), on a utilisé du glycérol au lieu d'eau de ville pour former la pâte et dans un autre essai (essai 4 de l'exemple II), on a utilisé pour former la pâte de l'octanol (matière n'entrant pas dans le cadre de la présente invention). Dans tous ces essais, une pâte satisfaisante a été formée et une suspension dans des queues de tripropylene-glycol a été observée visuellement avant les mesures rhéologiques. Dans tous les essais, sauf dans l'essai N 4, on a obtenu des mesures rhéologiques élevées comparativement à la préparation et à l'essai à "blanc", et les résistances de gel initialement et après minutes ont été élevées par rapport à celles de l'essai et de la matière "à blanc", ce qui indique qu'une suspen- sion satisfaisante avait été établie au cours du temps et que cette suspension avait entraîné une élévation de viscosité dans ce fluide formé de queues de tripropylène- glycol. Les résultats de cet essai sont reproduits sur le tableau 2 cidessous: TAEIEU 2 1Essai N 1 Essai N' 2 Essai N 3 Essai N 4 "Blanc" "Blanc" "Blanc"l "Blanc" à sec/pâte à sec/pâte à sec/pâte à sec/pâte Mesure à 600 tr/min 78 153 68 124 68 163 63 Msure à 300 tr/min 40 93 35 71 35 100 32 V.P., mPa.s 38 60 33 53 33 63 31 Seuil de c-!saillem-nt - kPa 0,14 2,31 0,14 1,26 0,14 2,59 0,07 Gel initial 1 13 1 9 1 21 1 Gel à 30 min 1 21 2 19 2 41 2 Additifs à l'essai, kg/m3 2,85 5,7 8,55 11,4 Produits 150 150 150 TPGB, g 4,4 4,4 4,4 Sépiolite, g 4,4 Attapulgite, g 3 3 Eau de ville, g 3,75 Glycérol, g - 3 Octanol, g 1 2 et 2,4 % en poids d'additif mouillant 28,5 kg par mètre cube d'argile EXEMPLE III On a effectué des essais, dont on a évalué les résultats, afin de déterminer l'aptitude du procédé de l'invention à permettre à une matière non gonflante en particules de former une suspension dans des fluides particuliers pour améliorer la viscosité. En plus de la matière non gonflante en particules qui a été utilisée, c'est-à-dire la sépiolite, le mode opératoire a aussi été appliqué à une matière qui n'est pas une matière non gonflante en particules, à savoir la bentonite. Le mode opératoire n'est pas parvenu à produire un effet sur la matière argileuse gonflante à structure réticulaire. Dans la première partie de l'essai, on a préparé un fluide synthétique de forage en utilisant des queues de tripropylène-glycol comme phase liquide, auxquelles on avait ajouté un polyacrylamide partiellement hydrolysé ("PAPH"). Sur le tableau 3A, la sépiolite et la Lentonite n'ont pas été préparées sous forme de pâte avant leur introduction dans le liquide formé des queues de tripropylene-glycol. Lorsque le mode opératoire de la présente invention a été utilisé pour former une pâte de bentonite et de sépiolite comme sur le tableau 3B, on a vu initialement apparaître à l'examen visuel une élévation de la viscosité. Toutefois, comme le montre le tableau 3B ci- dessous, lorsque la bentonite a été soumise à l'essai, aucune viscosité n'a été observée visuellement au stade initial, tandis qu'une viscosité est apparue lorsque le mode opératoire a été appliqué à une matière non gonflante en particules, à savoir la sépiolite. Les résultats de cet essai sont reproduits sur les tableaux 3A, 3B et 3C ci- dessous: TABLEAU 3A Produits q q g g g PAPH 42,8 47,1 30 TPGB 100 100 100 100 50 180 Sépiolite 10 40 10,8 Bentonite 20 Polyglycol E200 20 Solution saturée de NaCl 9,5 Viscosité à l'examen visuel Non Non Non Non légère Non TABLEAU 3B Après mouillaqe de la sépiolite avec une solution saturée de sel pour. former une pâte Produits q g q Cg - q PAPH 63 63 63 63 TPGB 135 137 133 120 Argile sépiolite 5,4 4 6,7 4 Solution à 2% de NaCl 4,7 3,5 5,8 20,8 (3,3%) (2,5%) (4,2%) (14,7%) Viscosité à l'examen visuel Oui Oui Oui oui TABLEAU 3C Produits q g g a a g PAPH 63,0 63,0 63,0 63,0 TPGB 137,0 137,0 94,0 128,0 Argile sépiolite 4,0 4,0 4,0 2,0 Argile bentonite 12 Polyglycol E200 137, 0 Solution à 2 % de NaCl 10,5 3,5 3,5 41,0 10,0 -10 (7,1%) (2,5%) (2,5%) (30,3%) (7,2%) Viscosité à l'examen visuel Non Oui Oui Oui Oui Bien que l'invention ait été décrite d'après des formes de réalisation particulières qui sont illustrées en détail, il y a lieu de remarquer qu'il ne s'agit là que d'une illustration et que l'invention n'est pas nécessaire- ment limitée à cette description, attendu que d'autres formes de réalisation et d'autres techniques opératoires sont évidentes pour l'homme de l'art à la lecture du présent mémoire. En conséquence, on envisage la possibilité d'apporter des modifications sans sortir du cadre de l'invention telle qu'elle a été décrite. REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'une suspension stable de matière non gonflante en particules dans un fluide choisi dans la clase comprenant le glycérol, le glycol, les éthers de glycol, les polypropylène-glycols, les polyéthylène-glycols, des copolymères oxyde d'éthylène- oxyde de propylène, des copolymères oxyde d'éthylène-oxyde de propylène amorcés par un alcool et/ou leurs mélanges, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consis- tent: (1) à mettre en contact une matière non gonflante en particules avec une quantité suffisante d'un composant choisi dans la classe comprenant l'eau, le glycérol et leurs mélanges, de manière à former une pâte de ladite matière en particules; et (2) à introduire ladite pâte dans une quantité prédéterminée dudit fluide, sous agitation, de manière à former ainsi une suspension de cette pâte et à pouvoir etablir et maintenir une viscosité élevée par ladite suspension dans ledit fluide. 2. Procéde suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la matière non gonflante en par- ticules est une matière choisie dans la classe comprenant la sépiolite, l'attapulgite, l'amiante et leurs mélanges. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité dudit composant se situe entre environ 1,3 % et environ 20 % en poids par rapport à la quantité totale de composition fluide/composant. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la viscosité élevée est au moins environ 4 fois supérieure à la viscosité dudit fluide sans l'addition de ladite suspension. 5. Fluide destiné à forer, à conditionner ou à reconditionner un puits souterrain, caracterisé en ce qu'il comprend: une suspension stable d'une matière non gonflante en particules dans un fluide choisi dans la classe comprenant le glycérol, le glycol, des éthers de glycol, des polypropylène-glycols, des polyéthylène- glycols, des copolymères oxyde d'éthylène-oxyde de propylène, des copolymères oxyde d'éthylène-oxyde de propylène amorcés par un alcool et/ou leurs mélanges, ladite suspension étant formée par: (1) mise en contact de la matière non gonflante en particules avec une quantité suffisante d'un composant choisi dans la classe comprenant l'eau, le glycérol et leurs mélanges, de manière à produire une pâte de ladite matière en particules; et (2) à introduire cette pâte dans une quantité prédéterminée dudit fluide, sous agitation, de manière à former une suspension de la pâte et à pouvoir établir et maintenir par ladite suspension une viscosité élevée dans ledit fluide. 6. Fluide de forage suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la matière non gonflante en par- ticules est un représentant de la classe comprenant la sépiolite, l'attapulgite, l'amiante et leurs mélanges. 7. Fluide de forage suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la quantité dudit composant se situe entre environ 1,3 % et environ 20 % en poids de la quantité totale de la composition fluide/composant. 8. Fluide de forage suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la viscosité élevée est au moins environ 4 fois supérieure à la viscosité dudit fluide sans l'addition de ladite suspension. 9. Procédé de préparation d'une suspension stable de matière non gonflante en particules dans un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent: (1) à mettre en contact la matière non gonflante en particules avec une quantité suffisante d'une matière choisie dans la classe comprenant l'eau, le glycérol et leurs mélanges, afin de former une pâte de ladite matière en particules; et (2) à introduire ladite pâte dans une quantité prédéterminée dudit fluide, sous agitation, de manière à obtenir une suspension de cette pâte et à pouvoir établir et maintenir une viscosité élevée par ladite suspension dans ledit fluide. - 10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la matière non gonflante en par- ticules est une matière choisie dans la classe comprenant la sépiolite, l'attapulgite, l'amiante et leurs mélanges. 11. Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la quantité dudit composant se situe entre environ 1,3 % et environ 20 % en poids par rapport à la quantité totale de composition fluide/composant. 12. Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la viscosité élevée est au moins environ 4 fois supérieure à la viscosité dudit fluide sans l'addition de ladite suspension. 13. Suspension stable d'une matière non gonflante en particules dans un fluide, caractérisée en ce que la suspension est formée par: (1) mise en contact de la matière non gonflante en particules avec une quantité suffisante d'un représen- tant de la classe comprenant l'eau, le glycérol et leurs mélanges, de manière à former une pâte de ladite matière en particules; et (2) à introduire ladite pâte dans une quantité prédéterminée dudit fluide, sous agitation, de manière à produire une suspension de la pâte et à pouvoir établir et maintenir une viscosité élevée par ladite suspension dans ledit fluide. 14. Suspension suivant la revendication 13, caractérisée en ce que la matière non gonflante en particules est une matière choisie dans la classe com- prenant la sépiolite, l'attapulgite, l'amiante et leurs mélanges. 15. Suspension suivant la revendication 13, caractérisée en ce que la quantité dudit composant est comprise entre environ 1,3 % et environ 20 % en poids par rapport à la quantité totale de la composition fluide/composant. 16. Suspension suivant la revendication 13, caractérisée en ce que la viscosité élevée est au moins environ 4 fois supérieure à la viscosité du fluide sans l'addition de ladite suspension.