Brevet FR2757426A1 — publié le 19980626

La présente invention concerne une composition de mousse aqueuse constituée par une combinaison optimisée de tensioactifs et de polymères hydrosolubles. Les applications d'une telle mousse selon la présente invention sont diverses, par exemple pour les soins corporels, les applications agricoles, la lutte contre les incendies, les travaux souterrains, tels la consolidation des sols et les opérations dans les puits forés dans le sous-sol: forage, traitement des réservoirs, production d'hydrocarbures. On connaît l'utilisation de mousse aqueuse pour remplacer un fluide de puits en circulation à travers une garniture de tubes descendue dans un puits foré dans le sol. Dans certains cas, la masse volumique du fluide aqueux utilisé est trop grande pour la nature de la roche, créant une pression hydrostatique trop importante vis-à-vis de la résistance à la fracturation des zones rocheuses traversées par le forage. On choisit alors d'utiliser des fluides aqueux de masse volumique diminuée par l'introduction de gaz et on tente de rendre homogène le fluide ainsi allégé en créant une mousse, la plus stable possible, afin d'avoir au moins un pouvoir de nettoyage des déblais suffisant. Le document US-5513712 décrit un procédé de forage dans lequel on utilise une mousse comportant un polymère du type acrylamide non réticulé et un tensioactif, mais ne décrit pas une composition moussante stable et optimisée grâce à l'obtention d'une synergie entre un polymère et un tensioactif spécifiques. Ainsi, la présente invention concerne une composition moussante à base d'eau comportant au moins un tensioactif et un polymère. Le tensioactif et le polymère comportent des charges de signe opposé. La demanderesse a mis en évidence, que d'une façon surprenante, il était possible de contrôler l'obtention d'une mousse stable, à partir d'une composition optimisée en concentration de tensioactif, si on lui associe un polymère ou un copolymère de charge de signe opposé à celui de la charge du tensioactif. Avec un tensioactif anionique, on associe un polymère ou copolymère cationique; avec un tensioactif cationique, on associe un polymère ou un copolymère anionique. Comme tensioactifs, il est envisageable dans la présente invention d'utiliser tous les tensioactifs anioniques classiques, tels que la fonction anionique soit: - carboxylates: savons des métaux alcalins, alkyl ou alkylether carboxylates, o N-acylaminoacides, N-acylglutamates, o N-acylpolypeptides, - sulfonates: o Alkylbenzènesulfonates, o Paraffinesulfonates, o cc-oléfinesulfonates, o Les pétroléumsulfonates, o Les lignosulfonates, o Les dérivés sulfosucciniques, o Polynaphtylméthanesulfonates, o Alkyltaurides. - sulfates: o Alkylsulfates, o Alkyléthersulfates, - phosphates: o Les phosphates de monoalkyles, o Les phosphates de dialkyles - phosphonates. Comme tensioactifs cationiques, on peut citer: - les sels d'alkylamines, - les sels d'ammonium quaternaire dont l'azote: o comporte une chaîne grasse, par exemple, les dérivés d'alkyltriméthyl ou triéthyl ammonium, les dérivés d'alkyldiméthyl benzylammonium, o comporte deux chaînes grasses, ofait partie d'un hétérocycle, par exemple, les dérivés du pyridinium, d'imidazolinium, de quinolinium, de pipéridinium, de morpholinium. Tous les polymères anioniques classiques peuvent etre mis en oeuvre selon la présente invention, par exemple: - les polymères ou copolymères synthétiques dérivant: de monomères anioniques contenant des groupements carboxylate ou sulfonate ou phosphate ou phosphonate, tels que les monomères acrylate, méthacrylate, itaconate, 2-acrylamido-2-méthyl-propane sulfonate, 2-méthacryloyloxy éthane sulfonate, 3-acrylamido-3-méthyl butanoate, styrène sulfonate, styrène carboxylate, vinyl sulfonate, sels de l'acide maléique. - les copolymères synthétiques dérivant: de monomère anionique, par exemple dans ceux décrits cidessus, et de monomère neutre, par exemple acrylamide, acide acrylique, vinyl pyrrolidone, oxyde d'éthylène, oxyde de propylène, anhydride maléfique, alcool vinylique, hydroxyethylacrylate,... - les polymères naturels tels: les dérivés cellulosiques modifiés négativement, du type CMC, les polysaccharides de type xanthane, alginate, les amidons modifiés négativement, les galactomannanes modifiés négativement. Tous les polymères cationiques classiques peuvent être mis en oeuvre selon la présente invention, par exemple: - les polymères ou copolymères synthétiques dérivant de monomères cationiques classiques c'est-à-dire de formule générale suivante: où R1 ou R2 comportent au moins un atome N. - les polyethylènes imines, - les polyamides amines - les polyamines - les copolymères synthétiques dérivant: de monomères cationiques et de monomères neutres (décrits ci-dessus). - les polymères naturels: les amidons modifiés positivement, les chitosans, les galactomannanes modifiés positivement, les dérivés cellulosiques modifiés positivement. Le tensioactif peut être cationique à une concentration inférieure à environ 5 10-3mol/l, et le polymère peut être anionique. Le tensioactif peut être anionique à une concentration inférieure à environ 5 10-3 mol et polymère peut être cationique. Le polymère anionique peut être un copolymère du type ANIIAMPS dont le taux de la partie chargée peut être compris entre 5 et 40%, et de préférence compris entre 10 et 25%. Le tensioactif peut être du type DoTAB. Le polymère anionique peut être un polymère naturel modifié négativement, par exemple du type CMC. Le polymère cationique peut être un copolymère du type ARil/MAPTAC dont le taux de la partie chargée peut être compris entre 5 et 40% et de préférence compris entre 10 et 25. Le tensioactif peut être du type SDS. L'invention concerne également un procédé pour fabriquer une mousse à partir d'eau, d'au moins un tensioactif et d'au moins un polymère. Dans le procédé, on combine un tensioactif et un polymère ou un copolymère de charge opposé, et la concentration en polymère est déterminée pour obtenir une mousse stable avec un taux de tensioactif le plus faible possible. La concentration en polymère peut être déterminée en fonction du taux de charge du polymère et de la concentration en tensioactif utilisé. Compte tenu de la nature électrostatique des interactions entre polymère et tensioactif, leurs concentrations respectives peuvent être fonction de la force ionique du milieu. La solution moussante peut également, comme tout fluide de puits (forage. completion et workover), contenir des solides (déblais. colloïdes neutres,...) ou d'autres polymères hydrosolubles non chargés, des additifs anticorrosion,... La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus nettement à la lecture des essais, nullement limitatifs, décrits ci-après. Les essais sont fondés principalement sur la comparaison, pour des compositions différentes de mousse, des deux mesures suivantes: - le volume de mousse VM formé à partir d'un volume donné de solution moussante et de conditions d'agitation définies, ce qui permet de caractériser la capacité moussante de la solution, - la vitesse de drainage VD qui permet de caractériser la stabilité de la mousse formée. La viscosité a été mesurée au plateau newtonien, à l'aide d'un viscosimètre à bas gradient. Mode opératoire: La solution moussante est constituée par, au moins, un mélange d'au moins un tensioactif à concentration variable, d'au moins un polymère hydrosoluble également à concentration variable, et d'eau. Le pH est ajusté à environ 9 pour tous les essais. La mousse est obtenue à partir de 200 ml de solution moussante par agitation à l'aide d'un fouet. La vitesse de rotation est fixée à 2000 tours/minute. En règle générale, le temps d'agitation est d'environ 2 minutes, ce qui suffit pour obtenir une mousse homogène, ainsi qu'un volume maximal. Pour mesurer la vitesse de drainage, caractéristique de la stabilité de la mousse on verse la mousse obtenue dans un entonnoir en verre gradué et on note en fonction du temps le volume de solution drainée. La vitesse de drainage est définie à partir de l'équation empirique qui décrit l'évolution des courbes de drainage (Bikerman jj. 1973): V = V0(1-exp(-kt)) V le volume drainé (cm3) V0 le volume de la solution initiale (cm3) t temps (minute) A partir de cette équation, on détermine k, constante d'écoulement (min1). On définit la vitesse de drainage VD par VD = kVo/2 (cm3/min.) Plus VD est faible , plus la mousse est stable. Svstèmes testés: 1) Tensioactifs: - Dodecyltrimethyl ammonium bromide (DoTAB): tensioactif cationique ayant la formule générale suivante: - Dodecyl sulfate de sodium (SDS): tensioactif anionique de formule générale: CH3-(CH2)10-CH2-O-SO3- Na+ 2) Polymères: - Polyacrylamide ANI (masse moléculaire Mw environ 2,5 106 g/mol). - Copolymère Acrylamide/Acrylamido méthyle propane sulfonate AM/ANIPS de formule générale: AM/AMPS 75/25 x=25io et Mw=2,8 106 g/mol AM/AMPS 90/10 x=10% et Mw=3,2 106 g/mol - Carboxymethyl cellulose (CMC). Le degré de substitution moyen de groupements carboxyliques par cycle cellulosique de l'échantillon étudié est proche de 1. Sa masse moléculaire est environ Mw= 2 106 g/mol. - Copolymère Acrylamide/Chlorure de trimethylammonium propyl methacrylamide AM/MAPTAC de formule générale: Les copolymères AM/MAPTAC 75/25 (x=25) et AM/MAPTAC 90/10 (x=10%) ont des masses moléculaires Mw d'environ 3 106 g/mol. Essai 1: Tensioactif cationique seul (DoTAB) DoTAB Polymère VM Viscosité VD (mol/l) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10-5 0 0 0,88 - 5. 10-4 0 0 0,86 - 5.10-3 0 1600 0,85 40 20.10-3 0 2200 0,83 23 Ces essais montrent qu'il faut une quantité suffisante de tensioactif pour qu'il y ait la production d'un mousse stable. A la concentration de 5.10-:3 (mol/l) de tensioactif, la mousse se forme sous l'agitation mais est très instable. Essai 2: Tensioactif cationique et polvacrylamide AM (non ionique) DoTAB Polymère VM Viscosité VD (mol/l) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10-5 AM 0 1,43 - 5.10-4 AM 0 1,40 - 5.10-3 AM 1000 1,34 - 20.10-3 AM 1800 1,33 17,2 A la concentration de 5.10-3 (mol/l) en DoTAB, la mousse formée est détruite après moins d'une minute. Cet essai montre que pour des concentrations en tensioactif DoTAB inférieures ou égales à environ 5.10-3 mol/l, il est impossible de former une mousse stable même en présence d'une certaine concentration en polymère du type polyacrylamide. A partir de 20.10-3 mol/l de tensioactif, la mousse formée en présence de polymère du type polyacrylamide est plus stable qu'en absence de polymère. Cela est dû principalement à l'augmentation de la viscosité de la composition moussante, comme les mesures de viscosité le confirment. Essai 3: Tensioactif cationique DoTAB et polvacrvlamide sulfoné DoTAB Polymère VNl Viscosité VD (mol/l) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) )cm3/min. 5.10-5 AM/AMPS-75/25 500 - 5.10-4 AM/AMPS-75/25 600 - 5.10-3 AMIAMPS-75/25 - 20.10-3 AM/AMPS-75/25 précipité - 5.10-5 AM/AMPS-90/10 500 3,09 5 5.10-4 AM/AMPS-90/10 600 3,05 4,6 5.10-3 AM/AMPS-90/10 1700 1,22 9 20.10-3 AM/ANIPS-90/10 précipité - Avec un polymère du type AM/AMPS-75/25, c'est à dire comportant de l'ordre de 25% de charge de signe opposé à la charge du tensioactif, la mousse peut se former, grâce aux interactions entre charge, à des concentrations inférieures à 5.10-3 mol/l de tensioactif, en particulier pour des concentrations de 5.10-5 et 5.10-4 mol/l de tensioactif. A partir et au delà de 5.10-3 mol/l de concentration en tensioactif, la mousse ne se forme pas car il y a précipitation, vraisemblablement à cause des trop fortes interactions entre le polymère chargé et le tensioactif. Cependant, un tel essai avec un polymère du type AlM/AMPS-75/25 montre l'importance des charges opposés entre tensioactif et polymère pour former une composition moussante. Avec un polymère moins chargé, du type AM/AXIPS-90/10 (taux de charge 10%), on constate que la mousse est produite pour des concentrations inférieures à 5.10-3 mol/l de tensioactif, comme pour le polymère à 25% de charge, mais pour une concentration en tensioactif d'environ 5.10-3 mol/l, la composition moussante est très optimisée puisque l'on obtient un volume de mousse important et très stable compte tenu de la faible vitesse de drainage mesurée. Par rapport à la mousse formée à partir d'un polymère polyacrylamide (Essai 2), le volume de mousse est comparable, mais avec une quantité quatre fois moindre de tensioactif et, de plus, en obtenant une meilleure stabilité. Essai 4: Tensioactif cationique DoTAB et carboxvmethvlcellulose (AQUAPAC fabriqué par la société Aqualon) DoTAB Polymère VM Viscosité VD (mous) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10-5 CMC 450 - 5.10-4 CMC 600 -- 2,4 5.10-3 CMC précipité - 20.10-3 CMC précipité -- 22,3 Cet essai montre que l'addition d'un polymère naturel cellulosique anionique comme la carboxymethyl cellulose (CRIC) avec un tensioactif cationique (DoTAB) permet de former de la mousse grâce aux interactions entre charge, avec une concentration en tensioactif inférieure à 5.10-3 mol/l. La mousse formée avec une concentration de 5.10-4 mol/l de DoTAB et 750 ppm de CMC, est très stable. On vérifie qu'une concentration excessive en tensioactif est néfaste pour la formation d'une mousse, vraisemblablement à cause des trop fortes interactions entre le polymère et le tensioactif. Essai 5: Tensioactif cationique DoTAB et polvacrvlamide sulfoné Influence de la présence de sel. On ajoute 0,5 g/l de NaCl à la solution. DoTAB Polymère VM Viscosité VI) (moly) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10-5 0 0 - 5.104 0 0 5.10-3 0 1500 -- 172(*) 20.10-3 0 2200 -- 20 5.10-5 AM/AMPS-90/10 450 8 5.10-4 AM/AMPS-90/10 700 8 5.10-3 AM/AMPS-90/10 1500 10 20.10-3 AM/AMPS-90/10 précipité - (*) La mousse se casse presque instantanément. Cet essai confirme que la solution moussante DoTAB et ANl/ANIPS- 90/10 donne d'excellents résultats en terme de stabilité de mousse, même en présence de sel. Essai 6: Tensioactif cationique DoTAB et polvacrylamide sulfoné Influence de la concentration en copolvmère ANl/ANIPS-90/10. DoTAB Polymère VM Viscosité VD (mol/l) (ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10-5 100 7,3 5.104 100 2,5 5.10-3 100 1650 0,77 20,6 20.10-3 100 précipité - 750 750 500 3,09 5 5.10-4 750 700 3,05 4,6 5.10-3 750 1700 1,22 9 20.10-3 750 précipité - 5.10-5 1500 500 46 3 5.10-4 1500 700 33 3 5.10-3 1500 précipité - 20.10-3 1500 précipité - Ces résultats montrent qu'une faible concentration en polymère (100 ppm) est déjà efficace pour stabiliser la mousse. En augmentant la concentration en polymère (750 ppm à 1500 ppm), la mousse formée en encore plus stable. Compte tenu des fortes interactions entre polymère et tensioactif la concentration en tensioactif doit être adaptée à la concentration en polymère utilisé, ou inversement. Dans le présent exemple, on peut déterminer un optimum de concentration en tensioactif d'environ 5 10-3 mol/l et pour une concentration en polymère comprise entre 100 et 1000 ppm. Cet exemple met clairement en évidence la synergie entre le tensioactif et le polymère et la manière d'optimiser la solution moussante. Essai 7: Tensioactif anionique SDS seul SDS Polymère VM Viscosité VD (mol/l) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 6.10-" 0 0 - 1.104 0 0 0,9 5.104 0 500 -- 22 1.10-3 0 1700 0,9 21 5.10-3 0 2000 -- 13 Cet essai montre que la présente solution ne peut pas former de la mousse à faible concentration en tensioactif, et qu'à plus forte concentration, la mousse est peu stable (VD de l'ordre de 13 cm3/min.). On peut noter que la mesure obtenue avec ce tensioactif est un peu plus stable que celle obtenue avec le DoTAB (Essai 1). Essai 8: Tensioactif anionique SDS et tolvacrvlamide cationique AM/MAPTAC 90/10 SDS Polymère VM Viscosité VD (mol/l) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min. 5.10-5 AM/MAPTAC 90/10 500 -- 2,6 5.10-4 AM/MAPTAC 90/10 600 -- 5,4 5.10-3 AM/MAPTAC 90/10 2200 -- 5,1 Dans le présent exemple de composition moussante comportant un tensioactif anionique et un polymère cationique, on observe que l addition de polymère cationique est très bénéfique sur la formation et la stabilité de la mousse formée, puisque l'on forme déjà une mousse stable avec seulement 5 10-5 mol/l de SDS et qu'avec 5.10-3 mol/l de SDS, on forme 2200 cm:3 de mousse très stable (VD proche de 5 cm3/min.) Essai 9: Tensioactif anionique SDS et Polvacrvlamide cationique AM/ICAPTAC-75/25. SDS Polymère VM Viscosité VD (mol/l) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min. 5.10-5 AM/MAPTAC-75/25 450 -- 1,8 5.10-4 ADMAPrAC-75/25 500 -- 2,1 5.10-3 AM/MAPrAC-75/25 précipité - Cet essai montre qu'avec un polymère plus chargé, la combinaison polymère cationique et tensioactif anionique donne des mousses très stables à faible concentration en tensioactif. A plus forte concentration (dans ce cas supérieure ou égale à environ 5.10-3 moly), on constate que les interactions sont trop fortes, ce qui provoque la précipitation. D'une manière générale, il faut noter que l'addition à la composition moussante d'électrolytes simples, permet d'écranter en partie les interactions d'origine électrostatique. Dans ce cas, les concentrations en tensioactifs peuvent être plus importantes sans qu'il y ait précipitation. REVENDICATIONS 1) Composition moussante à base d'eau comportant au moins un tensioactif et un polymère ou un copolymère, caractérisée en ce que ledit tensioactif possède des charges de signe opposé à celles dudit polymère. 2) Composition selon la revendication 1, dans laquelle le tensioactif est cationique à une concentration inférieure à environ 5 10-3mol/l, et dans laquelle le polymère est anionique. 3) Composition selon la revendication 1, dans laquelle le tensioactif est anionique à une concentration inférieure à environ 5 10-3 mol/l et dans laquelle le polymère est cationique. 4) Composition selon la revendication 2, dans laquelle le polymère anionique est un copolymère du type AM/AMPS dont le taux de la partie chargée est compris entre 5 et 40%, de préférence compris entre 10 et 25oc, et dans laquelle le tensioactif est du type DoTAB. 5) Composition selon la revendication 2, dans laquelle le polymère anionique est un polymère naturel, par exemple un dérivé cellulosique modifié négativement du type CNIC. 6) Composition selon la revendication 3, dans laquelle le polymère cationique est un copolymère du type AM/MAPTAC dont le taux de la partie chargée est compris entre 5 et 40cl, de préférence compris entre 10 et 25S, et dans laquelle le tensioactif est du type SDS. 7) Procédé pour fabriquer une mousse à partir d'eau, d'au moins un tensioactif et d'au moins un polymère, caractérisé en ce que l'on combine un tensioactif et un polymère ou copolymère de charge opposée, la concentration de polymère est déterminée pour obtenir une mousse stable avec un taux de tensioactif le plus faible possible. 8) Procédé selon la revendication 7, dans lequel la concentration de polymère est déterminée notamment en fonction du taux de charge du polymère et de la concentration de tensioactif utilisé. 9) Application de la composition moussante selon l'une des revendications 1 à 6, à la circulation dans un puits foré dans le sol.