Brevet FR2758185A1 — publié le 19980710

Dispositif et méthode de mesure de caractéristiques d'un fluide pétrolier ou analogue. La présente invention concerne un dispositif pour mesurer certaines caractéristiques rhéologiques d'un fluide pétrolier ou analogue tel qu'une boue de forage ou un coulis de ciment. L'invention s'applique plus particulièrement à l'évaluation de la tendance au collage d'une boue de forage et à la mesure de la gélification d'un fluide. Le forage de puits tels que des puits pétroliers, à gaz, géothermiques ou analogues fait appel à différents fluides dont les caractéristiques rhéologiques doivent être connues le plus précisément possible, avec une mesure effectuée de préférence au moment même de la préparation du fluide, sur le site de forage. Pendant l'opération de forage proprement dite, on fait circuler dans le trou foré un fluide ou boue de forage qui, entre autres, a pour fonctions d'assurer le refroidissement et la lubrification de l'outil de forage, de permettre la remontée vers la surface des débris de forage, d'éviter les entrées de fluides de formation, notamment des gaz et de maintenir la stabilité en évitant un écroulement des parois. Le trou foré, un tubage (casing) ou encore un tube enroulé (coiled tubing) est descendu dans le forage et cimenté sur tout ou partie de sa hauteur, le coulis de ciment est injecté par l'intérieur du tube ou tubage pour venir ensuite remplir l'espace annulaire entre le tube et la paroi du puits. Outre une fonction mécanique de maintien en position du tube ou tubage, la cimentation permet d'isoler les différentes couches de formation traversées par le forage, de prévenir des remontées de gaz par l'annulaire ou encore de limiter les entrées d'eau dans le puits de production. Elle a aussi bien sûr pour but principal d'assurer la tenue du tubage. Très schématiquement, un coulis de ciment est constitué par une base liquide (de l'eau et des additifs solubles) et des matières solides (le ciment) en suspension dans cette base. La boue de forage est principalement constituée d'une base liquide généralement de type eau, huile ou émulsion eau dans huile, de sels ou autres produits en solution dans la base et de solides insolubles dans la base tels que de la baryte ou de la bentonite ajouter pour ajuster la densité et la viscosité du fluide. Ces fluides, comme la plupart des fluides employés dans les forages pétroliers sont des fluides thixotropiques dont la viscosité diminue après un certain temps de cisaillement et qui se gélifient au repos. Pour caractériser cette thixotropie, il est d'usage de mesurer la résistance du gel formé après un temps de repos de par exemple dix secondes, une puis dix minutes. Toutefois, la plupart des dispositifs développés à ce jour ne permettent pas de simuler de façon satisfaisante les conditions de pression et de température du puits. Par ailleurs, lorsqu'un fluide est en contact avec une formation relativement poreuse et si la pression hydrostatique de la formation est inférieure à la pression du fluide de forage, le fluide va tendre à pénétrer dans la formation. Toutefois, la finesse des pores de la formation est en général inférieure à la taille des particules solides en suspension dans le fluide. Il en résulte un phénomène de filtration avec un écoulement vers la formation de la base liquide et des solides les plus fins et le dépôt sur les parois des particules solides les moins fines formant un gâteau encore appelé 'cake de boue' lorsque le fluide est une boue de forage. En soi, la formation du cake de boue est un phénomène favorable, car elle tend à imperméabiliser les parois du puits et donc à limiter les déperditions de fluide de forage. Par contre, il peut arriver que des tiges de forage, des outils de diagraphie ou des éléments de tubage viennent frotter et se coincer dans ce cake lorsque ces éléments cessent de tourner pendant une durée prolongée, incidents difficiles à éviter dans la mesure où la circulation de la boue de forage est souvent maintenant pendant des mois. Pour libérer un élément coincé dans le cake, il faut lui appliquer un couple de rotation très important, pas toujours immédiatement disponible, avec de plus un risque de casse et par conséquent, d'interruptions des opérations de forage ce qui conduit à des surcoûts majeurs. On connaît du brevet britannique GB 2,275,342 un appareil destiné à évaluer la tendance au collage d'une boue de forage par la mesure du couple nécessaire pour entraîner en rotation d'une bille en contact avec une surface poreuse à travers de laquelle on force le passage d'une boue de forage afin de former un cake. Ce dispositif permet de plus de mesurer d'une part la quantité de liquide écoulé au travers de la paroi après 30 minutes (mesure des pertes de filtrat ou 'fluid loss'). Cependant, ce dispositif présente des inconvénients dans la mesure où il s'est avéré que les résultats ne sont pas toujours reproductibles d'un expérimentateur à l'autre et surtout, que le couple mesuré est systématiquement surévalué d'un facteur de friction qui dépend du type de boue de forage et par conséquent non constant. La présente invention a donc pour objet un dispositif d'évaluation de la tendance au collage d'une boue de forage qui autorise une reproductibilité des mesures accrue. L'invention a également pour objet un dispositif de mesure qui soit facilement adaptable à la mesure d'autres propriétés rhéologiques de fluides pétroliers, en particulier leur caractère thixotropique, dans des conditions approchant les conditions de température et de pression à l'intérieur du puits, tout en étant simple et robuste pour un usage commode par le personnel présent sur le site de forage. Pour ce faire, I'invention propose un dispositif de mesure de caractéristiques d'un fluide pétrolier notamment de la tendance au collage d'une boue de forage, constitué d'une cellule dont une paroi est constituée par une surface poreuse en contact avec la boue, de moyens pour appliquer une pression sur le fluide et forcer son passage au travers de ladite surface poreuse, d'un corps de détection à surface sphérique plongé dans le fluide, de moyens moteurs pour placer ledit corps de détection en rotation par rapport au fluide dans la cellule, et de moyens pour mesurer le couple de résistance à la rotation, caractérisé par des moyens pour maintenir une distance constante aussi faible que possible mais non nulle entre ledit corps de détection et la surface poreuse. Le corps de détection est par exemple constitué par une bille dont le rayon de courbure est typiquement de l'ordre de 2 à 3 cm et plus généralement inférieur à 10 cm et de préférence inférieur à 5 cm mais on peut aussi utiliser toute surface de révolution ayant une partie sphérique notamment une calotte sphérique ou une surface tronconique dont la pointe présente un rayon de courbure par exemple de l'ordre de 2 à 5 cm. Le dispositif connu du brevet GB 2,275,342 est constitué d'une cellule pressurisée dont le fond est formé d'une grille dont la face tournée vers l'intérieur de la cellule est recouverte d'un papier filtre afin de simuler la paroi du trou. La cellule est munie d'un couvercle percé en son centre d'un passage pour une tige à l'extrémité de laquelle est fixée une bille. On remplit la cellule avec la boue à tester et on descend la bille de façon à ce qu'elle vienne toucher le papier filtre. Un gaz est injecté au-dessus de la boue pour simuler la différence de pression entre la boue et les fluides de formation. Au fur et à mesure que la hauteur du cake de boue croît, on mesure, par un capteur associé à la tige, le couple T nécessaire pour initier la rotation de la bille. Selon le modèle utilisé par les auteurs, ce couple est proportionnel à un facteur de collage s caractéristique d'une boue donnée et à t3/4, OÙ t est le temps d'application de la pression différentielle. En fait, ce modèle repose sur une hypothèse implicite à savoir que le frottement entre la bille et le papier filtre est une constante. Or, les auteurs de la présente invention ont trouvé qu'en pratique, cette hypothèse est erronée, le différentiel de pression appliqué étant tel qu'il se produit une aspiration vers le bas de la bille de sorte que celle-ci tend à s'enfoncer plus ou moins profondément dans la grille qui, à la limite, est déformée. Cet inconvénient est évité par la modification du dispositif proposée par la présente invention, à savoir le maintien d'une distance fixe entre la bille et la paroi poreuse. Ce maintien peut être réalisé par exemple au moyen de paliers posés sur le couvercle de la cellule. Ainsi, la bille n'est plus posée sur la surface poreuse mais suspendue au-dessus de celle-ci. De préférence, la distance entre le point le plus bas de la bille et la surface poreuse est de l'ordre de 0.1 mm, ce qui permet de tester tout type de boues de forage y compris des boues très lubrifiantes comme des boues à l'huile. Dans une variante plus particulièrement préférée de l'invention, la bille est entraînée en rotation au moyen d'une transmission magnétique. Ceci permet de supprimer tout joint rotatif entre les zones haute et basse pression pouvant générer un couple de friction variable en fonction de la pression et instable, tout en assurant une plus grande sécurité pour les manipulateurs. Par ailleurs, ce type de transmission permet de mesurer des couples très faibles. Il devient de ce fait possible de convertir très simplement le dispositif de mesure de la tendance au collage d'une boue de forage en un rhéomètre à température et pression variable pour la mesure de la force du gel d'un fluide thixotropique. D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui représentent à titre d'exemple: Figure 1: une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention pour la mesure de la tendance au collage d'une boue de forage Figure 2: une vue schématique d'un dispositif selon la figure 1 modifié pour permettre la mesure du temps de gel d'un fluide pétrolier. Figure 3: la courbe représentative de la gélification d'un coulis de ciment, mesurée sur 3 coulis de même formulations avec un dispositif tel que celui représenté figure 2. Un dispositif de mesure conforme à l'invention est représenté sur la figure 1. Il comprend une cellule de mesure qui peut être placée dans un bain thermostaté. La cellule 1 comporte un fond 2 constitué par une grille dont la face tournée vers l'intérieur de la cellule est revêtue d'un papier filtre 3. Un drain 4 sous la cellule 1 permet de recueillir le filtrat. La cellule est fermée par un couvercle 5 percé d'une ouverture 6 pour une alimentation 7 en un gaz de type azote ou gaz carbonique utilisé pour pressuriser la cellule. Le couvercle 5 est de plus muni en son centre d'un passage 8 muni d'une garniture d'étanchéité. Le corps de détection est constituée par une bille 9 fixée à un arbre 10 entraîné en rotation par un système d'entraînement 11, via une transmission magnétique 12. L'arbre 10 est supporté par un palier 13 comportant des moyens fins de réglage de la position verticale de la bille 9 de façon à positionner précisément la bille de sorte que celle-ci ne repose pas sur la grille 2 mais reste suspendue au-dessus de celle-ci, à une distance faible mais non nulle. La valeur du facteur de collage est déterminée en supposant que la hauteur h du cake de boue croît selon une fonction du type h=sst'n, où ,B est constant pour une boue donnée dans des conditions de température et de pression fixées, que la croissance du cake de boue n'est pas affectée par la bille, qu'il ne se produit pas de glissement à l'interface cake/bille et que la contrainte exercée par le cake de boue est constante sur toute la hauteur du cake (ou autrement dit, que le cake est homogène sur toute sa hauteur). Ces hypothèses admises, on peut calculer que le couple T qui doit être exercé à un instant t pour faire tourner la bille peut s'exprimer selon une fonction du type à T = S (tsn -tó n)3n où to est l'écart de temps entre le début de la mesure et l'instant où le cake de boue atteint le point le plus bas de la bille et S un facteur caractéristique d'une boue de forage à une température et une pression donnée. A titre d'exemple, on a préparé un fluide de forage de type boue à l'eau en utilisant un agent viscosifiant minéral (type VISPLEX) et en ajoutant respectivement 0%, 2% et 5% (pourcentages volumiques) d'un lubrifiant de type IDLUBE-XL (VISLEX et lDLUBE-XL sont deux marques de la société Schlumberger Dowell). Le couple (en mN.m) a été mesuré à intervalles de 5 minutes, avec une cellule à 20 C pressurisée à 500 psi (3,44 MPa). additifs o 0% 2% 5% Temps Couple (en mN.m) (minutes); 5 96,8 75,6 49,7 10 123,3 96,2 59,7 15 145,6 103,0 66,5 20 165,4 113,0 72,6 25 183,9 125,0 75,6 30 198,0 134,0 80,3 coefficient de 0,998 0,987 0,982 régressioni facteur de collage en 10,8 5,9 3,2 mNm/min3{4 Le calcul du coefficient de régression linéaire R2 effectué sur les mesures de couple en fonction du temps à la puissance 3/4, montre que ces dernières sont en bon accord avec le modèle proposé. L'effet réducteur d'un lubrifiant donné sur la tendance au collage d'une boue de forage est quantifié de façon précise par le calcul du facteur de collage. Le dispositif présenté à la figure 1 peut être simplement transformé en rhéomètre comme montré figure 2 pour pouvoir mesurer la rhéologie en pression et température des laitiers de ciments. La seule modification consiste à remplacer l'assemblage tige 10 /bille 9 par une tige 10 portant au moins une palette tel par exemple un mobile à ailettes 14. Avec un tel dispositif muni d'un mobile à six ailettes conforme aux recommandations API, monté en lieu et place de la bille utilisée pour les boues de forage, on a mesuré la rhéologie d'un coulis de ciment en préparant 3 éprouvettes identiques obtenues en mélangeant un ciment Portland de classe G, 1,5% (par rapport au poids de ciment) de chlorure de calcium et de l'eau pour obtenir une densité de 1,89 g/cm3. Les résultats sont reportés dans le tableau ci-après, les courbes correspondantes étant rassemblées à la figure 3. Ils montrent qu'en dépit des faibles couples mesurés, le même dispositif permet de mesurer de façon fiable la rhéologie d'un laitier de ciment, conformément aux règles API. Temps en minutes Couple (en rnN.m) 0 5.0 2.0 1.4 5 4.1 4.1 4.1 10 4.7 4.4 4.4 15 6.4 5.0 4.7 20 6.4 6.1 5.8 25 8.5 6.7 6.4 30 8.8 7.6 7.0 35 9.4 8.8 8.8 40 ~ 10.8 10.5 10.0 45 12.3 12.9 11.4 50 13.8 14.1 12.9 55 15.8 15.8 15.5 60 18.2 18.2 17.6 65 21.4 20.0 19.7 70 24.7 23.2 23.8 75 28.5 26.4 28.2 80 32.6 30.9 33.8 Revendications 1. Dispositif de mesure de caractéristiques d'un fluide pétrolier constitué d'une cellule (1) dont une paroi est constituée par une surface poreuse (3) en contact avec la boue, de moyens (7) pour appliquer une pression sur le fluide et forcer son passage au travers de ladite surface poreuse, d'un corps de détection (9) à surface sphérique plongé dans le fluide, de moyens moteurs (10,11,12) pour placer ledit corps de détection (9) en rotation par rapport au fluide dans la cellule, et de moyens pour mesurer le couple de résistance à la rotation, caractérisé par des moyens (13) pour maintenir une distance constante non nulle entre ledit corps de détection (9) et la surface poreuse (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour maintenir une distance constante non nulle entre ledit corps de détection (9) et la surface poreuse (3) sont constitués par au moins un palier (13). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens moteurs comportent une transmission magnétique (12) qui entraîne en rotation l'élément plongé dans le fluide. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit corps à surface sphérique est constitué par une bille ou un corps présentant une partie sphérique. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit corps à surface sphérique a un rayon de courbure inférieur à environ 10 cm et de préférence inférieur à environ 5 cm. 6. Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément est constitué par une ou plusieurs ailettes (14). 7. Méthode pour mesurer la tendance au collage d'une boue de forage consistant à placer un corps de détection à surface sphérique à proximité d'une paroi poreuse, verser de la boue de forage autour du corps de détection, forcer le passage de la boue au travers de la surface poreuse de façon à former un cake de boue au-dessus de la surface poreuse et autour du corps de détection et à mesurer le couple de résistance à la rotation du corps de détection, caractérisé en ce qu'une distance de l'ordre de 0.1 mm est maintenue constante entre le corps de détection et la surface poreuse. 8. Application du dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 5 à la mesure de la tendance au collage d'une boue de forage. 9. Application du dispositif de mesure selon la revendication 6 à la mesure du développement de la gélification d'un fluide pétrolier.