Brevet FR2771444A1 — publié le 19990528

Amélioration du placement de coulis de ciment dans les puits en présence de zones géologiques contenant des argiles gonflantes ou de restes de boue contenant des argiles La présente invention concerne le domaine des services pétroliers et para-pétroliers et notamment les techniques de construction et de réparation de puits pétrolier, à gaz, puits géothermiques et analogues. La cimentation d'un puits pétrolier ou analogue a notamment pour but l'isolement des différentes couches géologiques traversées par le forage pour prévenir les migrations de fluides entre ces différentes couches géologiques ou entre celles-ci et la surface. Cet isolement vise en particulier à empêcher la remontée de gaz vers la surface en cheminant par l'espace annulaire entourant le tubage ou casing qui sert à maintenir l'intégrité du puits. La cimentation a également pour but d'éviter l'envahissement de zones oléifères par des saumures ou encore la contamination de réserves d'eau douce par de l'huile ou des saumures. Les cimentations dites de réparation ont généralement pour but de rétablir une étanchéité perdue suite à la dégradation de la cimentation primaire. Les réservoirs souterrains - qui peuvent contenir des hydrocarbures, des saumures ou de l'eau douce ou autres fluides - sont très fréquemment isolés les uns des autres par des fines strates d'argile compacte, étanche. Pour que la cimentation rétablisse cette étanchéité, il est de la plus haute importance que l'adhésion aux parois du puits soit parfaite et qu'il ne se crée pas de fissures. Lors de la construction du puits, on utilise généralement une boue de forage stabilisée par des argiles comme la bentonite par exemple. La boue qui est un fluide légèrement gélifié, se dépose sur les parois et centreurs ou constitue sur les parois poreuses, en général des formations géologiques, un gâteau de boue ou cake de filtration. Ces gâteaux sont compressibles et, sous l'effet de la pression et de la circulation de la boue, se transforment en une couche très compacte qui en soi peut constituer une interface formation souterraine/ciment acceptable. Toutefois, à mesure que l'épaisseur de ce gâteau de boue s'accroît, la porosité de la paroi effective (gâteau + formation géologique) diminue et le gâteau qui continue à se déposer devient beaucoup moins compact jusqu'à constituer un "gâteau mou" formé d'argiles gonflées à l'eau ou "soft mud cake". Des gâteaux épais et mous ont tendance à se former au regard de formations très perméables comme des sables grossiers non consolidés. Des dépôts de boue gélifiée se constituent également dans les zones de faible circulation de la boue comme par exemple au niveau des centreurs ou, si le tubage est mal centré, dans la partie la plus étroite de l'annulaire entre le tubage et la formation souterraine. Ce gâteau mou est le plus souvent à l'origine de défauts d'étanchéité ultérieurs aussi cherchet-on à l'éliminer au maximum. Telle est la fonction des fluides de nettoyage communément appelé fluides tampons ou "spacers"' ou encore "chemical washes". Ces fluides de nettoyage contiennent généralement des détergents qui assurent le nettoyage du tubage et des formations géologiques traversées par le forage. Ces détergents sont généralement du type tensioactifs adaptés à la nature de la boue utilisée et notamment à la nature de la phase continue de la boue (eau ou huile). Ils tendent à favoriser le gonflement et la dispersion des dépôts mous pour en faciliter leur élimination par la circulation des fluides. Lorsque la formation géologique contient des argiles, le gâteau de boue ne se forme pas à leur contact du fait de leur imperméabilité. De ce fait, les fluides tampons gonflent donc les argiles réactives de ces formations. Le 'nettoyage' du puits est alors localement plus dommageable que favorable. Dans les cimentations pour réparation d'étanchéité, bien que le fluide précédant ou suivant le ciment ne soit en général pas de la boue, le problème est très similaire. De la boue contenant des argiles peut être restée et du fait de la présence d'eau de gisement, les argiles réactives sont gonflées. La présence d'argiles gonflées avant la cimentation nuit à l'étanchéité car le contact est mauvais entre le ciment et les argiles gonflées. Cette invention a pour but d'améliorer le placement du coulis de ciment en présence d'argiles réactives que celles-ci proviennent des couches géologiques traversées ou de la boue de forage. Le procédé, objet de la présente invention consiste à traiter le puits, ou du moins la zone du puits susceptible de contenir des argiles réactives à l'eau, par une solution contenant des agents précipitant les argiles de façon à les coaguler avant le placement du ciment. Le fluide de traitement par coagulation des argiles est de préférence une solution aqueuse contenant des ions ammonium quaternaires hydrosolubles, sous forme de sels ou d'hydroxydes. La précipitation des argiles peut également être obtenue à partir d'ions potassium, rubidium, ammonium, césium ou calcium ou encore à partir de silicates. Dans tous les cas, ils seront apportés à la solution sous forme de sels ou d'hydroxydes solubles ou encore sous forme de suspension notamment dans le cas du calcium qui pourra être apporté par une suspension d'hydroxyde de calcium (eau de chaux). Plusieurs explications à la précipitation des argiles sont proposées. Parmi celles-ci, on retiendra notamment l'hypothèse d'une substitution des ions apportés par le fluide de traitement aux ions préexistants sur la surface des plaquettes d'argile ce qui entraîne l'expulsion d'eau et l'effondrement du 'château de cartes' des plaquettes. Le fluide de traitement peut contenir une ou plusieurs des espèces précipitantes mentionnées ci-dessus. La concentration d'agent précipitant et la durée du contact avec l'argile de la formation ou l'argile contenue dans la boue est variable suivant la nature de l'argile. Cependant la durée du contact ne sera pas inférieure à 10 secondes et il est inutile de le prolonger plus de 20 minutes. Le ciment lors de sa prise produit des quantités très importantes d'ions calcium. Cette production est modérée pendant la période dormante du coulis de ciment, mais devient très intense lors du durcissement. Lorsque le coulis de ciment est laissé au contact d'argiles gonflantes, soit issues de la boue, soit contenues dans les formations, ces ions diffusent dans les argiles. Or, il est bien connu, que les ions calcium coagulent les argiles gonflantes. Du fait que la diffusion ne se fait pas de façon instantanée et que leur production se fait surtout pendant le durcissement du ciment, la coagulation des argiles survient alors que le ciment n'est plus mobile. I1 se forme donc des fissures ou des chenaux au contact entre le ciment et les phases contenant les argiles gonflées, qui détruit l'étanchéité de la cimentation. La présente invention propose de'rincer'le puits ou du moins la zone sensible du puits avec un fluide libérant une grande quantité d'ions capable de coaguler les argiles avant que les ions calcium produits par le ciment ne le fassent après son durcissement. La présente invention s'applique dès qu'il y a pompage de ciment et que celui-ci circule pour sa mise en place. Le coulis de ciment peut comporter de nombreux additifs tant organiques que minéraux pour lui conférer les propriétés particulières nécessaires au type de travail. Pour le pompage par exemple dans le cuvelage, dans un tubage ou un "coiled tubing", le coulis peut être séparé des fluides adjacents, soit pas des bouchons racleurs, soit des bouchons fluides ("spacers" ou bien "chemical washes" en anglais) pour éviter les mélanges. Dans l'annulaire, le coulis de ciment peut être également séparé des fluides adjacents par des bouchons fluides. Plus précisément, l'invention concerne le placement de coulis de ciment dans les puits par pompage et circulation du coulis. Cette circulation peut s'effectuer en pompant le coulis dans le cuvelage depuis la surface. Le coulis descend dans le cuvelage, tourne le sabot ("boot") en bas du cuvelage et remonte par l'annulaire entre le cuvelage et le puits foré. La circulation peut se faire en sens inverse, en pompant le coulis à partir de l'annulaire vers le fond du puits. Ceci est moins fréquent, mais se fait en particulier pour des travaux de réparation de l'étanchéité de la couche de ciment autour du cuvelage. On peut également pomper le ciment par le tubage de production ou bien par un tube enroulé encore appelé "coiled tubing". Les exemples de placements cités ne sont pas limitatifs. Le ciment peut être alors isolé de la boue ou des autres fluides dans la partie cylindrique circulaire du parcours par des bouchons racleurs. Comme la phase de nettoyage du puits par des 'spacers' ou des 'chemical washes' laisse les argiles gonflées, soit que l'élimination s'est incomplètement faite, soit qu'il s'agisse d'argiles gonflantes contenues dans les formation géologiques, elle aggrave le retrait des argiles restantes. De ce fait, le traitement selon l'invention doit être effectué systématiquement après cette phase de nettoyage du puits si elle a lieu. L'invention s'applique donc, que l'on utilise ou non des spacers ou chemical washes. Un mode préféré d'utilisation dans les travaux de cimentation primaire, c'est à dire lorsque de la boue est utilisée, est conjointement avec des spacers ou des chemical washes. En effet, ceux-ci permettent d'éliminer le maximum de boue. Le fluide de traitement selon l'invention coagule ensuite ce qui reste avant le contact avec le ciment. La solution coagulante est placée entre les spacers ou chemical washes et le ciment. Dans les travaux de réparation où l'on n'utilise pas de boue, il suffit généralement de faire précéder le ciment par le fluide de traitement pour coaguler les argiles réactives ou les chenaux de boue résiduelle. L'eau de chaux est d'un maniement difficile sur le terrain et a tendance à se carbonater. Les sels de calcium, et plus particulièrement le chlorure de calcium, ont un effet accélérateur sur la prise du ciment, ce qui peut ne pas être souhaitable. I1 en va de même des silicates. De plus, ils ont tendance à former des gels au contact du coulis de ciment. Les sels de potassium et de césium, bien que pouvant également être utilisés dans l'invention, ont tendance avec certaines marques de ciment à provoquer des gels et sont donc d'usage moins universel que les ions ammonium quaternaires, qui sont plus particulièrement préférés pour leur très fort pouvoir de coagulation des argiles et leur peu d'influence néfaste sur le ciment. Parmi les ions ammonium quaternaires hydrosolubles sous forme de sels ou d'hydroxydes, préférés notamment pour des raisons de rapidité d'action et d'économie d'emploi, sont de la forme cijointe, c'est à dire ammonium quaternaire avec des substituants R1, , R3 et R4 du type méthyle à butyle, ou encore insaturés en C3 ou C4 du type: L'anion peut être mono ou multivalent, sans omettre l'ion OH. Pour des raisons de coût et de disponibilité un contre-ion chlorure est préféré. Dans le cas des ammoniums quaternaires, la concentration dans le fluide de précipitation sera supérieure à 0,01 moles/litre, sans limite supérieure autre que la solubilité. Le domaine de concentration préféré sera compris entre 0,05 et 0,4 moles/litre. Dans le cas des ions potassium ou césium, la concentration dans le fluide de précipitation sera supérieure à 0,02 moles/litre, sans limite supérieure autre que la solubilité dans l'eau. Les concentration préférées sont comprises entre 0,1 moles/litre et 2 moles/litre. Dans le cas des silicates, la concentration dans le fluide de précipitation sera comprise entre 0,1 et lmole/litre, comptées en SiO4, et de préférence compris entre 0,3 et 0,8 moles/litre, comptées en SiO4. Le fluide de traitement, outre les produits précipitants, peuvent contenir des agents alourdissants et d'autres additifs, comme des surfactants, des agent de suspension, des dispersants ou encore des additifs capables de retenir l'eau dans le fluide de traitement pour d'eau pour éviter leur déshydratation lorsqu'ils contiennent en grande quantité des particules minérales comme agent alourdissant. En particulier les surfactants couramment utilisés dans les chemical washes, bien connus de l'homme de l'art, peuvent être ajoutés pour améliorer le contact avec la boue, le gâteau de filtration de la boue ou les formations argileuses, même dans le cas de boues à l'eau. Dans le cas des boues à l'huile l'intérêt de l'ajout de surfactants est à l'évidence encore plus grand. Dans le cas de débits de pompage importants dans des puits de faible diamètre, la durée de contact peut imposer des volumes de fluide de précipitation tels que leur hauteur dans le puits peut perturber l'équilibre hydrostatique du puits. On alourdira alors le fluide de précipitation selon des méthodes bien connues de l'homme de l'art. Cela peut se faire soit par l'ajout de sels solubles (typiquement des sels de calcium, césium ou de zinc) soit par la mise en suspension de particules minérales denses de taille adéquate. La présente invention s'applique tout particulièrement aux cimentations primaires lorsque le forage traverse des couches géologiques contenant des argiles réactives ou lorsqu'une très bonne étanchéité est souhaitée notamment en raison de risques de migration de gaz vers la surface. REVENDICATIONS 1. Procédé de cimentation d'un puits pétrolier ou analogue selon lequel on traite la zone du puits susceptible de contenir des argiles gonflées à l'eau, par une solution contenant des agents précipitant les argiles de façon à les coaguler avant le placement du coulis de ciment. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de traitement par coagulation est en contact avec les argiles gonflées à l'eau pendant une durée comprise entre 10 secondes et 20 minutes. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le traitement par coagulation est précédé par un nettoyage du puits avec un fluide de nettoyage pour éliminer avant le traitement la majeure partie des résidus de boue de forage. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de traitement par coagulation contient comme agent coagulant des sels d'ammonium quaternaires hydrosolubles. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits sels d'ammonium quaternaires sont substitués par quatre radicaux alkyles comportant de 1 à 4 atomes de carbone ou allyles. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits sels d'ammonium quaternaires sont à une concentration dans le fluide de traitement par coagulation supérieure à 0,01 moles/litre et de préférence comprise entre 0,05 et 0,4 moles/litre. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce le fluide de traitement par coagulation est une solution aqueuse de sels de potassium ou de césium. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé lesdits sels de potassium ou de césium sont à une concentration dans le fluide de traitement par coagulation supérieure à 0,02 moles/litre et de préférence comprise entre 0,1 et 2 moles/litre. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce le fluide de traitement par coagulation contient comme agent coagulant des silicates. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits silicates sont à une concentration dans le fluide de traitement par coagulation comprise entre 0,1 et 1 mole/litre, comptées en SiO4, et de préférence entre 0,3 et 0,8 moles/litre, comptées en SiO4.