Brevet FR2679899A1 — publié le 19930205

i L'invention concerne l'utilisation du scléroglucane comme additif viscosifiant à haute température pour les laitiers de ciment Elle concerne toute opération faisant intervenir un laitier de ciment avec un niveau de viscosité élevé à haute température (des températures typiquement supérieures à 90 C) Elle s'applique à l'industrie pétrolière pour la cimentation des puits pour la récupération d'un fluide gazeux et/ou liquide à partir d'une formation souterraine poreuse Elle s'applique aussi à la cimentation des puits géothermiques Plus particulièrement, elle s'applique à la mise en place du ciment dans l'espace annulaire entre les parois du puits et le tubage d'exploitation. Cette opération vise à donner une meilleure résistance mécanique au tubage mais 1 O surtout à assurer une étanchéité parfaite entre les divers zones de la formation poreuse La mise en place s'effectue en général de la façon suivante: le ciment est introduit dans le tubage à la tête du puits et est ensuite poussé à descendre au fond et à remonter dans l'espace annulaire en chassant un fluide de forage et éventuellement un fluide tampon La réussite de la cimentation dépend du déplacement efficace du fluide de forage par le 1 5 ciment Ce déplacement est d'autant plus efficace que le fluide qui pousse est à la fois plus lourd et plus visqueux que le fluide déplacé. Alors que la densité est une propriété facilement contrôlable, il n'en est pas de même pour les propriétés rhéologiques Ces dernières peuvent varier considérablement dans les conditions sévères de température et de pression rencontrées dans un puits Nos travaux ont montré que les propriétés rhéologiques des formulations classiques de laitier sont peu sensibles à la pression mais dépendent fortement de la température. Des viscosifiants habituels de laitier, comme certains polymères de haut poids moléculaire tels que des dérivés cellulosiques, peuvent apporter des niveaux de viscosité importants, à température ambiante Or, ils perdent leur effet à des températures de l'ordre de 100 'C La raison principale de ce phénomène est que ces produits ne présentent pas une bonne stabilité chimique en présence de fortes teneurs en calcium et de p H élevés des laitiers. L'effet de la température est beaucoup plus prononcé pour le ciment que pour le fluide de forage De 25 à 120 'C, par exemple, la contrainte de cisaillement à un taux de 3 O cisaillement donné peut chuter d'un facteur 10 pour le laitier, alors que pour le fluide de forage elle diminue d'un facteur compris entre 2 et 4 Ainsi, alors qu'à température ambiante on peut avoir des laitiers nettement plus épais que le fluide de forage, à 120 'C le ciment peut devenir nettement moins visqueux Ceci peut avoir des conséquences graves sur la réussite de la cimentation (prise non-homogène conduisant à une perte partielle ou 3 5 totale de l'étanchéité). Un des objets de la présente invention est de remédier aux inconvénients ci-dessus et de répondre au problème technique soulevé. De manière plus précise, l'invention concerne un procédé de cimentation de puits de pétrole, de puits de gaz ou de puits géothermique, selon lequel on injecte dans des conditions appropriées un fluide de forage adéquat et éventuellement un fluide tampon et enfin une composition comportant de l'eau, un ciment, au moins un additif viscosifiant éventuellement au moins un composé retardateur et éventuellement au moins une silice caractérisé en ce que ledit additif est une solution de scléroglucane. On a observé que la composition obtenue présentait d'excellentes propriétés 1 O Théologiques dans un domaine de températures très large, par exemple entre 40 et 2501 C, et notamment dans un domaine de températures élevées 90 à 200 'C. Le scléroglucane est un polysaccharide non-ionique produit par fermentation de carbohydrates à partir, par exemple, du champignon Sclerotium Rolsifii (ATCC 15206). Ce polymère est très rigide du fait de sa structure moléculaire en triple hélice, ce qui lui 1 5 permet de conserver son pouvoir viscosifiant à haute température. Selon une caractéristique de l'invention, la teneur exprimée en poids en scléroglucane dans la composition injectée est en général au moins égale à 200 ppm, par exemple comprise entre 200 et 5000 ppm (partie par million), avantageusement comprise entre 500 et 4000 ppm et de façon préférée comprise entre 1200 et 3500 ppm. Selon une autre caractéristique, la composition injectée dans le puits peut comprendre un composé ou produit retardateur, en quantité comprise entre O et 5 % et avantageusement entre 0,5 et 4 %. Le choix spécifique de la formulation est fixé par le fluide de forage utilisé Les rhéogrammes des fluides de forage peuvent souvent être interprétés par la loi de Bingham: t=xo+p,'p, o X est la contrainte de cisaillement, Y le taux de cisaillement, ro le seuil de contrainte et gpj la viscosité plastique. Pour des fluides de forage peu visqueux, par exemple ceux dont le rhéogramme se situe à 120 'C entre celui d'un fluide de Bingham de caractéristiques to=l Pa et gp= 7 m Pa S et d'un fluide de Bingham de caractéristiques to= 3 Pa et lp L= 25 m Pa s, la 3 O teneur en scléroglucane dans la composition peut varier préférentiellement de 500 à 2000 ppm et celle en produit retardateur, par exemple le produit HRI 3 L, commercialisé par Halliburton, qui est un mélange de lignosulfonates et de dérivés de sucre peut varier de 1 à 4 % en poids de manière préférée Par contre, pour des fluides de forage plus visqueux, par exemple ceux dont le rhéogramme se situe à 1200 C entre celui d'un fluide 3 5 de Bingham de caractéristiques TO= 3 Pa et gp= 25 m Pa S et d'un fluide de Bingham de caractéristiques to= 15 Pa et gp= 45 m Pa s, la formulation peut comprendre avantageusement 2000 à 4000 ppm de scléroglucane et de 1 à 3 % en poids de produit retardateur tel que HR 13 L. Des gammes de valeurs analogues peuvent être recommandées avec d'autres produits retardateurs conventionnels tels que des polymères sulfonés, des dérivés cellulosiques et des dérivés de lignine. Selon une autre caractéristique du procédé, le rapport pondéra I eau sur ciment est généralement de 0,35 à 0,7 et de préférence de 0,4 à 0,6 Le ciment utilisé peut comprendre les ciments de la classe A, B, C, D, E, F, G, H et J On a obtenu 1 O d'excellents résultats à des températures atteignant 200 'C, avec des ciments de classe G contenant outre du scléroglucane et un produit retardateur HR 13 L, de la silice ( 58 par exemple) qui confère une meilleure résistance mécanique à la gaine formée. Selon une autre caractéristique, le rapport pondérai silice sur ciment peut varier de O à 1 et de préférence de 0,6 à 0,8. 1 5 On a observé que l'utilisation du scléroglucane comme additif viscosifiant à haute température pour les laitiers de ciment permettait de maintenir les niveaux de viscosité élevés, en raison vraisemblablement de sa bonne stabilité chimique. Le laitier peut être fabriqué de la façon suivante: on dissout d'abord le polymère selon l'invention dans de l'eau Après homogénéisation la solution est introduite dans un mixeur du type Waring Blender Le ciment et éventuellement la silice y sont rajoutés et le mélange est agité à forte vitesse pendant environ 30 secondes et ensuite à faible vitesse pendant 20 minutes Les temps de pompabilité des laitiers peuvent être ajustés entre 3 et 8 heures par ajout d'une quantité convenable de retardateur conventionnel, suivant les exigences opératoires. L'injection de la composition dans le puits à cimenter est réalisée selon les techniques conventionnelles: on injecte dans le tubage la composition à un débit déterminé qui pousse dans l'espace annulaire entre le tubage et la formation forée un fluide tampon, ce dernier poussant à son tour le fluide de forage. Le domaine de pressions concernées dans ledit puits lors de l'injection de la 3 O composition est en général de 50 à 1500 bar et de préférence de 100 à 1000 bar, ( 1 bar = 105 Pa). L'invention sera mieux comprise au vu des exemples et figures ci-dessous illustrant le procédé selon l'invention de manière non limitative, parmi lesquelles: la figure 1 compare les rhéogammes de la composition selon l'invention et d'une 3 5 composition selon l'art antérieur, la figure 2 illustre l'influence de la température sur des compositions différentes selon l'invention, la figure 3 montre des rhéogrammes obtenus en fonction de la concentration en scléroglucane. Exemple 1 1 O Un rhéomètre Fann 70 a été utilisé pour relever les rhéogrammes des compositions selon l'invention testées Cet appareil offre la possibilité d'explorer une grande gamme de pressions (jusqu'à 1400 bar) et de températures (jusqu'à 260 'C) Le fluide est cisaillé dans une géométrie de Couette (cylindres coaxiaux, cylindre extérieur mobile) La vitesse angulaire Q imposée à la partie mobile et le couple C mesuré sur la partie fixe peuvent être 1 5 reliés à un taux de cisaillement 7 et la contrainte X à la paroi du cylindre fixe. Les fluides de forage et les laitiers de ciment sont des fluides dont les propriétés varient avec le temps, à un taux de cisaillement donné Ces fluides thixotropes peuvent atteindre un état de structure stable, lorsqu'ils sont cisaillés pendant une certaine durée de temps Pendant les essais, l'échantillon est alors cisaillé pendant quelques minutes à une vitesse de rotation donnée et la mesure est prise après stabilisation. Les mesures Théologiques ont été effectuées selon le protocole suivant Une fois le rhéomètre rempli, on commence par relever un rhéogramme en augmentant, puis en diminuant la vitesse de rotation, à 250 C et ensuite à des températures intermédiaires jusqu'à par exemple 160 'C On maintient alors la température et on augmente la pression en répétant le processus à des valeurs de pression intermédiaires Après avoir relevé le rhéogramme à 1400 bar (montée + descente) on refait des mesures en baissant progressivement la pression et par la suite la température On observe une bonne reproductibilité en général, qui indique que les mesures correspondent d'une part à un état de structure stable et que d'autre part l'échantillon n'est pas dégradé. 3 O L'effet du scléroglucane sur les propriétés Théologiques du laitier est montré sur la figure 1, o l'on compare les rhéogrammes de la composition selon l'invention (ciment 1) et d'une composition selon l'art antérieur (ciment 2) Les compositions du ciment 1 et du ciment 2 sont données dans le tableau L Tableau I Ciment 1 Ciment 2 Origny G 1000 g ( 52 %) Origny G 1000 g ( 52 %) Silice 58 350 g ( 18 %) Silice 58 350 g ( 18 %) Eau 550 g ( 28 %) Eau 550 g ( 28 %) HR 13 L 30 g ( 1,55 %) HR 13 L 25 g ( 1, 29 %) Scléroglucane 2,75 g ( 1420 ppm) Halad 22 A 10 g ( 5170 ppm) 1 O La contrainte %, exprimée en Pascal, est portée en ordonnée tandis que le taux de cisaillement s, en s-1, est porté en abscisse Les teneurs en viscosifiant ont été choisis pour qu'à 25 C les deux laitiers aient des propriétés comparables On note, donc, le pouvoir viscosifiant plus élevé du scléroglucane; l'économie du procédé va s'en trouver améliorée Il est clair qu' à 120 C et sous 800 bar, le laitier conventionnel (ciment 2) perd 1 5 sa viscosité et devient même moins visqueux qu'un fluide de forage utilisé à ces conditions de puits, alors que le laitier avec du scléroglucane (ciment 1) reste suffisamment épais. Exemple 2 On montre sur la figure 2 I'évolution des rhéogrammes avec la température pour deux concentrations de scléroglucane différentes Les deux formulations testées ont la même teneur en ciment, silice et eau que le ciment 1 de l'exemple 1 Elles contiennent 40 g 2 5 de HR 13 L ( 2,06 %) et leur teneur en scléroglucane est de Ciment 3: 2,75 g ( 1420 ppm) Ciment 4: 4,00 g ( 2060 ppm) Des bonnes propriétés rhéologiques sont obtenues à des températures aussi hautes que 160 C. Exemple 3 Des études sur un laitier de classe F et H ont été effectués dans les mêmes 3 5 conditions que dans l'exemple 1 Les ciments 5 (classe F) et 6 (Classe H) qui sont viscosifiés par du scléroglucane ( 1420 ppm) ont les mêmes concentrations concernant les autres constituants que le ciment 1 de l'exemple 1 Les propriétés rhéologiques à 160 C de ces ciments sont comparées dans le tableau Il d'une part à celles des ciments 5 1 et 6 1 de même formulation mais sans scléroglucane et d'autre part à celles des ciments 5 2 et 6 2 qui sont viscosifités avec du Halad 22 A et dont les autres constituants sont inchangés. Ce tableau montre le pouvoir viscosifiant du scléroglucane à des températures aussi hautes que 160 C pour ces deux classes de ciment. Tableau II a) Ciment de classe F Ciment 5 Viscosifiant scléroglucane 1 5 (ppm) 1420 T(S-1) t(Pa) 7,5 5.1 scléroglucane o O x(Pa) 0,7 0,9 1,5 2,4 3,2 b) Ciment de Ciment Viscosifiant (ppm) Y(s-1) classe H scléroglucane t(Pa) 7,5 6.1 scléroglucane o r(Pa) 0,7 1,0 1,5 2,5 5.2 Halad 22 A t(Pa) 1,0 1,3 1,8 2, 9 4,0 6.2 Halad 22 A t(Pa) 0,9 1,2 1,5 2,6 3,6 Exemple 4 L'évolution des rhéogrammes des formulations de laitier (même composition concernant les autres constituants que le ciment 1 de l'exemple 1) avec la teneur en scléroglucane (de O à 3430 ppm) est donnée sur la figure 3 Cette figure montre qu'aux environs de 15 Oppm la teneur en scléroglucane n'est pas suffisante pour montrer des propriétés nettement améliorées Elle montre aussi que des ciments bien adaptés peuvent être formulées pour des fluides de forage couvrant une très large gamme de propriétés Théologiques. REVENDICATIONS 1 Procédé de cimentation de puits de pétrole, de puits de gaz ou de puits géothermique, selon lequel on injecte dans des conditions appropriées un fluide de forage adéquat, puis éventuellement un fluide tampon et enfin une composition comportant de l'eau, un ciment, au moins un additif viscosifiant, éventuellement au moins un composé retardateur et éventuellement au moins une silice, caractérisé en ce que ledit additif est une solution de scléroglucane. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la teneur en poids en scléroglucane 1 O dans la composition est de 200 à 5000 ppm, avantageusement de 500 à 4000 ppm et de façon préférée de 1200 à 3500 ppm. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel la teneur en retardateur dans la composition est de O à 5 % et avantageusement de 0,5 à 4 %. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la teneur en poids en 1 5 scléroglucane dans la composition est de 500 à 2000 ppm et celle en composé retardateur de 1 à 4 %, lorsque le fluide de forage a un rhéogramme qui se situe à C entre le rhéogramme d'un fluide de Bingham de caractéristiques x O =l Pa et gp= 7 m Pa S et d'un fluide de Bingham de caractéristiques T O = 3 Pa et Ip= 25 m Pa s. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel la teneur en poids en 2 0 scléroglucane est de 2000 à 4000 ppm et celle en composé retardateur de 1 à 3 % lorsque le fluide de forage a un rhéogramme qui se situe à 120 C entre le rhéogramme d'un fluide de Bingham de caractéristiques o O = 3 Pa et gp= 25 m Pa S et d'un fluide de Bingham de caractéristiques 'o= 15 Pa et g Lp= 45 m Pa s. 6 Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le rapport pondérai eau sur 2 5 ciment est de 0,35 à 0,7 et de préférence de 0,4 à 0,6. 7 Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel le rapport pondérai silice sur ciment est de O à 1 et de préférence de 0,6 à 0,8. 8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel la température de cimentation est de 40 à 250 C 3 O 9 Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel la pression dans ledit puits lors de l'injection de la composition est de 50 à 1500 bar et de préférence de 100 à 1000 bar. Procédé selon la revendication 8 dans lequel la température de cimentation est de 90 à 200 C.