Brevet FR2673620A1 — publié le 19920911

COMPOSITION POUR LA CIMENTATION DE PUITS PETROLIERS A BASSE TEMPERATURE La présente invention concerne le domaine des services pétroliers et parapétroliers, et notamment celui de la cimentation de l'annulaire d'un puits de pétrole, à gaz, d'eau, géothermique et analogue. De telles opérations de cimentation, ansi que leur importance pour la vie et la production du puits, sont connues de l'homme de métier depuis plusieurs décades, il est inutile d'en rappeler le principe et les détails. On indiquera simplement, pour une bonne compréhension du texte et de l'invention, qu'il s'agit d'injecter un laitier de ciment dans le tubage du puits. Ce laitier de ciment descend en fond de puits par le tubage puis, sous la pression de pompage, remonte dans l'annulaire entre le trou de forage et le tubage, jusqu'à la surface du puits. Des méthodes tout à fait classiques existent pour que, en fin de pompage, il y ait à l'intérieur du tubage un fluide inerte et non le laitier. On laisse ensuite le laitier de ciment prendre. Le but général de l'opération est de maintenir le tubage dans le puits, d'isoler les zones souterraines traversées, et de consolider le puits lui-même. Le laitier de ciment est pompé sous pression, et passe des conditions de préparation en surface (pression et température ambiante) aux conditions du fond du puits (pression et température plus élevées) pour revenir dans l'annulaire, pour une partie du laitier, aux conditions proches de la surface. Dans certaines conditions, zones arctiques ou puits sous-marins en Mer du Nord par exemple, les conditions de surface peuvent être très froides et la prise correcte du laitier pose des problèmes très particuliers. Malgré ces cycles de pression et de température, le laitier doit naturellement rester pompable, il doit déplacer parfaitement la boue de forage (facteur critique d'une bonne opération de cimentation), il doit ne pas perdre de fluide dans les zones traversées, et prendre le plus rapidement possible mais exactement à l'endroit prévu c'est à dire sur la hauteur de l'annulaire et, naturellement, surtout pas à l'intérieur du tubage. Enfin, le ciment durci doit présenter d'excellentes propriétés mécaniques et notamment une bonne résistance à la compression, qui doit se déveloper le plus rapidement possible après la prise. Lorsque le puits traverse une zone à gaz il est extrêmement important que tout au cours de la cimentation, la pression hydrostatique exercée par la colonne de fluide dans l'annulaire reste supérieure à la pression de gaz dans la formation. La densité des fluides de forage ainsi que celle du ciment sont donc ajustées en conséquence. Une fois que le laitier est en place, il va commencer à prendre. Cette prise se traduit tout d'abord par la gélification du laitier. Des liaisons se créent entre les particules de ciment ainsi que entre le ciment et les parois du puits. A cause de ces liaisons, la colonne de ciment s'auto-supporte ce qui se traduit par une diminution de la pression hydrostatique exercée en face de la zone à gaz. Pendant cette période, la viscosité du ciment n'est pas encore suffisante pour s'opposer à l'écoulement de bulles de gaz. La fin de cette période correspond à l'hydratation, réaction exothermique entre le ciment et l'eau qui se traduit par l'élévation de température, le développement de la résistance à la compression ainsi que le retrait chimique du système.Pendant cette phase, la pression en face de la zone à gaz décroit encore plus et de la place est créée sous forme de porosité dans la matrice de ciment où le gaz peut alors migrer. Pendant toute la prise, le ciment doit être capable de s'opposer à une invasion par le gaz qui aurait de graves conséquences allant d'une cimentation médiocre jusqu'à l'explosion catastrophique du gaz en surface. La seule énumération des propriétés requises, qui sont souvent antagonistes ou contradictoires entre elles, des conditions de température et de pression, et des conséquences graves ou catastrophiques du non respect des propriétés, permet de mesurer les difficultés de mise au point d'un laitier présentant les propriétés en cause. L'invention propose un laitier de ciment qui présente l'ensemble des propriétés énumérées ci-dessus, et qui convient donc particulièrement aux puits les plus difficiles, notamment ceux traversant des zones à gaz, et à faible température de surface, c'est à dire aux puits qui cumulent les plus grandes difficultés. Les compositions de laitier de ciment selon l'invention sont caractérisées en ce qu'elles contiennent essentiellement, outre l'eau de mélange: - du plâtre alpha, - du ciment Portland ordinaire (API classe A ou C), - de la microsilice, et, dans la mesure du nécessaire, - un agent retardateur et un agent dispersant. La cimentation d'un puits à basse température (notamment Des accélérateurs connus comme le chlorure de calcium peuvent apporter une solution mais avec une lente augmentation de la consistance jusqu'à 100 Bc et, lorsque la prise commence, elle dure plusieurs heures avant que le ciment ne soit durci. Durant ce laps de temps il se produit un retrait rhédibitoire et une possibilité de migration de gaz. De plus, au dessous de 152C l'accélération est très difficile à obtenir. On a déjà décrit (USP 3,891,454) l'emploi de plâtre (sulfate de calcium semi-hydrate, CaSO4.1/2 H2O) dans un laitier de ciment pour réduire le temps de prise. I1 s'agit de remplacer le ciment par un mélange plâtre:ciment dans un rapport massique allant de environ 50:50 à 75:25. Cependant l'adjonction de plâtre dans un laitier de ciment peut entraîner des inconvénients sérieux. En premier lieu, le temps de prise est extrêmement dépendant du type de plâtre. En particulier, la plupart des plâtres sont beaucoup trop réactifs en présence de ciment, et on observe souvent une accélération de prise à basse température, ce qui représente dans le domaine pétrolier un inconvénient rhédibitoire (cf. cidessus). On peut dans certains cas compenser la prise trop rapide par une grande quantité de retardateur de prise mais alors la prise peut prendre des jours. En second lieu, les systèmes plâtre/ciment ont un contrôle de filtrat pratiquement nul. Enfin, le plâtre est connu pour être un agent thixotrope pour le ciment, alors que selon rinvention on recherche un laitier fluide. La microsilice a déjà été utilisée dans un laitier de ciment (GB 2,179,933; GB 2,212,150; GB 2,212,489 ; GB 2,587,988). ll s'agit d'un sous-produit dérivé de la fabrication des ferrosiliciums. Les particules de microsilice ont une taille moyenne de 0,15 micron environ et une surface spécifique de l'ordre de 20 m2/g. Du fait de la difficulté à manipuler de fines particules à l'état brut on préfère utiliser la microsilice en suspension dans l'eau. Cependant, à basse température et dans la gamme de concentration où elle doit être utilisée, la microsilice allonge la prise du ciment et retarde le développement de la résistance à la compression agravant de ce fait l'une des propriétés essentielles au contrôle du gaz. Ainsi se heurtait-on dans l'art antérieur à des inconvénients rhédibitoires. L'invention présente un système qui résoud pour la première fois les problèmes cumulatifs posés par une cimentation à basse température (0-30lC environ) et la nécessité d'un système pouvant assurer un bon contrôle de migration de gaz. On sait qu'il existe deux catégories principales de plâtre, le sulfate de calcium semi-hydrate de type alpha et de type beta, ci-après plâtre alpha et plâtre beta. Leur différence trouve essentiellement son origine dans le procédé de préparation. Les plâtres alpha sont préparés sous pression de vapeur contrôlée tandis que les plâtres beta sont produits par un procédé continu en lit fluidisé. Les plâtres alpha ont une densité apparente d'environ 1000 kg/m3, avec des particules sphériques, tandis que les plâtres beta ont une densité apparente d'environ 600 kg/m3 et se présentent sous forme de plaquettes. La Figure 1 ci-après représente révolution de la consistance en fonction du temps pour différents types de plâtre. Les conditions opératoires sont les suivantes: 60% de plâtre, 40% de ciment API classe A, densité 1,89 kg/l, essai à 209C. Les courbes A, B et C correspondent à des plâtres alpha et présentent la caractéristique très recherchée de prise à angle droit Deux plâtres D et E de type beta ont conduit à une prise immédiate et incontrôlée dés le mélange. La courbe F correspond à un plâtre beta pour lequel on est parvenu à obtenir un temps de prise raisonnable par l'emploi de retardateur, sans toutefois atteindre une prise à angle droit, ni une bonne résistance à la compression à court terme. La prise à angle droit correspond à une augmentation très rapide de la consistance au moment de la prise, quelques minutes seulement pour passer de 30 Bc à 100 Bc. On rappelera qu'une prise à angle droit est un des paramètres qui interviennent dans le contrôle du gaz. Ces résultats montrent que l'utilisation de plâtre alpha dans la présente invention est tout à fait capitale. La Figure 2 représente l'influence de la température sur le temps de prise, pour un système à 60% de plâtre alpha, 40% de ciment API classe A et 1,89 kg/l de densité. Contrairement au ciment dont le temps de prise est réduit lorsque la température augmente, on observe le contraire dans le cas d'un système plâtre/ciment. Ce qui précède révèle le caractère complexe des mécanismes physicochimiques impliqués dans rinvention. Le Tableau 1 ci-dessous rassemble les résultats obtenus en ce qui concerne le temps de prise (TT, "Thickening Time") et la résistance à la compression (CS, "Compressive Strength") après 8 ou 48 heures. On a utilisé un plâtre alpha LAMBERT, un ciment Portland ordinaire (CPA-HP), densité du laitier 1,89 kg/l, température 20go, 0,3% en poids de dispersant (polynaphtalène sulfonate formaldéhyde de sodium ou "PNS") et le retardateur est un lignosulfonate de sodium ou de calcium. TABLEAU 1 Plâtre Ciment Rnteur Tr 8hCS 48 h CS % en poids % en poids % en poids h:min kPa kPa 60 40 0,6 3:50 8015 13405 50 50 0,6 3:35 7700 15750 40 60 0,7 3:17 6160 13335 30 70 0,8 3:52 1575 12320 Plus la quantité de ciment est importante, plus le temps de prise du plâtre est court. Cependant un retardateur comme le lignosulfonate permet, dans les conditions d'essai du Tableau 1 ci-dessus, d'ajuster aisément le temps de prise. Par ailleurs, on observe très nettement que la résistance à la compression après 8 heures est assurée par la prise du plâtre et que la plage utile de plâtre alpha pour obtenir une résistance à la compression de l'ordre de 3500 kPa à 8 heures se situe au-delà de 30% par poids de mélange. Selon l'invention, on incorporera obligatoirement au système plâtre/ciment une quantité notable de microsilice en particulier pour les applications où le contrôle du gaz est requis. La proportion de microsilice sera située de préférence entre 15 et 25% en poids du mélange de plâtre/ciment environ. Cette quantité est imposée par le besoin d'assurer au système un contrôle de filtrat inférieur à 100 cm3/30 min (Tableau 2 ci-après). L'utilisation de microsilice dans de telles proportions n'a, de manière surprenante, qu'un effet mineur sur l'augmentation de la rhéologie du système qui peut facilement être diminuée par l'emploi d'un dispersant classique type "PNS". On observe en plus que la présence de microsilice procure au laitier une stabilité particulière qui se traduit par l'absence complète d'eau libre et de sédimentation. Au cours de la mise au point de l'invention on s'est heurté à des difficultés sérieuses liées à des problèmes de gélification lors de l'emploi de certains ciments pétroliers de classe G en particulier. Cet inconvénient est éliminé si on utilise exclusivement du ciment Portland (API classe A ou C). En outre on préfèrera les ciments Portland ordinaires. Pour obtenir une résistance à la compression suffisante dans un laps de temps court (8 heures) et ceci en présence de fortes concentrations de microsilice, on se doit d'utiliser dans le système une quantité suffisante de plâtre. Par contre, on observe qu'une quantité trop forte nuit aux propriétés mécaniques à'long terme du système. En conséquence on se limitera dans la présente invention à des mélanges plâtre/ciment dans un rapport massique allant de 40:60 à 60:40. La proportion 60:40 étant en général la mieux appropriée (Tableau 3 ci-après). On observe que la nature du plâtre alpha ainsi que la variété de ciment Portland ordinaire n'ont que peu dtinfluence sur les propriétés du système (Tableaux 3 et 4 ci-après). De même, la propriété recherchée de prise à angle droit n'est pas affectée par le rapport plâtre/ciment ni par la présence de microsilice dans les proportions recommandées dans l'invention. La plupart des systèmes étudiés au cours de la mise au point de l'invention ont une densité de 1,89 kg/l. Ils contiennent un mélange 60:40 plâtre/ciment auquel on ajoute 20% de microsilice par poids de mélange. Dans ces conditions, la quantité d'eau de mixage est de 40% par poids de mélange plâtre/ciment. I1 est possible de descendre la densité du laitier sans affecter ni la stabilité ni la rhéologie, par contre le contrôle de filtrat et la résistance à la compression à 8 heures seront considérablement diminués. Pour rester dans le cadre de l'invention où on recherche un laitier ayant de bonnes propriétés anti-gaz migration, la limite inférieure en densité est 1,80 kg/l ce qui correspond à une quantité d'eau de mixage de 50% par poids de mélange plâtre/ciment. A la lecture de la présente description, des tableaux 1 à 4 et des figuresl, 2, 3, 4, 5, 6 et 7, l'homme de métier comprendra qu'une composition représentative de l'invention est caractérisée en ce qu'elle contient essentiellement: - ciment, - 66 à 150% de plâtre alpha par rapport au poids du ciment, - 15 à 25% en poids de microsilice par rapport au poids du mélange ciment + plâtre, - 30 à 50% d'eau par rapport au poids de mélange ciment + plâtre, - et eventuellement un retardateur et un dispersant. Par contre, des densités supérieures sont aisément envisageables, mais souvent sans intérêt pratique pour les opérations spécialement visées par l'invention. Les systèmes plâtre/ciment/microsilice décrits ci-dessus possèdent donc certaines des caractéristiques essentielles au contrôle du gaz: stabilité, faible rhéologie, bon contrôle de filtrat, prise à angle droit et développement rapide de la résistance à la compression. ll n'existe pas de test API standard destiné à mesurer la capacité d'un laitier de ciment à retenir le gaz. La méthode utilisée pour cette invention est brièvement décrite ci-après. Une cellule de 33 cm de haut (Figure 3) fermée à l'extrémité supérieure est remplie de laitier de ciment et placée dans une enceinte thermostatée. La forme particulière de la cellule a été mise au point pour éviter les artefacts expérimentaux et forcer le gaz à migrer à l'intérieur du ciment et non à l'interface ciment/paroi. Le bas de la cellule est connecté à une ligne d'azote sous 17,5 bar de pression. Au cours de l'expérience on mesure la pression en haut de la cellule, la température du laitier ainsi que le débit d'azote entrant dans la cellule. Pendant toute la période de gélation, voir ci-dessus, le laitier se comporte comme un liquide qui transmet intégralement la pression de gaz. Pendant cette période, la pression mesurée en haut de la cellule reste constante ainsi que le débit de gaz et la température. Survient ensuite la partie exothermique de lthydrataion. Celà se traduit par une élévation de température, le retrait chimique du ciment et le développement de la résistance à la compression. La pression de pore dans la matrice de ciment chute du fait de la place créée par le retrait chimique. Selon le système étudié, le gaz va rentrer plus ou moins à l'intérieur du ciment. Un système sera dit résistant à l'invasion de gaz si la pression en haut de la cellule décroit et si le débit d'entrée de gaz reste faible, ou mieux encore nul. Le comportement typique d'un système plâtre/ciment est représenté sur la Figure 4. I1 s'agit d'un sytème contenant 60% en poids de plâtre alpha et 40% de ciment API classe A (CPA-HP). Le premier pic de température à 3 heures environ correspond à la prise du plâtre et l'on observe en même temps un pic d'entrée de gaz pour combler la porosité créée par le retrait chimique du système. Entre 8 et 20 heures environ, on observe une deuxième entrée de gaz qui correspond à la prise du ciment. Tout au cours de l'expérience, la pression de gaz est transmise en haut de la cellule, il y a eu migration de gaz dans le système et communication permanente entre le bas et le haut de la cellule. Si au cours d'une expérience de migration de gaz il y a communication permanente entre le bas et le haut de la cellule, alors la quantité totale de gaz qui entre dans la cellule est égale à la quantité de retrait chimique. Au cours de l'expérience représentée sur la Figure 4, la quantité totale de gaz correspond à 7% du volume de la cellule alors que pour un ciment seul on observe seulement 4% de retrait pendant cette phase. Le retrait interne d'un système plâtre/ciment est donc très nettement supérieur au retrait du ciment seul ce qui favorise l'invasion du gaz, ce qui était naturellement considéré par l'homme du métier comme inconvénient grave. L'effet de la microsilice est indiqué sur la Figure 5 où on a ajouté au système précédent 20% de microsilice par poids de plâtre plus ciment. Au début de I'essai, la pression chute rapidement en haut de la cellule jusqu'à atteindre 6 bar environ. A cause de cette pression différentielle (11,5 bar sur 33 cm), une très légère entrée de gaz se produit pendant la prise plâtre. La pression en haut de cellule remonte jusqu'à 11,5 bar puis redescend aux alentours de 28 heures. Pendant toute la durée de l'expérience, la pression mesurée en haut de la cellule est restée inférieure à Ia pression de gaz appliquée. ll n'y a donc jamais eu communication de gaz entre le bas et le haut de la cellule malgré les pressions différentielles mises en jeu. On peut observer (Figure 6) le même type de comportement à 59C avec un autre type de ciment (LAFARGE classe A). La prise à angle droit dans un système plâtre/ciment n'est donc pas suffisante pour s'opposer à la migration de gaz. La présence de microsilice est donc indispensable, en synergie avec le ciment et le plâtre, pour les applications particulières envisagées. Les résultats présentés ci-dessus témoignent des propriétés remarquables des systèmes plâtre alpha/ciment Portland ordinaire/microsilice pour le contrôle du gaz au cours d'une opération de cimentation. Une fois le système pris, il est important aussi que l'intégrité de la colonne de ciment soit maintenue tout au cours de la vie du puits (plusieurs années). Or les systèmes plâtre/ciment sont connus pour présenter des problèmes de longévité. En effet, les ions sulfates contenus dans le plâtre réagissent chimiquement avec les phases aluminates (C3A) contenues dans le ciment. Le produit de la réaction (l'ettringite) a un volume plus large que la somme des volumes des composants initiaux ce qui cause une expansion du système. Une trop forte expansion risque de provoquer des microfissures à l'intérieur du matériau. On a reporté sur la Figure 7 la courbe d'expansion d'un système plâtre/ciment où on observe effectivement une expansion de l'échantillon de 2,5% après cinq mois environ. La pente de la courbe laisse présager que l'expansion risque de se poursuivre. Au contraire, le système qui contient de la microsilice présente une expansion limitée à 0,4% qui semble ne plus progresser au-delà de 8 jours. Cette particularité n'était pas prévisible. TABLEAU 2 Ciment API classe A (40% en poids) Plâtre alpha LAMBERT (60% en poids) Microsilice MICROBLOCK Densité du laitier 1,89 kg/l Rhéologie après mélange Rhéologie à 15 C Microsilice Retardateur Dispersant PVii YPiii PVii YPiii 10 min gel TTiv FLv % poids % poids % poids Pa.s Pa Pa.s Pa Pa hr:mn cm3/30 min - 0,6 0,3 0,111 0,5 0,072 1,4 04,8 2:30 426 10 0,6 0,3 0,048 3,6 0,066 5,1 17,2 0:55 10 0,8 0,3 0,045 2,0 0,060 2,4 12,9 2: :30 146 15 0,9 0,4 0,046 2,4 0,059 3,2 16,8 2:15 92 20 1,0 0,5 0,047 3,4 0,080 3,7 20,1 1:40 66 20 1,2 0,6 0,040 2,3 0,049 1,6 10,5 4::50 64 25 1,4 0,7 0,041 2,1 0,050 1,4 09,1 - 50 ii PV Viscosité plastique iii YP Seuil de cisaillement iv TT Temps de prise v FL Perte de fluide TABLEAU 3 Ciment API classe A (40% en poids) Plâtre alpha LAMBERT (60% en poids) Microsilice MICROBLOCK (20% par poids de mélange plâtre/ciment) Densité du laitier 1,89 kg/l CSvi Ciment Retardateur Dispersant BHCTi PVii YPiii Gel à 10 min TTiv FLv 8 h 72 h type % poids % poids C Pa.s Pa Pa hr:mn cm3/30 min kPa kPa CPA-HP 1,0 0,6 5 0,053 2,3 15,3 3::50 68 3437 10402 CPA-HP 1,1 0,6 5 - - - 5:20 - - CPA-HP 1,0 0,6 15 0,047 1,4 10,1 3:10 56 3108 14924 CPA-HP 1,0 0,6 25 0,040 1,7 09,6 4:30 - 3318 15421 LONESTAR 1,0 0,6 15 0,052 3,1 37,3 2:45 68 - LAFARGE 1,0 0,8 5 0,068 2,7 22,5 3:20 72 3374 7651 LAFARGE 1,2 1,0 5 - - - 4:30 - - LAFARGE 1,0 0,6 15 0,057 2,9 33,5 1:55 64 3948 16177 LAFARGE 1,0 0,8 25 0,054 2,3 27,3 2::00 - 3185 13790 i BHCT Température de circulation en fonds de puit ii PV Viscosité plastique iii YP Seuil de cisaillement iv TT Temps de prise v FL Perte de fluide vi CS Résistance à la compression TABLEAU 4 Ciment API classe A (40% en poids) Plâtre alpha GEORGIA PACIFIC (60% en poids) Microsilice MICROBLOCK (20% par poids de mélange plâtre/ciment) Densité du laitier 1,89 kg/l CSvi Ciment Retardateur Dispersant BHCTi PVii YPiii Gel à 10 min TTiv Flv 8 h 72 h type % poids % poids C Pa.s Pa Pa hr:mn cm3/30 min kPa kPa LONESTAR 1,2 1,0 15 0,080 2,4 28,2 2::20 58 - LONESTAR 1,3 1,0 15 0,082 2,4 35,0 3:15 56 2058 8792 LONESTAR 1,4 1,0 15 0,084 1,4 23,0 4:20 54 - LAFARCE 1,3 1,0 15 0,089 2,6 36,9 2:20 60 - LAFARGE 1,3 1,2 15 0,099 2,1 24,9 1:50 56 - LAFARGE 1,4 1,0 15 0,112 3,6 36,9 2:10 66 - LAFARGE 1,5 1,2 15 0,092 2,0 22,5 3:35 52 - LAFARGE 1,4 1,0 25 0,081 2,4 27,3 2:45 56 3094 3423 LAFARGE 1,5 1,0 25 0,086 1,8 13,4 3: :30 54 - i BHCT Température de circulation en fonds de puit ii PV Viscosité plastique iii YP Seuil de cisaillement iv TT Temps de prise v FL Perte de fluide vi CS Résistance à la compression REVENDICATIONS 1. Composition de laitier de ciment pour puits pétroliers, à gaz, d'eau, géothermiques et analogues, caractérisée en ce qu'elle contient essentiellement: - ciment, -66 à 150% de plâtre alpha par rapport au poids du ciment, - 15 à 25% en poids de microsilice par rapport au poids du mélange ciment + plâtre, - 30 à 50% d'eau par rapport au poids de mélange ciment + plâtre. 2. Composition selon la revendication 1 caractérisée en ce que le ciment est un ciment PORTLAND ordinaire (API classe A ou C). 3. Composition selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce qu'elle contient un retardateur de prise. 4. Composition selon la revendication 3, caractérisée en ce que le retardateur est un lignosulfonate de calcium ou sodium. 5. Composition selon les revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu'elle contient un dispersant, notamment du type polynaphtalène sulfonate de sodium/formaldéhyde. 6. Utilisation des compositions selon les revendications 1 à 5 pour la cimentation de puits pétroliers, à gaz, d'eau, géothermiques et analogues, présentant une température de 0 à 30go. 7. Utilisation selon la revendication 6 pour la cimentation de puits présentant un risque d'invasion de gaz. 8. Utilisation selon les revendications 6 ou 7 pour la cimentation des puits à basse température et présentant un risque d'invasion de gaz, notamment pour la cimentation des tubages de surface.