Brevet FR2689562A1 — publié le 19931008

La présente invention concerne principalement un procédé pour mettre en place dans un puits, un bouchon en matière solide. Le matériau solide constituant le bouchon résulte de la polymérisation d'une solution injectée dans le puits au niveau où on souhaite la mise en place d'un bouchon en matière solide. Dans le domaine des forages de puits, il est courant de souhaiter mettre en place des bouchons solides pour l'abandon définitif ou temporaire des puits forés. Ces bouchons doivent isoler, notamment des aquifères, d'autres formations géologiques ou la surface, des fluides pouvant provenir des formations forées sous-jacentes. Des bouchons dans les puits peuvent également être utilisés comme assise d'opérations de forage dévié appelées "side track". De tels bouchons sont mis en place dans les puits pour consolider les parois d'un forage ou pour partiellement ou totalement colmater les parois perméables provoquant des fuites, ou pertes, dans la formation des fluides contenus dans le puits. La technique industrielle consiste à injecter des laitiers à base de ciment, les bouchons solides étant obtenus après la réaction de prise du ciment dans le puits. De nombreux paramètres compliquent et parfois remettent en cause la faisabilité de la mise en place des bouchons de ciment: - effets mal contrôlés de l'environnement géologique du laitier de ciment, - influence de la pression, de la température, - la masse volumique du laitier, trop forte par rapport a celle de l'eau donne une tendance au laitier à descendre vers le fond du puits et à fuir dans la formation, - dilution du laitier par le fluide remplissant le puits, etc. Les solutions techniques pour résoudre ces inconvénients, ont pour la plupart un effet négatif sur la résistance mécanique du matériau du bouchon. Bien entendu, les problèmes évoqués ci-dessus sont exacerbés lorsque le puits est ouvert, c'est-à-dire non cuvelé par des tubes cimentés au terrain. On connaît par le brevet US-3447608, une technique de mise en place de bouchon de ciment comprenant la mise en place préliminaire d'un bouchon temporaire de consistance suffisante pour soutenir un bouchon de laitier de ciment jusqu'à sa prise. Il n'y a pas d'utilisation de substance polymérisable et de catalyseur. On connaît également par la demande FR-90/07916 et le brevet US-5005648, l'usage de résine polymérisable in situ pour consolider ou colmater des formation géologiques perméables dans lesquelles ladite résine est injectée. Contrairement à la présente invention, la solution de résine polymérisable est adaptée à être aisément déplacée pour pénétrer dans la formation à traiter. Ces types de solutions ne peuvent pas convenir à la mise en place de bouchon d'obturation de puits. La présente invention concerne un procédé de mise en place d'un bouchon d'obturation d'un puits rempli d'un fluide et dans lequel on injecte un volume d'une solution, par pompage à travers des tubulaires descendus dans le puits, ladite solution comporte une substance polymérisable et au moins un catalyseur à caractère acide de Lewis, ladite solution étant adaptée à se transformer en un bouchon en matière solide, par une réaction de polymérisation steffectuant sensiblement à la température et à la pression régnant audit niveau de l'extrémité inférieure desdits tubulaires. Dans ce procédé, on adapte les caractéristiques physico-chimiques de ladite solution, notamment la masse volumique et la viscosité, pour que le volume injecté reste sensiblement en place dans ledit fluide, au voisinage du niveau d'injection et pour que la dilution et/ou la solubilisation entre ladite solution et ledit fluide du puits soient faibles, et on règle les proportions des différents composants de ladite solution pour obtenir un délai avant le début de solidification au moins égal à la durée de mise en place dans le puits. La substance polymérisable peut être un mélange aqueux de résine mélamine-formaldéhyde. On peut régler la viscosité de ladite solution de façon à ce qu'elle soit supérieure, ou au moins égale, à celle dudit fluide en ajoutant des produits viscosifiants du type polysaccharide, par exemple des xanthane ou scléroglucane. Selon l'invention, on peut régler la masse volumique de ladite solution par rapport à la masse volumique dudit fluide, en ajoutant une charge inerte, par exemple des cendres volantes, la masse volumique de la solution pouvant être préférentiellement sensiblement égale à celle du fluide. On peut également régler le délai avant le début de solidification de ladite solution en faisant varier notamment la proportion de catalyseur choisi dans le groupe formé par le chlorure d'ammonium, l'acide ptoluène sulfonique, l'acide tartrique, l'acide formique, l'acide oxalique et leurs mélanges. La solution injectée peut être adaptée afin d'obtenir, après polymérisation, un bouchon d'obturation en matériau solide ayant une résistance mécanique à la compression comprise entre 5 et 15 MPa. Dans ce procédé, ledit fluide peut être de l'eau de mer. On peut injecter préalablement à ladite solution, un volume de liquide dans lequel la substance polymérisable n'est pas soluble, par exemple un mélange de fluides organiques ayant une masse volumique proche de celle du fluide. On peut également injecter dans le puits un laitier de ciment, audessus du bouchon de solution partiellement ou totalement polymérisée. L'invention concerne également une solution destinée à être injectée dans un puits rempli d'un fluide, comportant une substance polymérisable et au moins un catalyseur à caractère acide de Lewis, ladite solution étant adaptée à former un bouchon dans le puits en se transformant en - une matière solide, par une réaction de polymérisation s'effectuant sensiblement à la température et à la pression régnant au niveau de la zone d'injection dans ledit puits. La solution comporte une charge inerte, préférentiellement des cendres volantes, adaptée à donner à ladite solution une masse volumique sensiblement égale à celle dudit fluide et le taux de catalyseur est adapté à ce que la solidification démarre après la mise en place de ladite solution dans le puits. La solution peut comporter des produits viscosifiants, préférentiellement des polysaccharides, par exemple des xanthane ou scléroglucane, adaptés à donner une viscosité de ladite solution sensiblement supérieure à celle dudit fluide. La substance polymérisable de la solution peut être une solution aqueuse de résine mélamine-formaldéhyde et le catalyseur peut être choisi dans le groupe formé par le chlorure d'ammonium, l'acide ptoluène sulfonique, l'acide tartrique, l'acide formique, l'acide oxalique et leurs mélanges. La matière solide résultant de la polymérisation de ladite solution peut avoir une résistance mécanique à la compression comprise entre 5 et 15 MPa. On appliquera le procédé ou la solution selon l'invention au colmatage des formations géologiques de fortes perméabilités pouvant être traversées par un puits. Dans cette application, la solution pénètre sensiblement dans les zones de fortes perméabilités. On peut détruire ensuite par forage le bouchon de matière solide polymérisé dans le puits tout en conservant le colmatage des parois du puits au niveau desdites formations. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des exemples qui suivent, nullement limitatifs, et notamment illustrés par les figures ci-annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement un puits dans lequel on place un bouchon, - la figure 2 montre une variante de l'invention, - les figures 3A et 3B représentent une application de l'invention à la consolidation et au colmatage des parois d'un puits. La figure I représente un puits 1 rempli d'un fluide 3 jusqu'au niveau 8. Le fluide 3 est le plus souvent le fluide utilisé pour le forage si l'opération de forage du puits est en cours. Le cas le plus défavorable pour l'opération de mise en place de bouchon dans le puits se présente lorsque le fluide 3 est de l'eau de formation ou de l'eau de mer dont la densité est proche de 1,025. En effet, le niveau statique 8 du liquide 3 représente la pression hydrostatique régnant dans les pores de la formation contenant l'eau salée. Si on remplace un certain volume de fluide 3, par un même volume de fluide de densité plus grande, il y a alors déséquilibre hydrostatique dans le puits. Le nouvel équilibre sera obtenu par une baisse du niveau 8, jusqu'à ce que la nouvelle colonne hydrostatique, comprenant le fluide initial et le fluide plus lourd du bouchon, procure une pression hydrostatique identique à l'origine. Il y a donc obligatoirement pénétration par injection d'un certain volume de liquide 3 dans la formation la plus perméable. Le volume de fluide de plus grande densité va être ainsi déplacé dans le puits par rapport à son niveau d'injection. Il y a donc une grande difficulté à mettre en place de façon précise un bouchon de ciment ou autre dont la densité est très souvent notablement supérieure au fluide présent dans un puits. De plus, les pertes de charge induites lors de la circulation des divers fluides viennent accélérer le déséquilibre des pressions. On constate le plus souvent que l'injection dans une telle formation peut déstabiliser la formation la plus fragile et augmenter sa perméabilité. Le volume de fluide injecté dans le puits peut être entièrement absorbé par la formation. Il n'y aura alors aucun bouchon dans le puits. Sur la figure 1, on a représenté par la référence 2 la zone en face de laquelle on souhaite la présence d'un bouchon en matière solide pour avoir, soit une base résistante, soit une étanchéité pour isoler la partie supérieure du puits de la partie inférieure par rapport à la zone 2. Des tubulaires 4 sont descendus dans le puits, au niveau de la zone 2, préférentiellement suivant les règles de l'art sensiblement au niveau inférieur de la zone 2. L'extrémité en surface des tubes est raccordée par une tête d'injection et une ligne d'injection vers un moyen de pompage 6. Le volume de solution liquide pour fabriquer le bouchon est préparé dans le bac 7. Cette solution 10 est injectée au niveau de la zone 2 par le canal intérieur 9 des tubes 4. Le sens de déplacement de la solution dans le puits 1 est figuré par les flèches 11. Le volume de solution est calculé compte tenu du diamètre du puits au niveau de la zone 2 et de la hauteur de celle-ci. Le moyen de pompage 6 pousse ce volume par l'intermédiaire d'un autre fluide, en général le même que celui présent dans le puits. Il est toutefois possible d'utiliser un autre fluide ou un bouchon séparateur entre la solution et le fluide pousseur. Pour éviter le problème de déséquilibre décrit plus haut, on règle la densité du fluide 10 proche de celle du fluide 3 en ajoutant des produits allégeants ou alourdissants suivant les cas. Le bouchon de solution 10 ainsi mis en place devant la zone 2 ne subit pas de déplacement par gravité ni entraînement. Bien entendu, la présente invention est particulièrement adaptée lorsque le fluide 3 est de l'eau de mer. A titre d'exemple, on donne ci-après une formulation d'une solution adaptée à constituer un bouchon dans un puits rempli d'eau de mer de densité 1,025: * 100 parts de résine thermodurcissable hydrosoluble mélamineformol Madurit MW 815 fabriquée par HOECHST, de densité environ 1,2, * 50 parts de cendres volantes de densité environ 0,7, * 35 parts de solution aqueuse de catalyseur, à 20% de catalyseur solide, densité environ 1. La solution obtenue a environ les caractéristiques suivantes : une densité de 1,025, un temps de pompabilité de 4 heures, un durcissement en 20 heures et une résistance mécanique entre 10 et 15 MPa. La présence d'eau de mer ne gène pas la prise qui se fait à température ordinaire. On peut régler le temps de prise en faisant varier le taux de catalyseur. Une difficulté de l'utilisation de résine hydrosoluble réside dans la possible dilution entre l'eau de mer remplissant le puits et la solution. Le taux de dilution modifie le temps de prise et la résistance mécanique du matériau une fois polymérisé. La présente invention résout cette difficulté en montrant la possibilité de viscosifier fortement la solution par rapport à la viscosité de l'eau. En effet, la viscosification de la solution comportant la substance polymérisable a pour effet de limiter le mélange entre le fluide présent dans le puits et le volume de solution injecté. Les essais de laboratoire ci-après ont porté sur la viscosité de la résine mélamine-formol en présence de polymères: - Produits utilisés: * Résine Madurit MW 815, * Polymères : Xanthane (Rhodopol 23 fabriqué par Rhône Poulenc) et Scléroglucane (CS 1 1 fabriqué par SANOFI), * Solvant: eau distillée avec ou non 20 g/litre de chlorure de sodium. - Conditions expérimentales: Les produits sont mélangés dans le rapport massique de 100 g de résine et 35 g d'eau. Les solutions de polymères en présence ou non de 20 g/l de NaCl sont préparées à la concentration d'étude avant ajout dans la résine. Les polymères, sous forme de poudre, sont utilisés tels quels sans aucune autre préparation. Les concentrations en polymères sont exprimées en gramme de produit par kilogramme de mélange total. La viscosité, exprimée en centipoise, est évaluée à partir d'un viscosimètre classique (Low Shear Contraves) et mesurée à 30"C au gradient de cisaillement de 0,15 s-l. Les résultats sont donnés par le tableau ci-dessous COMPOSITION DU MELANGE PRODUITS Concent. Eau+NaCl Eau pure Résine Visco en polym. (20 g/l) sité (g/kg) (g) ~ (g) (g) (cp) Résine 0 0 2,6 7,4 25 Sckeroglucane 0,3 - 10 0 8 0,3 - 2,6 7,4 46 1,1 2,6 - 7,4 170 2,5 2,6 - 7,4 870 Xanthane 0,3 - 10 0 25 0,3 10 - 0 7 0,3 - 2,6 7,4 194 0,3 2,6 - 7,4 31 1,3 2,6 - 7,4 35 2,2 2,6 - 7,4 370 Ces résultats appellent les commentaires suivants: La résine est notablement viscosifiée dès l'ajout de polymère, même à de faibles concentrations. Le xanthane est moins viscosifiant en présence de sel. Le pouvoir viscosifiant du scléroglucane n'est pas affecté par la présence de sel. Il faut noter que les mesures de viscosité des différents mélanges ont été effectuées juste après le mélange des différents constituants. On a pu noter une évolution sensible de la viscosité de la résine dans le temps, dans le sens de l'augmentation. Cela peut être expliqué par une solubilisation lente du polymère dans la résine et/ou un début de réticulation de la résine. Dans le cadre de cette invention, on pourra limiter la dilution ou la solubilisation de la solution 10 dans le fluide 3, en remplaçant le fluide 3 au niveau de la zone 2 par un fluide de même densité, mais dans lequel la résine est insoluble. Ce peut être par exemple, un mélange organique d'huile et de trichloréthane. La figure 2 illustre une variante de l'invention, particulièrement avantageuse dans le cas où il est obligatoire d'avoir un bouchon de grande hauteur. En effet, le volume de solution polymérisable est important lorsque l'on applique le procédé selon la figure 1. Le coût de la résine est relativement fort par rapport à du ciment. I1 est donc avantageux de mettre en place un premier bouchon 10 selon l'invention, d'une hauteur et d'une résistance suffisante pour servir d'assise au bouchon principal 12, celui-ci étant classique dans sa composition, c'està-dire à base de ciment.Le bouchon de ciment 12 pourra avoir une grande résistance mécanique car s étant affranchi ainsi des problèmes de chute vers le bas d'un laitier de ciment de forte densité par rapport au fluide contenu dans le puits, la composition de ce laitier est optimisée pour obtenir une résistance mécanique déterminée. La mise en place du deuxième bouchon 12 se fait après solidification suffisante du premier bouchon 10 en matière polymérisable pour servir de soutien. Les figures 3A et 3B illustrent une application concernant le colmatage d'une zone 13 présentant des parois instables lorsqu'un puits la traverse. La zone 13 peut également être une formation à pertes importantes. La mise en place d'un bouchon 10 selon l'invention permet dans un premier temps de consolider les parois et/ou de colmater la zone 13. La viscosité de la solution 10 sera telle qu'elle limite l'introduction de la solution dans la formation et sa disparition complète de la zone considérée. Lorsque la résine est solidifiée, on pourra éliminer par forage la partie centrale du bouchon. La figure 3B montre ltopération de reforage du bouchon à l'aide d'un outil 14 fixé sur une garniture de forage 16. Il ne subsistera, après cette opération qu'une gaine 15 de produits solides consolidant et/ou colmatant les parois du puits. Les opérations de forage ou d'exploitation peuvent reprendre sans être menacées par la présence de la zone critique 13. On ne sortira pas du cadre de cette invention si le procédé et la solution liquide mettent en oeuvre d'autres résines thermodurcissables, d'autres viscosifiants ou d'autres produits allégeants que ceux cités dans les exemples, dans la mesure où ceux-ci sont utilisés dans les mêmes buts et ont des fonctions équivalentes. REVENDICATIONS 1) Procédé de mise en place d'un bouchon d'obturation d'un puits (1) rempli d'un fluide (3) et dans lequel on injecte un volume d'une solution (10), par pompage à travers des tubulaires (4) descendus dans le puits, ladite solution comporte une substance polymérisable et au moins un catalyseur à caractère acide de Lewis, ladite solution étant adaptée à se transformer en un bouchon en matière solide, par une réaction de polymérisation s'effectuant sensiblement à la température et à la pression régnant audit niveau de l'extrémité inférieure desdits tubulaires (4), caractérisé en ce que:: - on adapte les caractéristiques physico-chimiques de ladite solution, notamment la masse volumique et la viscosité, pour que le volume injecté reste sensiblement en place dans ledit fluide, au voisinage du niveau d'injection (2) et pour que la dilution et/ou la solubilisation entre ladite solution et ledit fluide (3) du puits soient faibles, - on règle les proportions des différents composants de ladite solution pour obtenir un délai avant le début de solidification au moins égal à la durée de mise en place dans le puits. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la substance polymérisable est un mélange aqueux de résine mélamineformaldéhyde et en ce qu'on règle la viscosité de ladite solution de façon à ce qu'elle soit supérieure, ou au moins égale, à celle dudit fluide, en ajoutant des produits viscosifiants du type polysaccharide, par exemple des xanthane ou scléroglucane. 3) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on régle la masse volumique de ladite solution par rapport à la masse volumique dudit fluide, en ajoutant une charge inerte, par exemple des cendres volantes, la masse volumique de la solution étant préférentiellement sensiblement egale à celle du fluide. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on règle le délai avant le début de solidification de ladite solution en faisant varier notamment la proportion de catalyseur choisi dans le groupe formé par le chlorure d'ammonium, l'acide ptoluène sulfonique, l'acide tartrique, l'acide formique, l'acide oxalique et leurs mélanges. 5) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la solution injectée est adaptée afin d'obtenir, après polymérisation, un bouchon d'obturation en matériau solide ayant une résistance mécanique à la compression comprise entre 5 et 15 MPa. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit fluide (3) est de l'eau de mer. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on injecte préalablement à ladite solution, un volume de liquide dans lequel la substance polymérisable n'est pas soluble, par exemple un mélange de fluides organiques ayant une masse volumique proche de celle du fluide. 8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on injecte dans le puits un laitier de ciment (12), audessus du bouchon de solution (10) partiellement ou totalement polymérisée. 9) Solution (10) destinée à être injectée dans un puits (1) rempli d'un fluide (3), comportant une substance polymérisable et au moins un catalyseur à caractère acide de Lewis, ladite solution étant adaptée à former un bouchon dans le puits en se transformant en une matière solide, par une reaction de polymérisation s'effectuant sensiblement à la température et à la pression régnant au niveau de la zone d'injection (2, 13) dans ledit puits, caractérisée en ce qu'elle comporte une charge inerte, préférentiellement des cendres volantes, adaptée à donner à ladite solution une masse volumique sensiblement égale à celle dudit fluide et en ce que le taux de catalyseur est adapté à ce que la solidification démarre après la mise en place de ladite solution dans le puits. 10) Solution selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte des produits viscosifiants, préférentiellement des polysaccharides, par exemple des xanthane ou scléroglucane, adaptés à donner une viscosité de ladite solution sensiblement supérieure à celle dudit fluide (3). 11) Solution selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la substance polymérisable est une solution aqueuse de résine mélamine-formaldéhyde et en ce que le catalyseur est choisi dans le groupe formé par le chlorure d'ammonium, l'acide p-toluène sulfonique, l'acide tartrique, l'acide formique, l'acide oxalique et leurs mélanges. 12) Solution selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que la matière solide résultant de la polymérisation de ladite solution a une résistance mécanique à la compression comprise entre 5 et 15 MPa. 13) Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 8 ou de la solution selon l'une des revendications 9 à 12 au colmatage des formations géologiques (13) de fortes perméabilités pouvant être traversées par un puits, caractérisée en ce que ladite solution (10) pénètre sensiblement dans les zones de fortes perméabilités. 14) Application selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'on détruit par forage le bouchon de matière solide polymérisé dans le puits tout en conservant le colmatage des parois du puits au niveau desdites formations (13).