Brevet FR2698644A1 — publié le 19940603

La présente invention concerne un procédé de consolidation de formations géologiques, ce procédé étant notamment applicable à des réservoirs contenant du pétrole ou du gaz, pour éliminer les venues de sable dans les puits traversant des formations sableuses peu ou pas consolidées. D'une manière plus générale, ce procédé peut être utilisé pour consolider localement des formations perméables. Diverses méthodes ont de'jà été proposées pour empêcher les venues de sable dans les puits neufs ou pour traiter des puits donnant lieu à des venues de sable, lors de l'exploitation des gisements de pétrole ou de gaz. Une méthode consiste à injecter, dans la formation géologique, une résine liquide qui, en se polymérisant crée une liaison entre les grains de sable. L'efficacité d'une méthode chimique de ce type est aléatoire, car la réaction de polymérisation de la résine injectée dépend essentiellement des conditions régnant dans le puits au niveau de la formation et des caractéristiques de cette dernière. Une telle méthode ne permet pas de contrôler le degré d'avancement de la réaction chimique. Il en résulte le risque, soit d'une consolidation insuffisante de la formation, si le degré de polymérisation est trop faible, soit d'une trop forte réduction de la perméabilité ou même d'un colmatage complet de la formation géologique, si une trop grande quantité de polymère est retenue dans certains pores. Pour éviter ce problème, le brevet français NO 2474558 décrit un procédé dans lequel la réaction de polymérisation a lieu entre un agent chimique liquide contenant des catalyseurs appropriés mis en place autour du puits à traiter et un gaz oxydant injecté. La circulation du gaz après la mise en place de l'agent polymérisable assure le maintien de la perméabilité. Le mélange organique liquide contient un composé polyéthylènique et un catalyseur tels que les réactions de polymérisation oxydante conduisent à la consolidation du milieu sans qu'il soit nécessaire de préchauffer la formation. Cependant, ce procédé nécessite l'utilisation de mélange oxygène-gaz inerte dont la disponibilité n'est pas toujours évidente. De plus, la quantité de gaz oxydant doit être contrôlée pour que, par suite du dégagement de chaleur par la réaction d'oxydation, la température n'atteigne pas des valeurs supérieures à 3500C, où le produit polymérisé se dégraderait par combustion. Pour cette raison, ce procédé est limité aux formations géologiques peu profondes où la température initiale et la pression ne sont pas trop élevées, permettant alors une réaction de polymérisation oxydante à une température inférieure à la température de combustion de la résine. Le brevet français NO 2575500 décrit un procédé dans lequel la réaction de polymérisation d'un agent chimique liquide contenant des catalyseurs appropriés mis en place autour du puits à traiter a lieu sous l'action d'un mélange gazeux chaud et inerte chimiquement. Cependant le procédé nécessite l'injection d'un mélange gazeux dont la température est comprise entre 150 et 3250C, soit une valeur nettement supérieure aux températures généralement rencontrées dans les réservoirs contenant du pétrole ou du gaz. La demande EP-A-462880 décrit un procédé de consolidation d'une formation géologique dans lequel on injecte dans la formation une substance polymérisable additionnée d'au moins un catalyseur type acide de Lewis, la réaction de polymérisation s'effectuant sensiblement à la température et à la pression de la formation, en conduisant à la création d'une substance liant les éléments non consolidés de la formation. La circulation d'un gaz dans la formation à traiter assure le maintien de la perméabilité. Les deux procédés pré-cités présentent également l'inconvénient majeur du risque de colmatage de la formation. En effet, la perméabilité est sensiblement maintenue grâce à la circulation d'un fluide gazeux dans la formation où la substance polymérisable a été injectée. Le fluide gazeux chasse l'excédent de résine et évite ainsi une perte de perméabilité en maintenant les communications entre pores et évitant une polymérisation en masse. Mais il est bien connu que dans des formations géologiques pouvant comporter des hétérogénéités de perméabilité, le gaz risque de cheminer principalement dans les zones de plus forte perméabilité sans cheminer dans les autres. En conséquence, les zones de plus faible perméabilité risquent d'être colmatées par la substance polymérisable en quantité importante dans les pores car non déplacée par la phase gazeuse. L'idée maîtresse de la présente invention est de ne permettre la polymérisation de la substance polymérisable que lorsque celle-ci a été mise en contact avec la phase gazeuse destinée notamment à assurer le maintien de la perméabilité. Ainsi, dans un pore non balayé par le gaz, la substance présente ne polymérise pas car elle ne contient pas de catalyseur. La consolidation est dans ce cas imparfaite, mais aucune zone de la formation ne risquera d'être colmatée puisque la résine non catalysée reste liquide et pourra être évacuée ensuite par la mise en production du puits. En effet, l'homme de l'art redoute de colmater un puits de production pétrolier qui a représenté un investissement important. Le colmatage d'un puits représente l'arrêt ou la diminution de la production d'hydrocarbures, ce qui constitue une perte financière importante. Ce résultat est atteint selon la présente invention qui concerne un procédé permettant de consolider une formation géologique sans réduire sa perméabilité de manière appréciable, comportant l'injection d'un premier mélange liquide dans la formation, l'injection d'un second mélange comportant principalement une phase gazeuse dans ladite formation selon des conditions appropriées, ledit premier mélange liquide contenant une substance polymérisable adaptée à se transformer en une substance liant les éléments non consolidés de la formation par une réaction de polymérisation contrôlée par un système catalytique, ladite réaction s'effectuant sensiblement à la température et à la pression de la formation. Le système catalytique de la substance polymérisable est obtenu par la combinaison d'au moins deux constituants. Le premier mélange contient un des constituants et le second mélange contient l'autre constituant. La réaction de polymérisation démarre uniquement lorsque les deux mélanges sont en contact. Dans une première variante selon l'invention, la phase gazeuse du second mélange peut être sensiblement inerte chimiquement à la température et à la pression de la formation et ledit autre constituant peut être principalement sous forme gazeuse. Dans une seconde variante, le second mélange peut être injecté sous forme d'un aérosol constitué au moins dudit autre constituant et de la phase gazeuse, la phase gazeuse pouvant être sensiblement inerte chimiquement à la température et à la pression de la formation. Par phase gazeuse sensiblement inerte chimiquement, on entend un gaz ou un mélange gazeux qui, dans les conditions opératoires du procédé, ne réagit pas avec les fluides de gisement ou avec les fluides injectés. La phase gazeuse peut être de l'azote, du gaz naturel, un gaz de combustion de composés hydrocarbonés, un gaz contenant de l'oxygène, tel de l'air, de la vapeur d'eau, utilisés seuls ou en mélange. L'injection de la phase gazeuse permet d'éviter une réduction appréciable de la perméabilité de la formation aux fluides tels que le pétrole ou le gaz naturel. Le débit de la phase gazeuse sera tel que le gaz à injecter envahisse la hauteur à traiter. Le système catalytique considéré peut être le chlorure d'ammonium obtenu par la combinaison des deux constituants suivants : acide chlorhydrique et ammoniaque. Dans ce cas la substance polymérisable peut être une résine mélamine formol. Les résines mélamine-formaldéhyde utilisées peuvent consister en les produits de la condensation en milieu alcalin de mélamine et de formaldéhyde dans des proportions allant par exemple d'environ 3 à 6 moles de formaldéhyde par mole de mélamine. Elles se présentent en général sous la forme d'une poudre facilement soluble dans l'eau. La proportion d'eau peut aller de 10 à 5096 en poids de résine et de préférence de 15 à 30%. L'autre constituant contenu dans le second mélange peut être un catalyseur de la substance, le constituant contenu dans le premier mélange peut être alors un additif, ne réagissant pas avec ladite substance polymérisable pour démarrer la réaction de polymérisation, mais permettant un contrôle de la réaction de polymérisation, par exemple en contrôlant le temps de solidification de la résine une fois que les deux mélanges ont été mis en contact. Selon une variante de la présente invention, on peut injecter successivement le premier mélange dans la formation à consolider, puis le second mélange. Lorsque la quantité déterminée de l'autre constituant a été injectée avec le second mélange, on peut poursuivre l'injection de la phase gazeuse afin d'assurer le maintien de la perméabilité pendant la réaction de polymérisation. La proportion du système catalytique peut être de 0,001 à lOGo en poids par rapport au poids de la substance et de préférence de 0,05 à 5%. Ces proportions pouvant dépendre de la température de mise en oeuvre en général et des délais de prise imposés. On peut injecter par un puits dans des conditions appropriées de 30 à 500 litres du premier mélange par mètre d'épaisseur de formation à consolider, et de préférence de 100 à 300 litres. Des quantités supérieures n'affectent cependant pas l'efficacité du procédé selon l'invention. Dans l'application de la méthode aux réservoirs de gaz, la phase gazeuse chimiquement inerte, telle que définie ci-dessus, pourra être avantageusement du gaz naturel. Dans l'application de la méthode aux réservoirs d'huile, la phase gazeuse injectée pourra être avantageusement de l'azote, du gaz naturel, du gaz de combustion précités, de la vapeur d'eau. L'utilisation ou l'ajout d'air ou d'air appauvri en oxygène est également possible. La durée d'injection de la phase gazeuse sera de préférence inférieure à 72 heures. Cette durée doit être suffisante pour que l'avancement de la réaction de polymérisation soit tel que le produit de consolidation ne soit sensiblement plus mobile. Sur la figure unique annexée illustrant schématiquement un mode de mise en oeuvre de l'invention, la référence 1 désigne une formation géologique sableuse traversée par un puits 2, qui comporte un cuvelage 3 muni de perforations 4 au niveau de la formation 1 dont on désire extraire un fluide, tel du pétrole ou du gaz naturel. Dans cet exemple de réalisation, nullement limitatif, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre en injectant d'abord dans la formation 1 à traiter des quantités prédéterminées d'un premier mélange liquide 5, tel qu'une solution aqueuse de mélamine-formaldéhyde additionnée d'un des constituants du chlorure d'ammonium: acide chlorhydrique (HUI) et ammoniaque (NH40H). De préférence, le premier mélange 5 comportera la résine polymérisable mélangée avec de l'ammoniaque dans des proportions déterminées. Après cette première injection, on injecte un second mélange 6 comportant une phase gazeuse inerte chimiquement et l'autre constituant du chlorure d'ammonium, préférentiellement l'acide chlorhydrique. Le second constituant du chlorure d'ammonium est incorporé dans la phase gazeuse et injecté sous forme gazeuse ou sous forme de fines gouttelettes dans le flux gazeux. Préférentiellement, la phase gazeuse injectée pourra barboter dans de l'acide chlorhydrique ou celuiei pourra être pulvérisé dans la conduite d'injection de la phase gazeuse. La quantité de l'autre constituant, préférentiellement l'acide chlorhydrique, sera déterminée de façon à obtenir une solidification sensiblement complète du mélange 5. Pendant la réaction de polymérisation déclenchée par le résultat de la combinaison de l'acide chlorhydrique et de l'ammoniaque, on pourra poursuivre l'injection de la phase gazeuse inerte pour assurer le maintien de la perméabilité, jusqu'à ce que la mobilité de la résine soit faible. Les deux mélanges peuvent être injectés à la suite l'un de l'autre par l'intermédiaire d'une même colonne de production ou tubing 7 débouchant, à sa partie inférieure, sensiblement au niveau des perforations 4. Un dispositif 9, du type packer, assurera l'étanchéité en obturant l'espace annulaire entre le cuvelage 3 et la colonne de production 7, au-dessus de la formation 1. Dans la colonne de production 7, le second mélange 6 est séparé du premier mélange par un bouchon 8 d'une substance non polymérisable, ce bouchon étant constitué, par exemple, par un petit volume d'eau. On évite ainsi que les réactions de la substance polymérisable ne se produisent à l'intérieur de la colonne de production. Bien entendu, le mode de mise en oeuvre décrit ci-dessus n'est nullement limitatif, d'autres modes de réalisation pouvant être envisagés. Dans le cas des gisements pétroliers, on pourra avantageusement faire précéder l'injection du liquide 5 par l'injection de fluides tels que le xylène ou une coupe pétrolière et un alcool, tel que l'isopropanol, afin de chasser le pétrole et l'eau présents aux abords du puits qui, s'ils sont en quantités excessives, peuvent avoir un effet néfaste sur l'efficacité de la consolidation du milieu. L'efficacité du procédé selon l'invention est illustrée par les essais suivants, les caractéristiques de mises en oeuvre de ces essais n'ayant aucun caractère limitatif. Un mélange intime de sable de carrière (granulométrie comprise entre 150 et 300 micromètres), d'une solution aqueuse de mélamine-formaldéhyde et d'ammoniaque est tassée à la température ambiante dans une cellule. Dans ces essais, on a utilisé les proportions suivantes: -600gde sable, - 100 g de résine mélamine-formol de marque MADURIT MW 815 vendue par la Société HOECHST, - 8,4 g de solution d'HCl à 36 % en poids, - 6,4 g de solution d'ammoniaque à 22 % de NH3 en poids. Ces proportions correspondent à l'équivalence molaire en acide chlorhydrique et ammoniaque. Les résultats d'essais sont les suivants: a) Sans apport d'acide chlorhydrique et pour une proportion de 6,4 g de solution d'ammoniaque, on ne constate pas de réaction de prise de la résine. b) Après apport d'acide chlorhydrique en équivalent molaire normalisé par rapport à l'ammoniaque, on constate un temps de prise du massif de 7,5 heures. c) Par rapport aux proportions de l'expérience b), on multiplie par 1,6 la quantité d'ammoniaque dans le mélange, la quantité dlICI apportée restant la même, on constate un temps de prise de 22 heures. d) Par rapport aux proportions de l'expérience b), on multiplie par 2,2 la quantité d'ammoniaque dans le mélange, la quantité d'HCl apportée restant la même, on constate un temps de prise supérieure à 24 heures. On peut conclure que le premier mélange contenant la résine et l'ammoniaque est stable, aucun début de polymérisation n'étant constaté. L'addition d'acide chlorhydrique permet de réaliser la consolidation avec un temps de prise acceptable. De plus des essais ont été effectués en présence d'eau de mer: on constate un effet faiblement accélérateur sur la durée de prise. REVENDICATIONS 1) Procédé permettant de consolider une formation géologique sans réduire sa perméabilité de manière appréciable, comportant l'injection d'un premier mélange liquide dans la formation, l'injection d'un second mélange comportant principalement une phase gazeuse dans ladite formation selon des conditions appropriées, ledit premier mélange liquide contenant une substance polymérisable adaptée à se transformer en une substance liant les éléments non consolidés de la formation par une réaction de polymérisation contrôlée par un système catalytique, ladite réaction s'effectuant sensiblement à la température et à la pression de la formation, caractérisée en ce que ledit système catalytique est la combinaison d'au moins deux constituants, en ce que ledit premier mélange contient un desdits constituants, en ce que ledit second mélange contient l'autre constituant, et en ce que la réaction de polymérisation démarre uniquement lorsque les deux mélanges sont en contact. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase gazeuse dudit second mélange est sensiblement inerte chimiquement à la température et à la pression de la formation et en ce que l'autre constituant est principalement sous forme gazeuse. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second mélange est injecté sous forme d'un aérosol constitué au moins de l'autre constituant et de ladite phase gazeuse, ladite phase gazeuse étant sensiblement inerte chimiquement à la température et à la pression de la formation. 4) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit système catalytique est le chlorure d'ammonium obtenu par la combinaison des deux constituants suivants : acide chlorhydrique et ammoniaque, et en ce que ladite substance polymérisable est une résine mélamine formol. 5) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'autre constituant du second mélange est un catalyseur de ladite substance et en ce que le constituant du premier mélange est un additif adapté à contrôler la réaction de polymérisation, notamment le temps de solidification. 6) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on injecte successivement le premier mélange dans la formation à consolider, puis le second mélange et en ce que lorsqu'une quantité déterminée de l'autre constituant a été injectée avec le second mélange, on continue l'injection de ladite phase gazeuse pour maintenir sensiblement la perméabilité. 7) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la proportion du système catalytique est de 0,001 à 10% en poids par rapport au poids de la substance et de préférence de 0,05 à 5%. 8) Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on injecte par un puits dans des conditions appropriées de 30 à 500 litres du premier mélange par mètre d'épaisseur de formation à consolider.