Brevet FR2642467A1 — publié le 19900803

SYSTEMES DE MOUSSE RIGIDE RETARDEE ET APPLICATIONS NOTAMMENT AUX TRAITEMENTS DE COLMATAGE SELECTIF DANS L'INDUSTRIE PETROLIERE L'invention concerne les systèmes à gélification retardée utilisables notamment pour les traitements de contrôle de l'eau ("Water Control") dans l'industrie pétrolière. Ce type de traitement de certaines formations souter- raines traversées par des puits de forage, d'injection ou de production, est parfaitement connu dans son principe de l'homme du métier, ainsi que les problèmes très difficilement solubles qu'il pose. Il sera inuti- le de décrire ici ces opérations. On rappellera seule- ment qu'il s'agit de colmater sélectivement une zone souterraine apte à permettre l'invasion d'une couche productrice par de l'eau. On a tout d'abord proposé, dans le brevet USP 3 614 985, l'emploi d'urée et de chlorure d'aluminium pour provoquer une précipitation retardée d'hydroxyde d'aluminium. La demande de brevet français NO 85-10272 déposée le 2 juillet 1985 propose l'emploi d'hydroxychlorure d'a- luminium ce qui permet de contrôler avec précision le temps de précipitation, la structure et la morphologie du précipité. 1 La demande de brevet français NO 86-06434 déposée le 30 avril 1986 propose l'emploi d'hexamethylène té- tramine et la demande de brevet français N 86-14089 déposée le 8 octobre 1986 préconise l'adjonction d'un adjuvant pour l'activateur (cyanate de sodium). L'enseignement de tous les documents précités est incorporé ici par référence et l'homme de métier pour- ra s'y reporter. Les techniques décrites ci-dessus ont atteint une efficacité et une précision qui sont satisfaisantes compte tenu de l'extrême difficulté du problème tech- nique posé. Un objet de l'invention est d'améliorer encore certains aspects de ces techniques, et d'en réduire substantiellement le coût qui est devenu dans l'inter- valle un paramètre absolument déterminant dans l'in- dustrie pétrolière. En effet, l'un des inconvénients majeurs des techni- ques de contrôle de l'eau en général est leur coût ex- trêmement élevé. Ceci est dû à la nécessité d'utiliser des volumes de fluide importants pour obtenir l'effet désiré. En effet, il faut très souvent traiter le ré- servoir perméable sur plusieurs mètres, voire dizaines de mètres de profondeur et non pas seulement se limi- ter à un traitement colmatant aux abords immédiats du puits. 1 Selon l'invention, on propose de présenter les systè- mes à gélification (ou précipitation) retardés du type mentionné cidessus ("DGS"), sous forme de systèmes moussants. On pourra soit injecter dès sytèmes liquides destinés à mousser in-situ au niveau de la formation, soit for- mer directement la mousse en surface ou dans le puits, et donc injecter le produit directement sous forme de mousse dans la formation. Dans le cas o la mousse est générée in-situ, on pourra favorablement d'abord injecter dans la forma- tion à traiter un volume de fluide contenant un agent moussant et les divers additifs capables de provoquer avec un certain retard (cf. brevets précités) la for- mation d'une structure de gel. Puis on injectera un gaz, préférablement de l'azote ou de l'air ou du dio- xyde de carbone, afin de former la mousse dans le mi- lieu poreux. Lorsque le volume de gaz injecté aura été suffisant pour former la qualité de mousse désirée; on injectera un nouveau volume de fluide contenant les additifs déjà mentionnés, et on répétera la procédure jusqu'à ce que l'on ait injecté le volume total sou- haité pour le traitement. Les mousses ont été utilisées en contrôle de mo- bilité du fluide déplaçant à l'occasion de production assistée par injection de vapeur. On en connaît égale- ment l'application en fracturation hydraulique. La 1 rhéologie des mousses et ses propriétés de déplacement de fluide dans un milieu poreux ont été intensivement étudiées et publiées. L'utilisation pratique sur le terrain de ces mousses ne pose, non plus, plus de pro- blème particulier. Une mousse est une fine dispersion d'un gaz dans une phase liquide, en général à base d'eau ou d'huile. Cette mousse est générée lorsqu'on ajoute des agents tensio-actifs ou surfactants, aussi appelés dans ce cas agents moussants, à la phase li- quide et qu'on forme le mélange gaz-liquide sous con- dition de forte turbulence. La qualité de la mousse est une mesure qualitati- ve de la quantité relative de gaz, sous conditions de pression et température du réservoir, par rapport au volume total de mousse. Il apparait clairement que la qualité de la mousse aura une influence majeure sur le coût du traitement, pour un même volume total de flui- de. Il n'existe cependant aucune application des mousses dans le domaine très particulier du contrôle de l'eau, dont on a vu qu'il pose des problèmes très spécifiques et ardus, en particulier la nécessité de placer sélectivement le fluide de traitement, c'est à dire dans la zone à eau seulement, d'utiliser le moins possible de fluide, et de résister durant une longue période à une nouvelle invasion de la couche produc- trice de pétrole par l'eau. ' L'invention résoud ces problèmes bien que, para- doxalement, une mousse de qualité élevée véhicule beaucoup moins de produit actif de colmatage qu'un vo- lume comparable de liquide. Il semblait impossible a priori de colmater efficacement et durablement une zo- ne avec une quantité de produit actif beaucoup plus faible que dans les techniques les plus récentes. Par ailleurs, il ne paraissait pas possible de contrô- ler efficacement le placement sélectif d'une mousse dans la formation (critère essentiel de succès) puis- que ce placement est déjà délicat avec un liquide qui, par nature, est mieux contrôlé qu'une mousse. Il sem- blait également impossible de construire une mousse qui soit capable de tenir durant plusieurs heures (temps nécessaire à la gélification) dans les condi- tions de température et pression de fonds de puits. Selon l'invention, on parvient cependant à con- trôler le placement et le temps de gélification (ou précipitation) avec une grande précision, et l'on ob- tient une meilleure injectivité, une meilleure sélec- tivité vis à vis des zones de haute perméabilité, et une diminution du risque d'envahissement des zones d'huile adjacentes par le fluide de traitement. On notera bien entendu que des mousses peuvent être formées aussi avec les techniques conventionnel- lqs de contrôle d'eau dans les puits, techniques qui sont & base de polymères synthétiques, par exemple po- lyacrylamides, ou de polymères naturels ou de biopoly- mères, par exemple gomme de xanthane. Mais même dans le cas o ces systèmes de polymère seraient à gélifi- cation plus ou moins contrôlée et retardée par un sys- tème redox connu, la mousse finale obtenue resterait un fluide, dont la consistance ne dépendrait que de la quantité de polymère utilisée. Lorsqu'on forme une mousse avec une telle solu- tion contenant des polymères, ceux-ci rigidifient la paroi des bulles, limitant ainsi l'injectivité de la mousse dans le milieu poreux.Il serait donc nécessaire pour pouvoir injecter une solution ou une mousse, con- tenant des polymères, dans un milieu poreux, sur une distance suffisante autour du puits, de limiter la concentration en polymère à des concentrations extrê- mement faibles. Le fait que les concentrations en polymère soient très faibles et le fait que la phase conti- nue de la mousse reste liquide, même si plus ou moins visqueuse, empêcherait donc l'utilisation pra- tique de mousse avec ces techniques conventionnelles. L'invention consiste donc dans l'un de ses aspects en l'injection, ou la formation in-situ, d'une mousse composée d'une phase aqueuse ne contenant pas de polymère. Ceci permet de garder une très bonne injectivité de la mousse dans le milieu poreux. L'invention consiste d'autre part en ce que la phase liquide de la mousse, qui pendant l'injection a donc une viscosité proche de celle de l'eau, forme au bout d'un certain temps, réglable en fonction de la température de la formation par les quantités d'hydro- xychlorure d'aluminium et des différents activateurs selon cette même température, un gel colloidal miné- ral. Ce gel minéral qui est obtenu par précipitation d'aluminium sous forme colloidale, donnera une struc- ture rigide à la mousse. Ainsi, contrairement aux mousses classiques contenant des polymères (si celles- ci pouvaient être injectées de manière homogène dans le milieu poreux) on a formé, selon l'invention, une mousse rigide au bout d'un temps totalement controla- ble, et ceci sans avoir affecté l'injectivité du flui- de de traitement. Les essais suivants ont été réalisés en labora- - toire. Dans des tests préliminaires des solutions - mère contenant respectivement 12 % (poids) d'hydroxy- chlorure d'aluminium et 1 % de cyanate de sodium ont été préparées. 10 cm3 de chaque solution ont été in- troduits dans un flacon de 250 cm3. 5 ml des diffé- rents agents moussants y ont été introduits. Puis après bouchage du flacon celui-ci a été fortement secoué. 264246? Agent moussant: Test 1 - cationique: * Test 2 - nonionique: Di-isobutyl phenol + 10 moles oxyde ethylene Test 3 - anionique: Dodecyl benzene sulfonate de sodium Test 4 -: Lauryl ether sulfate de sodium * mélange 1/3 bis (2-hydroxyethyl) amine oxyde de coprah 2/3 chlorure de trimethyl coprah ammonium Dans tous les cas une mousse stable a été formée. Puis au bout du temps déterminé par la quantité de cyanate de sodium, le gel s'est formé et on a obtenu dans chaque cas une mousse rigide. Ces tests montrent que différents agents moussants peuvent être sélectionnés, sans affecter la qualité du résultat final. Des essais avec les agents moussants précités ont également été effectués sur des carottes placées dans l'installation de laboratoire décrite sur la Figure unique annexée sur laquelle: (1) représente une pompe 3 têtes "LEWA" (2) représente des clapets anti-retour (3) représente des filtres à 15 4 m. (4) représente la carotte de roche (5) représente un tube transparent pour contrôle visuel (6) représente des éprouvettes de contrôle visuel de la mousse &P représente la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la cellule contenant la carotte. (A) et (B) représentent les constituants du système moussant à gélification retardée. La conduite de l'essai consiste à injecter une solution de 3 % NaCl pour mesurer la perméabilité initiale de la roche puis à injecter durant 20 min. la mousse formée par (A), (B) et l'azote dans la carotte jusqu'à remplissage complet des pores de la roche. On stoppe alors l'injection durant le temps prédéterminé (cf. brevets français précités) nécessaire à la géli- fication des composants. On applique alors une pression d'un fluide inerte (3 % NaCl) sur la carotte jusqu'à stabilisation de la perméabilité. Tous les essais ont été concluants en ce sens que l'écoulement de la solution de NaCl dans l'éprou- vette de réception placée à la sortie de la cellule a fait ressortir une réduction de la perméabilité par la mousse solidifiée d'environ 80 à 99 % de la perméa- bilité initiale. Selon un autre aspect, l'invention concerne la combinaison d'un système DGS en mousse avec 0,5 à 3% d'huile. La présence de cette faible quantité d'huile, selon trois essais quantitatifs réalisés dans l'appa- reillage de la Fig. unique, et selon le mode opéra- toire ci-dessus, améliore nettement la stabilité de la mousse et donc ses performances. Revendications 1) Méthode pour colmater sélectivement une ou plu- sieurs formations souterraines, notamment entourant un puits pétrolier, d'injection ou de production, de gaz, d'eau, géothermique et analogue, utilisant un système à gélification ou solidification à retard contrôlé, à base d'un sel d'aluminium, notamment chlorure ou hydroxychlorure d'aluminium, et d'une base faible, notamment l'urée ou l'hexaméthylènetêtramine, et éventuellement d'un activateur cyanate de sodium, caractérisée en ce que l'on injecte ledit système dans la ou les formations à colmater sous la forme d'une mousse à l'azote, à l'air, au C02 ou à un gaz analogue, et en ce qu'on laisse la mousse se solidi- fier par fermeture du puits (shut-in) durant un temps appoprié. 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on injecte le système sous la forme d'une mousse préparée en surface, ou bien générée in situ dans le puits et/ou dans la ou les formations à colmater. 3) Méthode selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le système a gélification ou solidification retardée est choisi parmi: - chlorure d'Al + urée -.chlorure d'Al + hexaméthylènetétramine - hydroxychlorure d'Al + urée hydroxychlorure d'Al + hexaméthylènetétramine - hydroxychlorure d'Al + hexaméthylènetétramine + cyanate de sodium. le gaz pour la production de mousse est l'azote ou le C02. 4) Mousses à gélification ou solidification retardée, pour le colmatage sélectif de formations souterraines, notamment dans l'industrie pétrolière, tels que décrites dans les revendications 1 à 3.