Brevet FR2761693A1 — publié le 19981009

L'invention concerne un procédé et un système pour la mise en oeuvre dans des puits d'exploitation souterraine pour le forage, le nettoyage ou les opérations de mise en production de ces puits, dans le cas de gisement. Dans le procédé, on effectue une circulation entre la surface du sol, le fond du puits et retour à la surface, à partir d'une colonne de tubes descendue dans le puits. L'injection de la mousse se fait généralement par l'intérieur des tubes et le retour par l'espace annulaire défini par les tubes et les parois du puits. Le fluide sous forme de mousse entraîne les débris de forage vers la surface, nettoyant ainsi le front de taille. Cette technique, dite de forage à la mousse, est connue et présente notamment les avantages de ne pas procurer une pression de fond trop importante grâce à la faible masse volumique de la mousse. Cependant, cette technique a pour inconvénient principal de ne pas permettre facilement le recyclage de la solution moussante, compte tenu des produits initialement mis en solution pour stabiliser la mousse après agitation et injection de gaz. Le "cassage" de la mousse est le problème de base, si l'on veut récupérer la plupart des produits moussants pour une utilisation répétée, ou si les conditions d'environnement ne permettent pas l'épandage du volume de mousse de retour du puits. On connaît le document WO-94/17154 qui propose l'utilisation d'agent moussant amphotère combiné avec des tensioactifs comme base d'une composition moussante stable. La mousse est détruite par une variation appropriée du pH de la mousse. Si la mousse est basique, la mousse est cassée en diminuant le pH au moins en dessous de 4, si la mousse est acide, la mousse est cassée en augmentant le pH au moins audessus de 9,5. La présente invention concerne un procédé de forage à la mousse obtenue à partir d'une solution aqueuse moussante comportant des tensioactifs non ioniques. La solution moussante présente une température critique appelée "température de point trouble" ou "point trouble". Le point trouble est une température caractéristique pour une solution comportant au moins un tensioactif non ionique. On connaît la température de point de trouble en notant la température à laquelle un trouble apparaît dans la solution ou en connaissant le point de trouble du tensioactif contenu dans la solution, le point de trouble de la solution étant le point de trouble du tensioactif. Dans le cas d'un mélange de deux tensioactifs non ioniques, le point trouble est la moyenne des points troubles de chacun des deux composants. On sait qu'en augmentant la température d'une solution au-dessus de la température du point trouble, la solution homogène et isotrope se sépare en deux phases homogènes et isotropes: une phase riche en tensioactif et une phase pauvre en tensioactif non ionique. Ainsi la présente invention concerne un procédé de circulation d'une mousse dans un puits, dans lequel on effectue les étapes suivantes: on forme une mousse à partir d'une composition aqueuse comportant au moins un additif dont la température de point trouble et la concentration sont telles que la température de point de trouble de ladite composition est supérieure à la température de la mousse en cours de forage, . on injecte ladite mousse dans le puits, ladite mousse circulant de la surface vers le fond du puits, puis du fond vers la surface, on élève la température de la mousse qui est remontée à la surface, à une température au moins supérieure à ladite température de point de trouble de la composition, de façon à déstabiliser la mousse. Dans le procédé, l'additif peut être un tensioactif non ionique. La température de point de trouble de la composition peut être augmentée par l'adjonction d'une quantité déterminée d'un tensioactif ionique. La température de point de trouble de la composition peut être ajustée par l'adjonction d'une quantité déterminée d'électrolytes. L'invention concerne également une composition moussante pour l'utilisation dans un puits foré dans le sol. La composition comporte en combinaison au moins un tensioactif non ionique et un additif constitué par un tensioactif ionique, un électrolyte ou leur mélange, le tensioactif non ionique et ledit additif ayant une structure et une concentration déterminées de façon à ajuster la température de point de trouble de ladite composition relativement à la température dudit puits. On peut ajouter à la composition un agent viscosifiant. L'invention concerne en outre un système pour circuler une mousse dans un puits foré dans le sol, comprenant; des moyens pour former une mousse à partir d'une composition aqueuse comportant au moins un additif dont la température de point trouble et la concentration sont telles que la température de point de trouble de ladite composition est supérieure à la température de la mousse dans le puits, des moyens d'injection de ladite mousse dans le puits, ladite mousse circulant de la surface vers le fond du puits, puis du fond vers la surface. Le système comporte des moyens de chauffage de la mousse qui est remontée à la surface, à une température au moins supérieure à ladite température de point de trouble de la composition, de façon à déstabiliser la mousse. Le point trouble d'une solution de tensioactif non ionique dépend de la concentration en tensioactif et des autres éventuels additifs (autres tensioactifs, électrolytes, composantes polaires organiques, ou alcools). Le point trouble dépend aussi des modifications moléculaires: longueur de chaîne, branchement De cette façon, dans la présente invention, on ajuste la température du point trouble d'une solution selon le domaine d'utilisation. En ajoutant des faibles quantités de tensioactif ionique (par exemple dodecyl sulfate de sodium, SDS) la répulsion électrostatique entre les micelles de tensioactif augmente, ce qui provoque l'augmentation de la température du point trouble. En ajoutant des électrolytes, la température du point trouble de la solution peut augmenter ou diminuer suivant le type d'électrolytes utilisées (effet salting in ou salting out des cations ou anions). A titre d'exemple, en ajoutant du NaCl ou du CaCl2, la température du point trouble diminue, alors qu'avec du LiNO3, la température augmente. On peut citer en référence : salt effect on solutions of non ionic surfactants and its influence on the stability of polymerized microemulsions" par C. Holzcherer et F. Candau. Journal of Colloïd and Interface Science. Vol 125, no 1, page 97-110 (1988). Le point trouble peut être également modifié par une augmentation de la masse moléculaire de tensioactif, par des branchements des parties hydrophobes, ou par la distribution des longueurs des chaînes hydrophobes dans la molécule. Comme tensioactif, il est envisageable dans la présente invention d'utiliser tous les tensioactifs non ioniques classiques et connus. Les produits tensioactifs non ioniques peuvent être classés selon le mode de liaison entre la partie hydrophobe et la partie hydrophile de la molécule. Ce mode de liaison peut être un pont éther, un pont ester, un pont amide, ou autres: - Dérivés non ioniques à nont éther par exemple: Alcools gras oxyéthylés, Alkylphénols oxyéthylés, Produits oxyéthylés-oxypropylés, Ethers de glucose. - Agents de surface non ioniques à pont ester. par exemple: Esters de glycérol, Esters de polyéthylèneglycols, Esters de sorbitanne, Esters de sucre. - Non ioniques à liaisons amides: Diéthanolamides, - Autres non ioniques : par exemple les amines grasses éthoxylées. On peut citer également: les alkanolamides éthoxylées, les amines éthoxylées, ou les copolymères bloc d'oxyde d'éthylène ou de propylène. On pourra utiliser, dans la présente invention, un octylphénol éthoxylé avec une longueur de chaîne d'oxyde d'éthylène de 9 à 10 (Triton-X100) ou avec un longueur de chaîne d'oxyde d'éthylène de 7 à 8 (Triton-X114) (nom de marque de tensioactifs fabriqués par Union Carbide- USA) de point trouble respectivement 67"C et 250C. Pour des températures de fond de puits supérieures, on peut utiliser du Triton-X-102 de longueur de chaîne 12 à 13 (point trouble 88"C), du Triton-X-165 de longueur de chaîne 16 (point trouble supérieur à 100"C), ou un mélange de Triton-X-100 et de 7,5 10-5 mol/l de SDS (point trouble 73"C). En faisant varier la longueur du groupe hydrophobe et du groupe hydrophile du tensioactif, on fait varier la température de point trouble. Un additif pour augmenter le point trouble peut être de préférence un tensioactif de type dodécyl sulfate de sodium (SDS). Un additif pour ajuster le point trouble peut être du chlorure de sodium (NaCi). La solution moussante peut contenir un polymère pour augmenter la viscosité et ainsi la stabilité de la mousse. La solution moussante peut également, comme tous les fluides de puits, contenir des solides ou d'autres additifs (anticorrosion, etc...). La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus nettement à la lecture des essais, nullement limitatifs, décrits ci-après et illustrés par les figures ci-annexées, parmi lesquelles les figures 1 à 4 montrent l'évolution de la vitesse de drainage de la mousse en fonction de la température, . la figure 5 montre schématiquement un système de mise en oeuvre de la présente invention. Les essais sont fondés principalement sur la comparaison, pour des tensioactifs non ioniques et éventuellement au moins un additif de contrôle de la température de point trouble, des deux mesures suivantes effectuées sur la solution moussante ou sur la mousse formée à partir de ladite solution moussante: . la vitesse de drainage VD, qui permet de caractériser la stabilité de la mousse formée, en fonction de la température. la viscosité p (mPa.s) de la solution moussante, pour vérifier que l'augmentation de la vitesse de drainage n'est pas principalement due à une variation de la viscosité de la solution moussante. Mode opératoire: La solution moussante est constituée par un mélange d'au moins un tensioactif non ionique de concentration 1% et dans certains cas d'un tensioactif ionique à concentration variable. On mesure la viscosité de la solution moussante en fonction de la température, à l'aide des moyens conventionnels pour une telle mesure. Les valeurs de viscosité sont reportées dans les tableaux des essais 1 à 4. 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 d'environ 2000 tours/minute. Le temps d'agitation est de 2 minutes. Lorsque les essais sont effectués à une température supérieure à la température ambiante, la solution moussante et le contenant en verre sont chauffés dans une étuve à la température de l'essai. L'agitation se fait à température ambiante. La mousse formée est versée dans un entonnoir en verre gradué, et l'entonnoir est placé dans l'étuve, préchauffée à la température de l'essai. La température de la mousse est délicate à régler, car elle a une bonne isolation thermique. La température de la mousse est ici mesurée par un thermo-couple directement en contact avec la mousse. On note le volume de solution drainée en fonction du temps. La stabilité de la mousse est caractérisée par sa vitesse de drainage VD. La vitesse de drainage est définie à partir de l'équation empirique qui décrit le volume drainé V en fonction du temps (Bikerman, J.J., 1973): V=Vo( 1-exp(-kt)) V: le volume drainé (cm3) VO: : le volume de solution moussante (cm3) t :temps (min.) VD = kV0/2 (cm3/min.) Une faible valeur de VD indique que la mousse est stable. Pour s'affranchir en partie de la diminution de la viscosité en fonction de la température, on a tracé les graphes 1 à 4, représentant les essais 1 à 4, avec en abscisse la température en degré Celsius, et en ordonnée le rapport VD/p (cm3/min.mPa.s) Définitions des svstèmes testés Tensioactifs Octylphénol éthoxylé: - Triton-X-100 (CPES-10): tensioactif non ionique de formule suivante: - Triton-X-114 (CPE7 8): tensioactif non ionique de formule suivante: - Dodécyl sulfate de sodium (SDS): tensioactif ionique de formule suivante: CH3 (CH2)lO CH2 O SO3. Na + Polvmère: * Carboxymethylcellulose (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 de 2x106 g/mol. Essai 1: Tensioactif non ionique à différentes températures: - 1% de Triton-X-100, PT= 67"C, sans autre additif. Température Vitesse de Volume de Viscosité VD/p Drainage Mousse ( C) (ml/min.) (cm3) (mPa s) 20 22 2100 1,08 20,4 30 28 2100 0,88 31,8 43 36 2100 0,74 48,2 60 50 2100 0,64 88,1 70 61 2100 0,51 112 Cet essai a été effectué sur une composition moussante ne comportant pas d'additif supplémentaire au tensioactif non ionique, de façon à mettre en évidence l'importance du point trouble sur la stabilité d'une mousse. Sur la figure 1, PT représente la valeur de température du point trouble, ici environ 67"C. On note qu'en dessous du point trouble, l'évolution du rapport VD/p est directement fonction de l'évolution de la viscosité p. Mais au dessus du point trouble, ce rapport croit de façon très sensible, ce qui montre une perte de stabilité de la mousse. Essai 2: Mélange de tensioactifs non ioniques à différentes températures: - 0,5% de Triton-X-100 et 0,5% de Triton-X-114. Point trouble du mélange 48 C. Température Vitesse de Volume de Viscosité VD/p Drainage Mousse ("C) (ml/min.) (cm3) (mPa.s) 20 23 2000 1,07 21,3 40 28 2000 0,79 35,2 60 43 2000 0,57 75,3 Les essais 2 donnent la vitesse de drainage d'une solution comportant du Triton-X-100 (PT= 67"C) ou du Triton-X-114 (PT= 25"C), en fonction de la température. On observe que la stabilité de mousse est en diminution quand la température dépasse le point trouble PT de 48"C pour le mélange de Triton-X-100 et de Triton-X-114. Les pentes de la courbe représentée sur la figure 2 montrent bien que la mousse perd de sa stabilité au dessus du point trouble de la composition moussante, ici sensiblement la moyenne entre les points troubles des deux tensioactifs non ioniques en mélange. Essai 3: Mélange d'un tensioactif non ionique et d'un tensioactif ionique à différentes températures: - 1% de Triton-X-114 et 10-4 mol/l de SDS, point trouble du mélange 35"C. Température Vitesse de Volume de Viscosité VD/p Drainage Mousse ("C) (ml/min.) (cm3) (mPa.s) 20 11 1800 1,08 10,2 30 12 1800 0,88 13,6 59 13 1800 0,64 20,8 70 - 18 1800 0,51 35,4 Dans cet exemple le mélange d'un tensioactif non ionique (Triton-X114) avec une faible concentration de tensioactif anionique du type SDS (104 mol/l) augmente la température de point trouble de 25 à 35"C. Quand la température de la mousse est au-dessus du point trouble, la stabilité de la mousse diminue. Sur la figure 3, la pente de la courbe est nettement en augmentation au dessus d'environ 50"C. Essai 4: Mélange d'un tensioactif non ionique et d'un polvmère à différentes températures: - 1% de Triton-X-114 et 500 ppm de CMC, point trouble 63"C. Température Vitesse de Volume de Viscosité VD/p Drainage Mousse ("C) (ml/min.) (cm3) (mPa s) 20 5 1800 22 0,23 44 8 1800 18 0,43 75 11 1800 10 1,11 Dans cet essai, on utilise un mélange de tensioactif non ionique avec un polymère viscosifiant (CMC). Le point trouble PT du mélange tensioactif et polymère est environ 63"C. La solution est plus visqueuse compte tenu de la présence du polymère, même au-dessus de 50"C. On observe également qu'au-dessus du point trouble la vitesse de drainage augmente, même à plus forte viscosité de la composition moussante. La figure 5 montre schématiquement une réalisation d'un système de mise en oeuvre du procédé et de la composition moussante selon la présente invention. La référence 1 désigne un puits foré dans le sous-sol. La référence 2 représente une garniture de tubes descendue dans le puits 1. Cette garniture peut être une garniture de forage, un tube de cuvelage (casing) ou un tube de production (tubing). L'invention s'applique à tous les tubes que l'on peut être amené à descendre dans un puits, y compris des tubes continus enroulés (coiled-tubing). Les flèches montrent un exemple de circulation d'un fluide (dans le cas présent, il s'agit de mousse) dans un puits. En tête de puits, un canalisation 3 (flowline) collecte la mousse qui remonte dans l'annulaire vers la surface, pour l'amener vers une installation 5 de cassage de la mousse comprenant des moyens de chauffage 6 de la mousse et de réception du liquide obtenus après déstabilisation de la mousse. Le liquide est ensuite dirigé par la conduite 7 vers une installation 12 de séparation, de préparation ou/et de régénération de la composition moussante. Les apports de fluides et additifs complémentaires sont schématisés par les flèches 8. C'est dans cette installation 12 que l'on sépare la composition moussante des solides provenant du puits 1 et entraînés à la surface par la mousse. On y contrôle également la qualité de la composition moussante afin de l'utiliser pour un autre cycle de circulation dans le puits. La composition moussante passe ensuite dans des moyens de pompage et d'injection 9, conventionnellement utilisés pour injecter de la mousse dans le puits 1 par la conduite 4 et la tête d'injection 10 fixée à la garniture 2. Les symboles 1 1 représentent des vannes de fermeture des canalisations. Bien entendu, le sens de circulation de la mousse dans le puits peut être inverse , comme cela est connu dans la profession, c'est à dire que la mousse est injectée dans l'annulaire par la conduite 3 et remonte à la surface par la garniture de tubes 2 et la conduite 4. Un manifold dirige le retour de la mousse vers l'installation 5, la conduite 3 étant reliée à l'installation 9. Le fonctionnement du système de forage à la mousse est le suivant: La composition moussante est injectée par le dispositif 9 avec du gaz dans la tête d'injection 10. La mousse sous pression descend dans l'intérieur de la garniture 2 puis sort au niveau du fond du puits. La mousse se détend et se dilate en fonction notamment de la pression de fond du puits. La température de la mousse tend à atteindre la température du puits. La mousse remonte dans l'annulaire tubes/puits en entraînant des débris de forage, si l'on est en phase de forage. Pour que la mousse soit efficace pour le nettoyage du puits, il faut que la température de la mousse atteinte au fond du puits soit inférieure à la température du point trouble de la solution moussante. De retour à la surface, par la conduite 3, la mousse est conduite vers les moyens 5 de cassage de la mousse selon le procédé de la présente invention. A la sortie, le gaz est évacué et une solution aqueuse est dirigée vers le dispositif 12 comprenant notamment des moyens de séparation des solides et/ou des gaz contenus dans une phase liquide : hydrocyclone, dégazeur, décanteur, tamis,... A l'aide de des moyens de mesure, on contrôle la qualité de la phase aqueuse recueillie afin de l'utiliser dans un nouveau cycle. REVENDICATIONS 1) Procédé de circulation d'une mousse dans un puits, dans lequel on effectue les étapes suivantes: . on forme une mousse à partir d'une composition aqueuse comportant au moins un additif dont la température de point trouble et la concentration sont telles que la température de point de trouble de ladite composition est supérieure à la température de la mousse en cours de forage, . on injecte ladite mousse dans le puits, ladite mousse circulant de la surface vers le fond du puits, puis du fond vers la surface, on élève la température de la mousse qui est remontée à la surface, à une température au moins supérieure à ladite température de point de trouble de la composition, de façon à déstabiliser la mousse. 2) Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit additif est un tensioactif non ionique. 3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel la température de point de trouble de ladite composition est augmentée par l'adjonction d'une quantité déterminée d'un tensioactif ionique. 4) Procédé selon la revendication 2, dans lequel la température de point de trouble de ladite composition est ajustée par l'adjonction d'une quantité déterminée d'électrolytes. 5) Composition moussante pour l'utilisation dans un puits foré dans le sol, caractérisée en ce qu'elle comporte en combinaison au moins un tensioactif non ionique et un additif constitué par un tensioactif ionique, un électrolyte ou leur mélange, ledit tensioactif non ionique et ledit additif ayant une structure et une concentration déterminées de façon à ajuster la température de point de trouble de ladite composition relativement à la température dudit puits. 6) Composition selon la revendication 6, dans laquelle on ajoute un agent viscosifiant. 7) Système pour circuler une mousse dans un puits (1) foré dans le sol, comprenant: des moyens (9) pour former une mousse à partir d'une composition aqueuse comportant au moins un additif dont la température de point trouble et la concentration sont telles que la température de point de trouble de ladite composition est supérieure à la température de la mousse dans le puits, des moyens d'injection (10, 2) de ladite mousse dans le puits, ladite mousse circulant de la surface vers le fond du puits, puis du fond vers la surface, caractérisé en qu'il comporte des moyens de chauffage (5) de la mousse qui est remontée à la surface, à une température au moins supérieure à ladite température de point de trouble de la composition, de façon à déstabiliser la mousse.