Brevet FR2770517A1 — publié le 19990507

La présente invention concerne un laitier de cimentation d'un puits, notamment d'un puits d'exploration ou d'exploitation de gisements souterrains, tels les gisements d'hydrocarbures ou géothermiques. Les cimentations de puits sont des opérations très spécifiques nécessitant l'injection d'un laitier de ciment à travers des tubes (casing ou tubing) par pompage à partir de la surface. Un des but premiers de ces opérations est de cimenter l'espace annulaire entre l'extérieur du tube de cuvelage et le trou foré. D'autres opérations de cimentation, bien connues de l'homme du métier, peuvent également être concernées, par exemple les mises en place de bouchons ou des opérations de squeeze . Le puits, espace intérieur et espace annulaire, est rempli par un fluide, généralement le fluide de forage de la phase de forage précédente, ou par un fluide de composition proche. Le laitier de ciment doit être mis en place dans l'espace annulaire par circulation tout en chassant vers la surface le fluide annulaire d'origine. Les fonctions principales des laitiers de ciment pétroliers sont notamment d'assurer une étanchéité de l'espace annulaire aux fluides contenus dans les roches, gaz, huile ou eau et de maintenir mécaniquement les tubes dans le trou foré. Pour cela, la caractéristique de résistance à la compression est primordiale. Compte tenu de la mise en place du laitier par circulation, le contrôle de la rhéologie est également très important, ainsi que la possibilité d'utiliser des additifs adaptés à des conditions particulières, par exemple des réducteurs de filtrat, des retardateurs ou accélérateurs de prise, des agents de dispersion, des antimousses, des allégeants ou des alourdissants. Les formulations courantes d'un laitier de ciment pour cimentation de puits pétroliers comportent une quantité d'eau de l'ordre de 45% du poids du ciment, ce qui limite considérablement les propriétés mécaniques du laitier durci, notamment sa résistance à la compression. On connaît d'autre part des formulations de ciment qui conduisent à des propriétés mécaniques très supérieures, comme décrit par exemple dans le brevet européen EP 0 518 777, mais qui ne conviennent pas comme laitier de cimentation de puits, ne serait-ce qu'en raison de leur proportion d'eau insuffisante. Le problème se pose par conséquent de définir une composition optimisée de laitier dont la rhéologie convienne pour la cimentation d'un puits pétrolier ou analogue, qui comporte une quantité d'eau significativement inférieure à celle des laitiers préconisés jusqu'à présent pour cette application, et qui, après durcissement, présente des caractéristiques mécaniques très supérieures à celles des laitiers de cimentation de l'art antérieur. Ces résultats sont obtenus, selon l'invention, avec un laitier qui comporte - un liant hydraulique du groupe constitué par les ciments Portland classe G (API), les ciments Portland classe H (API) et les autres liants hydrauliques à faible teneur en aluminates. - une microsilice de granulométrie comprise dans la gamme 0,1 à 2 micromètres, à raison de 20 à 35% en poids par rapport au liant hydraulique. - un ajout minéral de granulométrie comprise dans la gamme 0,5-200 micromètres, à raison de 10 à 70% en poids par rapport au liant hydraulique. - un agent superplastifiant et/ou fluidifiant hydrosoluble en proportion comprise entre 1% et 3% en poids par rapport au liant hydraulique. - de l'eau en quantité au plus égale à 40% du poids du liant hydraulique. De préférence, pour une composition donnée, la quantité d'eau est légèrement supérieure à celle juste suffisante pour remplir les vides entre les grains de la composition, de façon à assurer la rhéologie indispensable. Dans des modes de réalisation préféres, la composition de laitier de l'invention présente encore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - le liant hydraulique est un ciment Portland classe G. - le liant hydraulique est constitué de particules dont les grosseurs sont réparties dans la gamme 0,1-100 micromètres. le liant hydraulique est constitué de particules dont les grosseurs sont réparties dans la gamme 10 à 50 micromètres. - la microsilice est une fumée de silice provenant de l'industrie du zirconium. - la microsilice est présente à raison de 20-30% en poids par rapport au liant hydraulique. - la microsilice est présente à raison de 20 à 25% en poids par rapport au liant hydraulique. - la microsilice est constituée de particules dont la grosseur moyenne est voisine de 0,4 micromètre. l'ajout minéral est constitué de particules siliceuses. l'ajout minéral est présent à raison de 20 à 30% en poids par rapport au liant hydraulique. l'ajout minéral est un sable siliceux dont les particules ont des grosseurs réparties dans la gamme 5 200 micromètres. l'ajout minéral est un sable siliceux dont les particules ont une grosseur moyenne voisine de 50 micromètres. l'ajout minéral est constitué de quartz broyé. l'agent hydrosoluble est composé de polymère ou de copolymère fortement ionisé dérivé de fonctions sulfonées et/ou de phosphate, phosphonate, carboxylate. l'agent hydrosoluble est un agent du groupe constitué par le naphtalène sulfonate, le lignosulfate, la mélanine et analogues. l'agent hydrosoluble est un fluidifiant contenant des fonctions sulfonées ou phosphatées. - la quantité d'eau est au plus égale à 35% du poids du liant hydraulique, de préférence comprise dans la gamme 20-30k du poids du liant hydraulique. On décrira ci-après des exemples de réalisation de l'invention et des essais comparatifs, en référence aux figures du dessin joint sur lequel - la figure 1 montre les courbes de contraintes T cisaillement 7 à 800C de trois formulations de laitier qui diffèrent par la microsilice utilisée - la figure 2 montre les courbes de contraintes T cisaillement 7 à 800C pour deux formulations de laitier qui diffèrent par la nature du fluidifiant utilisé - la figure 3 montre les courbes de contraintes T cisaillement r à 200C pour cinq formulations de laitier de granulomètries différentes, et - la figure 4 montre les courbes de contraintes T - cisaillement 7 à 200C pour deux formulations de laitier différant notamment par leur teneur en eau. EXEMPLE I : Influence de la provenance de la microsilice On formule des composition de laitier avec trois microsilices différentes microsilice a b c Provenance Industrie du Industrie du Industrie du industrielle Zirconium silicium silicium Surface spécifique 12-13 m2/g 10-11 m2/g 17 m2/g (BET) agglomérats de Taille et géométries petits grains forme des différentes grains 0,5-2pm grains 0, 1-2m Ces microsilices sont incorporées à la formulation suivante en en poids par rapport au ciment) - ciment Portland classe G (granulométrie 0-100 micromètres) : 100 - silice (sable siliceux de granulométrie 5-200 micromètres avec une moyenne de 50 micromètres) : 20 - fluidifiant D80 (Dowell) : 1,8 - Eau totale : 27 - microsilice: 24 Formulation A: avec microsilice a Formulation B: avec microsilice b Formulation C: avec microsilice c Les propriétés rhéologiques sont apparentes sur la figure 1. La viscosité la plus favorable suivant les critères issus des opérations de cimentation sur puits est obtenue avec la microsilice a. Critère de rhéologie pour un ciment pétrolier: Pour une loi d'écoulement de type Oswald (x = K. La densité équivalente en circulation (ECD) est définie telle que la pression que subit la formation lors de la mise en place du laitier de ciment reste inférieure à la pression de fracturation du réservoir. Les temps de pompabilité, définis comme le temps nécessaire pour la mise en place du laitier de ciment dans le puits avec un minimum de 2 heures, sont donnés dans le tableau 2 ci-après donne pour les 3 formulations, A, B, C. TABLEAU 2 Formulation | A | B C Temps 120 min. 90 min. 48 min. La formulation A est donc la plus performante. EXEMPLE II : Choix du fluidifiant par rapport à la microsilice. On prépare les formulations suivantes exprimées en k en poids par rapport au ciment - ciment Portland classe G: 100 - silice (comme dans l'exemple 1) : 20 - fluidifiant : 1,8 - eau totale : 27 - microsilice a : 24 Formulation A: fluidifiant polynaphtalène sulfonate Formulation B: fluidifiant Styrène acrylate La viscosité est plus favorable avec le fluidifiant de la formulation A (fig. 2). Le comportement de la formulation B est dû à des interactions spécifiques entre le fluidifiant fonctions acrylates et la microsilice provenant de l'industrie du zirconium. Il est donc préférable de formuler avec ce type de microsilice des fluidifiants contenant des fonctions sulfonés ou phosphatés et d'éviter les fonctions acrylate. EXEMPLE III : Optimisation du Pourcentaqe en particules par rapport à des critères d'écoulement et de perte de charge pour la cimentation de puits. Le danger principal lors de la mise en place du laitier de ciment est la génération de pressions supérieures aux pressions de fracturation des roches traversées au cours du forage. Les pressions générées par l'injection de fluides en particulier de ciment au travers de la complétion d'un puits sont dues aux frottements. Pour ce type d'opération, un facteur important est le contrôle de l'écoulement du laitier de ciment et donc la connaissance de son comportement rhéologique. A partir d'un choix particulier de paramètres opérationnels, on déduit les pertes de charges et de pressions acceptables en tenant compte de la rhéologie du laitier de ciment. Le choix de la composition se fait par optimisation de la rhéologie à partir d'une certaine quantité d'eau fixée. On prépare les formulations suivantes exprimées en W par rapport au ciment - Ciment Portland classe G : 100 - Silice (comme dans l'exemple 1) - Fluidifiant (comme dans l'exemple 1) : 1,8 - Eau totale : 27 - Microsilice a Formulation A : Microsilice a à 24% et silice à 20% Formulation B 1: Microsilice a à 30% et silice à 20% Formulation B2: Microsilice a à 35% et silice à 20% Formulation Cl: Microsilice a à 24% et silice à 40% Formulation C2: Microsilice a à 24% et silice à 60% Ces formulations ont fourni les résultats représentés sur la figure 3. Optimisation des particules fines : (A) en comparaison avec (B1) et (B2). Plus la quantité de fines augmente, plus les particules peuvent s'écouler par un effet similaire à un roulement à billes et donc plus le laitier est fluide. Une limite en amélioration de viscosité est atteinte si on compare les courbes d'écoulement Bl et B2. Un pourcentage optimal de fines est ainsi déterminé. Optimisation des particules moyennes: (A) en comparaison avec (Cl) et (C2). De même, le pourcentage relatif de particules moyennes par rapport à des particules fines est déterminé si on compare les courbes d'écoulement C1 et C2 par rapport à celle de A. Pour une quantité de fines de l'ordre de 20%, une même quantité en poids de particules moyennes donne une rhéologie acceptable pour une géométrie de puits classique. De plus, la formulation A qui contient de l'eau dans un rapport eau sur ciment de 0,27 a une résistance à la compression 3,5 fois supérieure à une formulation classique de ciment pour puits qui contient de l'eau dans un rapport eau sur ciment supérieur à 0,4. EXEMPLE IV : Comparaison des propriétés d'une formulation de laitier de ciment classique avec une formulation selon la présente invention. Les propriétés principales demandées pour un ciment pétrolier sont listées ci-dessous. Une comparaison systématique est réalisée entre la formulation de l'invention A et un ciment pétrolier (B) classique. Formulation A exprimée en W par rapport au ciment - ciment (comme dans l'exemple 1): 100 - Silice (comme dans l'exemple 1): 20 - fluidifiant D 80 (comme dans l'exemple 1) : 1,8 - Eau totale : 27 - microsilice a : 24 - Retardateur D 121 (Dowell): 0,8 Formulation B exprimée en W par rapport au ciment - ciment (comme dans l'exemple 1)): 100 - Silice S8 ( Sifraco ) :40 - Filler Microblock (Halliburton): 14,3 - Réducteur de filtrat Halad 361 A (Halliburton): 8,5 - Dispersant: CFR3 (Halliburton): 0,25 - Retardateur HR 15 (Halliburton) :0,7 - Eau totale :44t La figure 4 montre une courbe de viscosité plus faible pour la formulation (A), ce qui limite d'autant plus les pertes de charges dans le puits. La résistance à la compression, le temps de pompabilité, c'est à dire le temps nécessaire à la mise en place du laitier dans le puits et à la solidification du laitier, et la densité optimisée pour contrôler la pression lors de la mise en place en partielle dans les cas de puits chaud et profond, sont rapportés dans le tableau 4 ciaprès. Ce tableau confirme la performance du laitier de ciment à base d'une formulation A notamment pour la cimentation de puits chaud et profond. TABLEAU 4 Résistance à Temps de la compression pompabilite à Densité (Mpa) 1200C Formulation A 35 ~ 1,9 Formulation B 172 6h40 2,3 REVENDICATIONS 1/ Laitier de cimentation pour la cimentation d'un puits, notamment d'un puits pétrolier, caractérisé en ce qu'il comprend - au moins un liant hydraulique du groupe constitué par les ciments Portland classe G (API), les ciments Portland classe H (API) et les autres liants hydrauliques à faible teneur en aluminates. - une microsilice de granulométrie comprise dans la gamme 0,1 à 2 micromètres, à raison de 20 à 35% en poids par rapport au liant hydraulique. - un ajout minéral de granulométrie comprise dans la gamme 0,5-200 micromètres à raison de 10 à 70% en poids par rapport au liant hydraulique. - un agent superplastifiant et/ou fluidifiant hydrosoluble en proportion comprise entre 1% et 3% en poids par rapport au liant hydraulique. - de l'eau en quantité au plus égale à 40% du poids du liant hydraulique. 2/ Laitier selon la revendication 1, dont le liant hydraulique est un ciment Portland classe G. 1L Laitier selon la revendication 1 ou 2, dont le liant hydraulique est constitué de particules dont les grosseurs sont réparties dans la gamme 0,1-100 micromètres. 4/ Laitier selon la revendication 3, dont le liant hydraulique est constitué de particules dont les grosseurs sont réparties dans la gamme 10-50 micromètres. 5/ Laitier selon l'une des revendications 1 à 4, dont la microsilice est une fumée de silice provenant de l'industrie du zirconium. Laitier selon l'une des revendications précédentes dont la microsilice est présente à raison de 20-30k en poids par rapport au liant hydraulique. 2Â Laitier selon l'une des revendications précédentes dont la microsilice est présente à raison de 20 à 25% en poids par rapport au liant hydraulique. 8L Laitier selon l'une des revendications précédentes dont la microsilice est constituée de particules dont la grosseur moyenne est voisine de 0,4 micromètre. 9/ Laitier selon l'une des revendications précédentes dont l'ajout minéral est constitué de particules siliceuses. 10/ Laitier selon l'une des revendications précédentes dont l'ajout minéral est présent à raison de 20 à 30% en poids par rapport au liant hydraulique. 11/ Laitier selon l'une des revendications précédentes dont l'ajout minéral est un sable siliceux dont les particules ont des grosseurs réparties dans la gamme 5-200 micromètres. 12/ Laitier selon l'une des revendications précédentes dont l'ajout minéral est un sable siliceux dont les particules ont une grosseur moyenne voisine de 50 micromètres. 13/ Laitier selc l'une des revendications précédentes dont l'ajout minéral est constitué de quartz broyé. 14/ Laitier selon l'une des revendications précédentes dont l'agent hydrosoluble est composé de polymère ou de copolymère fortement ionisé dérivé de fonctions sulfonées et/ou de phosphate, phosphonate, carboxylate. 15/ Laitier selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 dont l'agent hydrosoluble est un agent du groupe constitué par le naphtalène sulfonate, le , lignosulfate, la mélanine et analogues. 16/ Laitier selon l'une des revendications précédentes dont l'agent hydrosoluble est un fluidifiant contenant des fonctions sulfonées ou phosphatées. 17/ Laitier selon l'une des revendications 1 à 15 dont la quantité d'eau est comprise dans la gamme 20-30 du poids du liant hydraulique.