Brevet FR2706204A1 — publié le 19941216

DISPOSITIF D'ETUDE DE LA MIGRATION D'UN GAZ DANS UN LAITIER DE CIMENT. La présente invention concerne un dispositif d'étude de la migration d'un gaz dans un laitier de ciment. Elle a plus précisément pour objet un dispositif de ce type utilisable en laboratoire pour l'étude d'un laitier de ciment destiné à la cimentation d'un tubage dans un puits. On sait que, lorsque l'on fore un puits dans une formation de terrain, la pression exercée par les fluides contenus dans les roches perméables (eau, pétrole et surtout gaz) est contrôlée et compensée par la pression hydrostatique exercée par une colonne de boue injectée dans le puits. La densité de la boue de forage est ajustée de manière à exercer une surpression sur les fluides de la formation et à éviter une venue de ces fluides dans le puits. A mesure que le forage progresse, des tubages métalliques sont successivement introduits dans le puits et, en fin de forage, une cimentation de l'espace séparant le tubage de la formation assure la résistance mécanique de l'ensemble et, surtout, l'étanchéité entre les réservoirs traversés et entre ces réservoirs et la surface. Une étanchéité satisfaisante doit être assurée pendant et après les opérations de cimentation, c'est-à- dire aussi bien lors de la mise en place du laitier de ciment encore liquide que pendant la prise du ciment, ou après celle-ci, durant l'utilisation ultérieure du puits. Pendant la mise en place du laitier liquide, il est possible de contrôler les pressions exercées, en tenant compte des pertes de charge en circulation, et d'assurer ainsi l'étanchéité du puits. Une fois le ciment pris, sa faible perméabilité suffit à prévenir le passage des fluides, à condition naturellement que cette perméabilité n'ait pas été dégradée de façon irréversible par des cheminements de gaz au cours de la prise du ciment. La période critique de la cimentation est donc celle de la prise du ciment, qui peut durer plusieurs heures et dans laquelle interviennent des phénomènes complexes, qui doivent être pris en compte lors de toute étude préliminaire en laboratoire. Ces phénomènes, qui perturbent le contrôle de la pression hydrostatique de la colonne de laitier, concernent notamment: - la sédimentation des constituants du laitier de ciment; - la thixotropie résultant de l'addition au laitier d'additifs de viscosité; - la dissolution dans l'eau des grains de ciment et la cristallisation du ciment; - le retrait du laitier de ciment; - l'effet de filtration exercé sur le laitier par la paroi du puits. Ce sont les effets de ces divers phénomènes qu'il convient d'étudier en laboratoire, préalablement à une cimentation, car ils affectent directement le contrôle de la pression hydrostatique exercée par une colonne de laitier au cours de la prise du ciment. On va les étudier ci-après plus en détail et l'on rappellera, pour plus de clarté, qu'il est usuel, dans la technique, d'exprimer la pression en "densité équivalente" d, la densité de référence de 1 étant celle de l'eau. Une densité équivalente de 1,9 est celle d'un laitier normal de ciment et une densité équivalente de 1,6 est une valeur moyenne pour un réservoir de fluide, les valeurs extrêmes étant de 0,9 et de 2,2. Un laitier de ciment est une suspension dans l'eau de particules de ciment et de divers additifs, dont on peut négliger l'effet dans une première approche. Cette suspension est stable, lorsqu'elle est en circulation, mais elle sédimente dès qu'elle est au repos, après sa mise en place dans le puits. Cette suspension est très concentrée et, dès que la sédimentation commence, les grains de ciment entrent en contact mutuel. Les grains supportent mutuellement leur poids et la phase continue devient progressivement l'eau de la suspension. Il en résulte une chute progressive de la pression hydraulique exercée par la colonne de laitier, depuis celle du laitier initial (d = 1,9), jusqu'à celle de l'eau (d = 1), dont la densité équivalente représente la limite théorique. Ce phénomène peut être vérifié dans une colonne de plusieurs mètres de hauteur contenant une suspension de silice, pour éviter les phénomènes de prise du ciment: on constate bien une chute lente de la pression hydrostatique. On utilise de façon usuelle des additifs pour augmenter la viscosité du fluide de suspension, afin de ralentir la sédimentation. Les additifs viscosifiants créent des gels thixotropes, avec pour conséquence que le seuil de cisaillement appliqué à la paroi du puits et à la surface du tubage augmente progressivement avec le temps de repos et ne permet pas une transmission parfaite des pressions. A la limite, lorsque ce seuil augmente suffisamment, il peut compenser la pression hydrostatique. C'est effectivement ce que l'on constate lorsqu'à la thixotropie s'ajoute l'augmentation de la résistance mécanique du ciment au moment de sa prise effective. Par ailleurs, on sait que les grains de ciment se dissolvent progressivement dans l'eau, puis, lorsque la solution est saturée, qu'une cristallisation se produit. Il se crée alors un réseau de plus en plus rigide de fibres cristallines. Comme dans le cas de la sédimentation, ce réseau se supporte de lui-même et la pression hydrostatique est alors exercée uniquement par la phase liquide, tant que la perméabilité du réseau est suffisante. Ce réseau augmente également la rigidité du laitier et peut aussi diminuer la transmission des pressions si la perméabilité est annulée. Un laitier de ciment manifeste également un retrait de l'ordre de 4 à 5% en cours de prise. Ce retrait est dû au fait que l'eau libre de la suspension occupe un volume plus important que l'eau liée au réseau cristallin. La prise du laitier se traduit donc par une diminution du volume occupé par l'eau. Ce phénomène peut se manifester de deux façons différentes: (1) Si l'échantillon de ciment est soumis à une pression de confinement (pression externe supérieure à la pression interne), le retrait est externe et se traduit par une diminution du volume total de l'échantillon. Dans un plan horizontal, il peut en résulter la formation d'un micro-espace annulaire entre le ciment et la formation et/ou entre le ciment et le tubage et, donc, une perte d'étanchéité. Suivant un axe vertical, ce retrait entraîne un déplacement de la colonne de laitier ou, plus généralement, une chute de pression, lorsque ce déplacement est contrarié par les autres effets décrits ci-dessus. (2) Si l'échantillon est en équi-pression (égalité des pressions interne et externe), le retrait est alors interne, ce qui se traduit par une augmentation de la porosité et une diminution de la pression des fluides interstitiels. Ce retrait interne explique pourquoi la pression hydrostatique exercée par une colonne de laitier peut chuter bien en-dessous de la pression hydrostatique d'une même colonne d'eau. En pratique, compte tenu des variations et de la mauvaise transmission des pressions hydrostatiques, les retraits interne et externe se manisfestent simultanément. Ceci impose donc, dans les manipulations de laboratoire, un contrôle rigoureux des pressions exercées. Enfin, un dernier phénomène à prendre en considération tient au fait qu'en présence d'un réservoir poreux et perméable, la suspension d'eau et de ciment a tendance à filtrer, l'eau de la suspension pénétrant dans la suspension et le laitier se déshydratant à la paroi. Le ciment déshydraté ne peut naturellement pas avoir une prise correcte, ses caractéristiques sont dégradées et, notamment, sa perméabilité est élevée, ce qui ouvre la voie à une entrée de gaz dans la matrice du ciment. La simulation en laboratoire de la formation perméable et de la pression différentielle appliquée est donc d'une grande importance et les dispositifs utilisés à cet effet doivent minimiser la perturbation des mesures par le volume d'eau filtré (ou filtrat) durant l'essai. Tous les phénomènes mentionnés ci-dessus doivent être pris en considération dans les dispositifs de laboratoire destinés à tester une cimentation et l'on a déjà proposé, dans ce but, diverses cellules d'essai. L'une de ces cellules d'un type connu va être décrite ci-après en référence à la figure 1 des dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est un schéma d'un dispositif de la technique antérieure pour l'étude en laboratoire de la cimentation d'un tubage dans un puits; La figure 2 est un diagramme de courbes enregistrées avec un tel dispositif; La figure 3 est un schéma d'un dispositif conforme à l'invention. Le dispositif représenté sur la figure 1 est un dispositif d'un type connu utilisé depuis 1986 environ. Il comprend deux cellules identiques I et 2, reliées entre elles à leur partie supérieure par une ligne 3, sur laquelle est prévu en dérivation un moyen 4 apte à assurer une fuite constante du liquide circulant dans la ligne 3. La cellule 1 est connectée à sa base par une ligne 5 à une enceinte tampon 6 contenant de l'eau 7, cette enceinte étant elle-même alimentée à sa partie supérieure en hélium sous une pression de 30 bars (30 x 105 Pascal), à partir d'un réservoir 8. Dans la cellule 1 est prévu un piston 9, qui sépare de l'eau 7, provenant du réservoir 6, d'un échantillon 10 du laitier à tester. Au fond de la cellule 2 est logé un échantillon li de roche perméable provenant de la formation o la cimentation doit être effectuée. Cet échantillon 11 est séparé de façon étanche de la paroi latérale de la cellule 1 par des systèmes d'étanchéité symbolisés par un joint 12. A la base de la cellule 1 est prévue une ligne 13 par laquelle le filtrat peut être recueilli en 14. A cette ligne 13 est raccordée une ligne 15 connectée à un réservoir de gaz sous une pression de 10 bars (10 x 105 Pascal), l'échantillon de roche 11 simulant ainsi un réservoir perméable avec une pression de 10 bars (10 x 105 Pascal). Au-dessus de cet échantillon 11 est logé le laitier à tester, qui est surmonté par un tampon d'eau 7, comme le laitier présent dans le réservoir 1. Une crépine 17 en un matériau fritté est noyée dans le laitier 10 de la cellule 2 en vue de détecter la migration matricielle du gaz provenant du réservoir 16 à travers le ciment 10. Cette crépine est reliée à une ligne 18 permettant de recueillir le filtrat en 19. Le volume du filtrat, soit à travers l'échantillon de roche 11, soit à travers la crépine 17, est mesuré par pesée. Les deux échantillons de laitier 10 sont placés dans les cellules 1 et 2 juste après leur fabrication. L'hélium sous pression provenant du reservoir 8 repousse le piston 9, qui, du fait de la fuite d'eau en 4, déplace lentement le laitier de la cellule 1. Lorsque le ciment commence à prendre, le déplacement du piston 9 et du laitier est bloqué et la pression exercée par l'hélium n'est plus transmise de la cellule 1 à la cellule 2. La fuite d'eau en 4 assure alors une baisse progressive de la pression dans la cellule 2. Ce dispositif peut donc fonctionner de façon entièrement automatique, sans intervention extérieure, le débit de fuite en 4 devant seul être réglé en début de manipulation. En revanche, un inconvénient majeur du dispositif est que les pressions utilisées (10 x 105 Pascal au bas de la cellule 2, 30 x 105 Pascal en haut de celle-ci) ne sont pas cohérentes avec la pression réellement exercée par la colonne de laitier dans cette cellule, dont la hauteur est habituellement de l'ordre de 50 cm. Un second inconvénient, rédhibitoire celui-ci, de ce dispositif est que la pression dans la cellule de gauche ne chute que lorsque le piston 9 est bloqué, c'est-à-dire lorsque le ciment est pratiquement pris dans les deux cellules. Même si la pression de gaz (10 x 105 Pa) à la base de la cellule est alors beaucoup plus élevée que la pression hydrostatique du ciment, ceci se produit trop tard pour permettre le passage du gaz. La figure 2 montre les courbes enregistrées en fonction du temps avec un tel dispositif. La courbe C1 illustre les variations de température, la courbe C2 celles de la pression du laitier. Les courbes C3 et C4 correspondent à la pression du réservoir et de la cellule de détection. On voit que la pression du laitier (courbe C2) ne chute qu'après que la température du laitier, reflétant la prise de celui-ci, ait commencé à monter. La constance des pressions du réservoir et de la cellule de détection confirme l'étanchéité au gaz de l'ensemble. On pourrait naturellement envisager de remédier à certains inconvénients de ce dispositif connu en utilisant des cellules de grande hauteur, mais outre le fait que de tels dispositifs sont encombrants, ils nécessitent l'utilisation de grands volumes de laitier, de sorte que la procédure de fabrication de ce laitier, normalisée par l'American Petroleum Institute, ne peut être respectée et que les laitiers étudiés n'ont pas de caractéristiques répétables. En outre, avec de telles cellules de grandes dimensions, il n'est pas possible de conduire des essais dans des étuves à haute température dans lesquelles la cellule doit être logée. La présente invention vise à proposer un dispositif qui remédie à ces inconvénients en ce qu'il utilise une cellule de petites dimensions et en ce que, en cours d'utilisation, il permet de simuler une chute de pression hydrostatique dans le laitier en cours de prise et de relever alors une migration éventuelle de gaz. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'étude de la migration des gaz lors de la cimentation d'un tubage dans un puits, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: - une cellule apte à être emplie au moins partiellement du laitier à utiliser pendant la cimentation; - dans cette cellule, à un premier niveau, une première crépine en un matériau fritté, simulant une formation, et à un second niveau, plus élevé que le précédent, une seconde crépine en un matériau fritté, connectée à un moyen de détection de gaz, les niveaux des deux crépines étant tels qu'elles soient noyées dans le laitier en cours d'étude; - une source de gaz sous pression connectée, d'une part, à la première crépine, d'autre part, à un ballon empli partiellement d'eau, l'interface eau-gaz dans ce ballon étant située à un niveau inférieur à celui de la première crépine; - et un moyen de communication entre la partie du ballon emplie d'eau et la partie supérieure de la cellule, au-dessus du niveau supérieur du laitier. On montrera, dans la description détaillée qui va suivre, que la pression différentielle entre l'intérieur et l'extérieur de la première crépine ou crépine d'injection, c'est-à-dire la différence de pression entre la source de gaz et le laitier, peut être réglée de façon simple en réglant la distance séparant l'interface eau-gaz dans le ballon et l'interface eau-laitier dans la cellule et que la densité équivalente correspondant à la pression de fluide de la formation simulée par la première crépine est proportionnelle à cette hauteur. En modifiant cette hauteur, c' est-à-dire en jouant sur l'altitude de l'interface eau-gaz dans le ballon, il est donc possible d'ajuster de façon particulièrement simple cette pression pour toute une gamme de densités équivalentes de fluides de formations de terrain. Au cours de la prise du ciment, la pression hydrostatique du fluide diminue à l'extérieur de la première crépine (crépine d'injection) et le gaz injecté dans cette crépine peut migrer éventuellement dans le laitier lorsque la pression à l'intérieur de la crépine est supérieure à celle régnant à l'extérieur. Cette migration pourra alors être détectée par la deuxième crépine ou crépine de détection. Le dispositif conforme à l'invention constitue donc un système particulièrement simple pour tester en laboratoire les conditions de cimentation d'un tubage dans un puits. Les crépines sont constituées avantageusement de corps creux, par exemple cylindriques, en un matériau fritté de perméabilité fixe. Ces crépines étant immergées dans le laitier, la migration de gaz détectée par la seconde crépine ou crépine de détection est nécessairement matricielle. Le dispositif conforme à l'invention, son mode d'utilisation et ses avantages vont être maintenant décrits plus en détail en se référant au dessin schématique de la figure 3. On voit, sur cette figure, une cellule cylindrique 21, de petites dimensions, par exemple d'une hauteur de 50 cm et d'un diamètre de 5,4 cm, permettant de la placer aisément, si nécessaire, dans une étuve à haute température, les organes extérieurs à la cellule étant placés hors de l'étuve. Cette cellule est destinée à contenir un laitier de ciment 22, dont on désire tester la cimentation en laboratoire. Une crépine d'injection 23, ou première crépine, et une seconde crépine 24, ou crépine de détection, sont logées dans la cellule 21 à des niveaux tels qu'elles soient noyées dans le ciment. La crépine 24 est disposée à un niveau supérieur à celui de la crépine 23 et elle est connectée par une ligne 25 à des moyens de détection de gaz. La crépine 23 est connectée à un ballon 26 de stabilisation de pression, lui-même alimenté par une ligne 27 en un gaz sous pression à partir d'une source, non représentée. Les crépines 23 et 24 sont constituées d'un cylindre creux en un matériau poreux, fritté, ou filtre ou roche naturelle, ou encore poudre compactée, de perméabilité fixe. La crépine 23 est disposée verticalement, tandis que la crépine 24 est disposée horizontalement, afin que le filtrat qui peut y pénétrer ne puisse s'y accumuler en perturbant alors la détection de gaz et soit au contraire évacué naturellement vers l'extérieur par la ligne 25. A un niveau inférieur à celui de la crépine 23, un ballon 28, partiellement empli d'eau 29, est également alimenté à sa partie supérieure en gaz sous pression à partir de la ligne 27. La partie inférieure de ce ballon 29 est connectée par une ligne 30 à la partie supérieure de la cellule 21, de sorte que de l'eau 29 est présente audessus du laitier 23 et lui transmet la pression du gaz. La distance entre l'interface eau-gaz dans le ballon 28 et l'interface eau- laitier dans la cellule 21 est référencée H1 sur le dessin, tandis que la distance entre l'interface eau-laitier et la crépine d'injection 23 est référencée H2. Le fonctionnement du dispositif est le suivant La pression Pl d'alimentation en gaz du ballon 28 s'exerce à l'interface eau-gaz. A l'interface eau-laitier, dans la cellule, la pression est égale à P1, diminuée de la pression d'une colonne d'eau (densité d = 1) de hauteur H1 exprimée en millimètres, c'est-à-dire Pl Hi1 - g10 o g désigne la constante d'accélération de la pesanteur. Dans la cellule 21, à la hauteur de la crépine 23, la pression P2 est donc égale à celle régnant au niveau de l'interface eau-laitier augmentée de la pression hydrostatique de la colonne de laitier de hauteur H2 et de densité dl, soit 1 10 10 H2 c'est à dire P2 = P1 - _ (H1 - d1 H2) A l'intérieur de la crépine d'injection 23, la pression est pratiquement égale à la pression Pl d'injection du gaz, si l'on néglige la pression hydrostatique du gaz, et la pression différentielle entre l'intérieur et l'extérieur de la crépine, P1 - P2, est donc égale à g ( d1 H2 - H1) Cette pression différentielle correspond aux pertes de charge à travers la crépine. Comme expliqué ci-dessus, au cours de la prise du ciment, la pression hydrostatique dans le laitier diminue, mais, tant que la pression à l'extérieur de la crépine 23 reste supérieure à celle régnant à l'extérieur de la crépine, le gaz injecté ne peut pas migrer à travers le laitier. Cette migration ne pourra éventuellement se produire qu 'à partir du moment o la pression différentielle dans la crépine sera nulle, c'est-à-dire lorsque d1 H2 - H1 = 0 c'est-à-dire lorsque dl = H2 Il est donc clair qu'en modifiant Hl, c'est-à-dire l'altitude de l'interface gaz-eau dans le ballon, il est possible de simuler toute une gamme de pressions des fluides de formation, de densités équivalentes d = Hi H2 On notera à ce propos qu'une modification de la pression d'injection P1 du gaz ne modifie pas la pression différentielle à travers la crépine 23. Le dispositif conforme à '1 inventionest donc particulièrement simple, dans sa réalisation comme dans son utilisation. Le volume de laitier mis en oeuvre est très faible et cohérent avec les normes de l'American Petroleum Institute, ce qui assure la répétabilité des mesures faites avec ce dispositif et une bonne corrélation avec les autres mesures effectuées sur la même formulation du laitier (temps de prise, rhéologie, filtration etc..) La manipulation peut être entièrement automatisée et enregistrée sans aucune intervention en cours d'expérience. La pression P1 d'alimentation en gaz est fixée en début de manipulation et crée une pression de confinement. Comme indiqué, une variation de cette pression est sans incidence sur la pression différentielle au niveau de la crépine d'injection et par conséquent sur la fiabilité des mesures. Malgré les valeurs très faibles des pressions mises en jeu (par exemple de 0,2 à 1 bar, soit 0,2 à 1. x Pascals) une régulation précise de la pression P1 d'alimentation en gaz n'est donc pas nécessaire. Quant au réglage de la pression différentielle, il se fait par modification de la hauteur H1 de la colonne d'eau et il se prête donc à un ajustement fixe et stable. REVENDICATIONS 1- Dispositif d'étude de la migration des gaz lors de la cimentation d'un tubage dans un puits, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: - une cellule (21) apte à être emplie au moins partiellement du laitier (22) à utiliser pendant la cimentation; - dans cette cellule (21), à un premier niveau, une première crépine (23) en un matériau fritté, simulant une formation, et à un second niveau, plus élevé que le précédent, une seconde crépine (24) en un matériau fritté, connectée à un moyen de détection de gaz, les niveaux des deux crépines étant tels qu'elles soient noyées dans le laitier en cours d'étude; - une source de gaz sous pression connectée, d'une part, à la première crépine, d'autre part, à un ballon (28) empli partiellement d'eau, l'interface eau-gaz dans ce ballon étant située à un niveau inférieur à celui de la première crépine (23); - et un moyen de communication entre la partie du ballon (28) emplie d'eau et la partie supérieure de la cellule, au-dessus du niveau supérieur du laitier (22). 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les crépines (23,24) sont constituées d'un corps creux, de perméabilité fixe, en un matériau poreux, fritté ou filtre ou encore roche naturelle ou poudre compactée. 3- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde crépine (24) est disposée dans la cellule (21) en une position telle que le filtrat qui y pénètre éventuellement soit évacué naturellement par gravité vers l'extérieur. 4- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la seconde crépine (24) est cylindrique et est orientée horizontalement.