Brevet FR2773816A1 — publié le 19990723

La présente invention concerne une composition destinée à être placée dans un puits foré dans le sol pour libérer les tubes ou des tiges de forage coincés par effet de pression différentielle ou mécaniquement. La présente composition est particulièrement adaptée à des fluides de forage à base d'eau. I1 est connu dans l'art du forage pétrolier, ou autre, qu'il y a dans beaucoup de cas le risque de coincement de la garniture de forage en cours d'opération, ou des tubes de cuvelage en cours de leur mise en place dans le puits. Les causes peuvent être d'origine mécanique ou du fait de la pression différentielle qui règne entre l'intérieur du puits et les pores de la roche. En effet, le fluide de forage qui remplit le puits est généralement de masse volumique telle que la pression hydrostatique créée est supérieure à la pression des fluides contenus dans les pores de la formation rocheuse traversée par le forage. La plupart des fluides de forage contiennent des additifs réducteurs de filtrat qui empêche la filtration du fluide de forage dans la formation perméable par création d'un cake (dépôt sur les parois d'une couche de particules colloïdales) dont la qualité d'imperméabilité conditionne la quantité de fluide filtré. Les tiges de forage en arrêt de rotation peuvent se coller sur les parois, contre ou dans le cake. Plus le cake est épais, plus la surface de collage est importante et plus la force nécessaire au décollage sera grande puisqu'elle est égale à la valeur de la pression différentielle par rapport à chaque coté du cake, multipliée par la surface de contact ou d'adhésion. Pour pouvoir libérer la garniture de tiges, il est courant d'injecter un certain volume d'un fluide dit spotting fluid au droit de la zone de collage sous la forme d'un volume de quelques mètres cubes d'un bouchon injecté dans les tiges et mis en place dans la zone de coincement par circulation d'un autre fluide, généralement le fluide de forage. La nature du fluide de décoincement doit être adaptée à la méthode de mise en place par circulation, c'est-à-dire être d'une masse volumique équivalente au fluide déjà en place, d'une viscosité telle que l'injection et la circulation dans le puits ne pose pas de problème, et respecter les normes de qualité de rejet en vigueur. Il y a de nombreuses compositions de fluides de décoincement, notamment à base de produits lubrifiants minéraux. On connaît le document US-4964615 qui décrit un spotting fluid à base d'ester d'acide gras, d'une bentonite oléophile et d'un système émulsifiant. Ce fluide ne divulgue pas la composition optimisée de la présente invention. Ainsi, la présente invention concerne un fluide de puits pour libérer des éléments tubulaires coincés dans le puits. Ce fluide comporte une partie A constituée par un ou plusieurs esters obtenus par réaction d'un acide mono carboxylique (A.1), linéaire ou branché, comprenant de 8 à 24 atomes de carbone et d'un polyol (A.2), linéaire ou branché, comprenant de 2 à 20 atomes de carbone, le rapport molaire acide: alcool (A.1 : A.2) étant compris entre 1 : 1 et (n-n/10) : 1, où n représente le nombre de groupements hydroxyle de l'alcool A.2, une partie B constituée d'un ou plusieurs acides mono carboxyliques, linéaires ou branchés, comprenant de 8 à 24 atomes de carbone, l'acide carboxylique A. 1 et partie B étant chacun séparément un mélange d'au moins 80% d'acides carboxyliques ayant 1 à 3 insaturations, o une partie C constituée par un ou plusieurs esters obtenus par réaction d'un acide mono carboxylique, linéaire ou branché, comprenant de 2 à 24 atomes de carbone et d'un mono alcool linéaire ou branché, comprenant de 2 à 24 atomes de carbone, ou par une ou plusieurs chaînes hydrocarbonées linéaires contenant au moins une insaturation comprenant de 8 à 24 atomes de carbone, ou par une ou plusieurs chaînes hydrocarbonées branchées, saturées ou contenant au moins une insaturation comprenant de 8 à 24 atomes de carbone, ladite partie C ayant une viscosité inférieure à environ 10 mPa.s à 40"C, éventuellement une partie D constituée d'une amine tertiaire, et la quantité de partie C est déterminée par rapport aux autres composants de façon que la viscosité dudit fluide soit inférieure à 40 mPa.s à 40"C. Les parties A, B et D peuvent être respectivement dans les fourchettes de proportions suivantes : entre 75 et 90% pour A, entre 5 et 15% pour B, au plus 10% de partie D, par rapport au poids total de mélange A+B+C. Les parties A, B et D peuvent être respectivement dans les proportions suivantes : 85,4%, 9,5% et 5,1%. La partie A peut être du monooléate de pentaérytritol. L'amine tertiaire peut être de la triéthanolamine. La proportion de la partie C peut être environ comprise entre 60 et 80% par rapport au poids total de la composition. La partie C peut être constituée principalement de 2-éthyl-hexyl oléate. Dans ce cas, une première variante selon l'invention peut consister à ajouter au plus 40%, par rapport au poids total, d'isopropylmyristate. Dans le cas où la partie A est principalement du monooléate de pentaérytritol, une seconde variante peut consister à ajouter au plus 40%, par rapport au poids total, d'un ester choisi dans le groupe constitué par le polyglycérol polyricinoléate, le polyglycérol monooléate, le triheptanoate éthoxylé trois fois, et leur mélange. Dans une troisième variante, on peut ajouter au plus 40%, par rapport au poids total, des polyols polymérisés compris entre dimère et trétramère, des mono alcools linéaires ou branchés comprenant de 2 à 10 atomes de carbone, ou leur mélange. Dans cette troisième variante, les alcools peuvent être choisis dans le groupe constitué par le polyglycérol, le butanol et leur mélange. Dans le fluide selon l'invention, on peut ajouter au plus 5% d'agent viscosifiant pour milieu organique et une quantité déterminée d'agents alourdissants. On peut ajouter au plus 5% d'agent mouillant et/ou dispersant, et de préférence au plus 2%. On peut aussi ajouter au plus 10% d'eau. La présente invention concerne également une méthode pour libérer un train de tubulaires coincé dans un puits dans laquelle on injecte dans le puits un volume d'un fluide tel que défini ci-dessus. Les différents constituants de la composition selon l'invention sont non toxiques et non polluants selon les critères connus dans la profession. Bien entendu, compte tenu des réglementations différentes en fonction des pays, certains produits utilisés pourraient être considérés, vis-à-vis de l'environnement, comme acceptables par certains pays mais pas dans d'autres. Le fluide de décoincement peut être utilisé tel quel sous forme de bouchon liquide comportant éventuellement une faible proportion d'eau, ou mélangé au fluide de forage à base d'eau, éventuellement aux fluides à base d'huile ou équivalents. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description des exemples suivants. Il y a deux types d'essais qui peuvent être utilisés pour montrer qu'une composition est efficace en tant que spotting fluid : l'essai de mesure du couple de décollage d'un disque appliqué sur un cake formé sur un filtre, et l'essai de mesure de filtration de la composition à travers un cake. En effet, ce dernier test peut démontrer que la composition ne reste pas hors du contact tube/paroi, mais pénètre le cake compris entre le tube et la paroi. Les différents fluides de décoincement qui ont été testés sont référencés de L1 à L10. L1 correspond à un mélange d'environ 70% de 2-éthyl-hexyl oléate avec environ 30% d'un composé dit COMP . L2 correspond à un mélange de 95% de L1 avec 5% de isopropylmyristate. L3 correspond à un mélange de 80% de L1 avec 20% de isopropylmyristate. L4 correspond à un mélange de 99,5% de L2 avec 0,5% de Anti Terra-P. L5 correspond à un mélange de 99,5% de L2 avec 0,5% de Disperbyk-108. Les additifs Anti-Terra-P et Disperbyk-108 sont des agents mouillant et dispersant fabriqués et commercialisés par la société BYK-Chemie GmbH. L'additif Anti-Terra-P est une solution de sels d'acide phosphorique et de longues chaînes d'acide carboxylique polyamine amides. L'additif Disperbyk-108 est un ester d'acide carboxylique hydroxy fonctionnalisé comportant des groupements ayant des affinités avec des pigments. L6 correspond à un mélange de 80% de L1 avec 20% de polyglycérol polyricinoléate. L7 correspond à un mélange de 80% de L1 avec 20% de triheptanoate glycérol éthoxylé trois fois. L8 correspond à un mélange de 80% de L1 avec 20% de polyglycérol. L9 correspond à un mélange de 80% de L1 avec 20% d'un mélange de 95% de polyglycérol et de 5% de butanol. L10 correspond à un mélange de 60% de L1 avec 40% d'un mélange de 95% de polyglycérol et de 5% de butanol. Le COMP testé est constitué d'une partie ester A, d'une partie acide B et de triéthanolamine, respectivement dans les proportions en poids suivantes: environ 85,4%, 9,5% et 5,1%; la partie A étant du monooléate de pentaérytritol (RADIASURF 7156 commercialisé par FINA Chemicals); la partie B étant de l'acide RADIACID 208 (commercialisé par FINA Chemicals) qui contient environ: 70% d'acide oléique, 10% d'acide linoléique, 6% d'acide palmitoléique, 5% d'acide palmitique, 4% d'acide myristique, 3% d'acide linolénique et 2% d'acide stéarique. On ne sortira pas du cadre de l'invention si, dans le dénommé COMP , la partie A est constituée par un ou plusieurs esters obtenus par réaction d'un acide mono carboxylique (A.1), linéaire ou branché, comprenant de 8 à 24 atomes de carbone et d'un polyol (A.2), linéaire ou branché, comprenant de 2 à 20 atomes de carbone, le rapport molaire acide: alcool (A.1 : A.2) est compris entre 1 : 1 et (n-n/10) : 1, où n représente le nombre de groupements hydroxyle de l'alcool A.2, et si la partie B est constituée d'un ou plusieurs acides mono carboxyliques, linéaires ou branchés, comprenant de 8 à 24 atomes de carbone, l'acide carboxylique (A.1 et partie B) étant un mélange d'au moins 80% d'acides carboxyliques ayant 1 à 3 insaturations. Les parties A. 1 et B peuvent être choisies parmi le groupe constitué par l'acide oléique, stéarique, linoléique, linolénique, palmitique, palmitoléique, myristique et leur mélange. 1) Essais de collage Par pression différentielle La cellule de test de pression différentielle dite "Differential Sticking Tester - Model 21150" de la société Baroid, division de la société NL Corp. (Instruction Manual Part N .211510001EA) a été modifiée de telle manière que l'on puisse, une fois le cake formé sur le filtre et le piston appliqué en contact sur le cake, remplacer la boue utilisée pour former le cake par un autre fluide, par exemple un fluide de décoincement selon l'invention, ou des fluides de comparaison. On rappelle qu'une cellule de test est constituée d'une chambre cylindrique comportant un porte filtre papier, une sortie inférieure pour recueillir le filtrat, un couvercle supérieur comportant un orifice de pressurisation par de l'azote comprimée et un arbre portant un disque disposé dans l'axe du papier filtre, une clé dynamométrique liée à l'arbre permettant de mesurer le couple résistant provoqué par le disque en contact avec le cake. La face de contact du disque a été légèrement modifiée pour présenter une face plane bordée par un tronc de cône très plat, de largeur ne dépassant pas le centimètre. Les conditions opérationnelles sont les suivantes: température ambiante pour les fluides, pression différentielle de filtration 3,5 MPa, pression du disque sur le cake équivalente à 5 MPa, pendant 10 minutes. Un test caractéristique est donc réalisé de la manière suivante : La boue est filtrée sur filtre papier pendant 30 minutes sous une pression de 3,5 MPa, puis le piston est enfoncé dans le cake sous une pression mécanique équivalente de 5 MPa, pendant 10 minutes. La pression différentielle est alors annulée, le piston étant toujours maintenu appliqué sur le cake sous l'action de la force mécanique. La boue restant dans la cellule est ensuite enlevée et remplacée par le fluide de décoincement à tester. La pression différentielle de 3,5 MPa est alors de nouveau appliquée et la force mécanique exercée sur le piston est supprimée. Après 30 minutes, on mesure le couple nécessaire pour décoller le piston du cake. Les résultats sont exprimés en lbs.in (pound.inch) selon les unités usuelles de la profession (on multiplie par 0,11298 pour convertir en newton.mètre). Composition de la boue de base servant à la constitution du cake eau douce bentonite du Wyoming 30 g/l . réducteur de filtrat (AQUAPAC Reg) 1 g/l . NaCl 1 g/l ajout de baryte tel que la masse volumique d=1,2 kg/l Les résultats sont reportés dans le tableau ci-dessous : La première ligne correspond à la mesure du couple lorsque la cellule contient la boue, sans remplacement par le fluide de décoincement. Fluide de décoincement Couple (in.lbs) Couple (N.m) Boue 150 16,95 L1 130 14,69 L2 100 11,3 L3 100 11,3 L4 90 10,17 L5 65 7,34 L6 80 9,04 L7 100 11,3 L8 65 7,34 L9 30 3,39 L10 * * Saut du piston après 29 minutes. Ces résultats montrent que le remplacement de la boue par le spotting fluid selon la présente invention permet de diminuer le couple de décoincement. 2) Essais de filtration On forme un cake par filtration d'une boue dans une cellule de filtration API sur papier filtre pendant 30 minutes sous 7 bars de pression et à température ambiante. On enlève alors la boue restant dans la cellule que l'on remplace soit par de l'eau (ou du filtrat), soit par un fluide de décoincement selon l'invention. On remet alors la pression et on mesure la filtration pendant 30 minutes. Les résultats sont exprimés par le poids de fluide récupéré après les 30 minutes de filtration de l'eau ou du fluide de décoincement. Fluide filtré à Poids après Poids après travers le cake 30 minutes 60 minutes (g) (g) Filtrat 5,2 10,4 L1 5,5 14,7 L3 6,8 22,2 L4 9,9 23,9 L5 9,1 25,8 Ces résultats montrent les bonnes performances des systèmes L4 et L5. Les systèmes L1 et L3 ont besoin de plus de temps pour être efficaces. 3) Propriétés rhéologiques et suspensives Il faut formuler un fluide de décoincement dont la viscosité ne soit pas trop importante (problème de pompabilité et de perte de charge dans les tiges et le puits) mais qui permette de maintenir en suspension les agents d'alourdissement, par exemple la baryte (risque de sédimentation). En effet, compte tenu de la masse volumique plutôt inférieure à 1 kg/l des produits de base, le fluide de décoincement doit généralement être alourdi pour que la masse volumique du bouchon de décoincement soit proche de celle du fluide de forage. Viscosités: le tableau ci-dessous donne les valeurs de viscosité des composants de base, ainsi que de leurs mélanges. Les viscosités sont mesurées à 40"C. La proportion des deux composants de L1 devra être ajustée de façon que le mélange ait une viscosité inférieure à 40 mPa.s à une température de 40"C et de préférence inférieure à 20 mPa.s. 2-éthylhexyl oléate/COMP ,, Viscosités (%/%) (mPa.s) 100/0 6,9 70/30 15 30/70 51 0/100 156 Un bon rapport correspond sensiblement au mélange 2-éthylhexyl oléate/COMP de 70/30. Cependant, si la composition est suffisamment fluide pour être déplacée par pompage dans le puits, il faut qu'elle ait également un pouvoir suspensif suffisant pour empêcher, ou tout au moins limiter, la sédimentation des charges solides, par exemple de la baryte ou de la bentonite. Pour cela, on peut ajouter une certaine quantité de produits viscosifiants. On teste le système : L1 + X% viscosifiant + baryte tel que d=1,5 kg/l. VA est la viscosité apparente en centipoises (cP), VP est la viscosité plastique en centipoises (cP) et YV la valeur seuil de cisaillement (Yield Value) en lb/100ft2 (ces mesures sont conformes au standard API RP 13B-1 qui donne les correspondances des unités SI dans l'Appendice I). Les tests consistent à mesurer la rhéologie de la formulation en fonction du pourcentage de viscosifiant Truvis ajouté ici, et de comparer la décantation des solides en fonction du temps. Truvis est un additif viscosifiant pour les milieux organiques commercialisé par Dowell (Schlumberger Dowell Drilling Fluids). On ne sortira pas du cadre de cette invention en utilisant d'autres produits viscosifiants, par exemple d'autres bentonites organophiles ou des polymères oléophiles. Viscosifiant Rhéologie Décantation en Décantation en (%) (cP) éprouvette de 200 ml éprouvette de 200 ml (cP) t=16 heures t=1 semaine (lb/100ft2) (ml) (ml) VA= 41 1,5 VP= 33 4 26 YV= 16 VA= 54 1,7 VP= 42 2 12 YV= 24 VA= 63 2 VP=46 2 10 YV= 34 VA= 91 2,5 VP= 58 2 8 YV= 66 Ces résultats montrent qu'unie concentration en viscosifiant Truvis de l'ordre de 1,7% est optimum pour ce système. En deçà, les propriétés suspensives sont moins bonnes, au delà les viscosités sont plus importantes, trop importantes dans certains cas d'utilisation. La formulation selon l'invention peut supporter de fortes concentrations en baryte. L'exemple ci-après montre que l'on peut obtenir une masse volumique de 1,8 kg/l. La formulation de fluide de décoincement testée correspond à L1 + 1,7% de viscosifiant Truvis. Densité Rhéologie Décantation en Décantation en (cP) éprouvette de 200 ml éprouvette de 200 ml (cP) t=16 heures t=48 heures (lb/100ft2) (ml) (ml) VA= 54 1,5 VP=42 2 6 YV= 24 VA= 77 1,8 VP= 63 2 4 YV= 28 Même à une masse volumique de 1,8 kg/l, les propriétés rhéologiques restent correctes, de même que les propriétés suspensives. REVENDICATIONS 1) Fluide de puits pour libérer des éléments tubulaires coincés dans le puits, caractérisé en ce qu'il comporte une partie A constituée par un ou plusieurs esters obtenus par réaction d'un acide mono carboxylique (A.1), linéaire ou branché, comprenant de 8 à 24 atomes de carbone et d'un polyol (A.2), linéaire ou branché, comprenant de 2 à 20 atomes de carbone, le rapport molaire acide: alcool (A.1: A.2) étant compris entre 1 : 1 et (n-n/10): 1, où n représente le nombre de groupements hydroxyle de l'alcool A.2, une partie B constituée d'un ou plusieurs acides mono carboxyliques, linéaires ou branchés, comprenant de 8 à 24 atomes de carbone, l'acide carboxylique A. 1 et partie B étant chacun séparément un mélange d'au moins 80% d'acides carboxyliques ayant 1 à 3 insaturations. une partie C constituée par un ou plusieurs esters obtenus par réaction d'un acide mono carboxylique, linéaire ou branché, comprenant de 2 à 24 atomes de carbone et d'un mono alcool linéaire ou branché, comprenant de 2 à 24 atomes de carbone, ou par une ou plusieurs chaînes hydrocarbonées linéaires contenant au moins une insaturation comprenant de 8 à 24 atomes de carbone, ou par une ou plusieurs chaînes hydrocarbonées branchées, saturées ou contenant au moins une insaturation comprenant de 8 à 24 atomes de carbone, ladite partie C ayant une viscosité inférieure à environ 10 mPa.s à 40"C, éventuellement une partie D constituée d'une amine tertiaire, et en ce que la quantité de partie C est déterminée par rapport aux autres composants de façon que la viscosité dudit fluide soit inférieure à 40 mPa.s à 40"C. 2) Fluide selon la revendication 1, dans lequel les parties A, B et D sont respectivement dans les fourchettes de proportions suivantes : entre 75 et 90% pour A, entre 5 et 15% pour B, au plus 10% de partie D, par rapport au poids total de mélange A+B+C. 3) Fluide selon la revendication 2, dans lequel les parties A, B et D sont respectivement dans les proportions suivantes : 85,4%, 9,5% et 5,1%. 4) Fluide selon l'une des revendications 1 ou 3, dans lequel ladite partie A est du monooléate de pentaérytritol. 5) Fluide selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite amine tertiaire est la triéthanolamine. 6) Fluide selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la proportion de la partie C est environ comprise entre 60 et 80% par rapport au poids total de la composition. 7) Fluide selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite partie C est constituée principalement de 2-éthyl-hexyl oléate. 8) Fluide selon la revendication 7, auquel on ajoute au plus 40%, par rapport au poids total, d'isopropylmyristate. 9) Fluide selon la revendication 4, auquel on ajoute au plus 40%, par rapport au poids total, d'un ester choisi dans le groupe constitué par le polyglycérol polyricinoléate, le polyglycérol monooléate, le triheptanoate éthoxylé trois fois, et leur mélange. 10) Fluide selon l'une des revendications 1 à 7, auquel on ajoute au plus 40%, par rapport au poids total, des polyols polymérisés compris entre dimère et trétramère, des mono alcools linéaires ou branchés comprenant de 2 à 10 atomes de carbone, ou leur mélange. 11) Fluide selon la revendication 10, dans lequel lesdits alcools sont choisis dans le groupe constitué par le polyglycérol, le butanol et leur mélange, 12) Fluide selon l'une des revendications précédentes, auquel on ajoute au plus 5% d'agent viscosifiant pour milieu organique et une quantité déterminée d'agents alourdissants. 13) Fluide selon l'une des revendications précédentes, auquel on ajoute au plus 5% d'agent mouillant et/ou dispersant, et de préférence au plus 2%. 14) Fluide selon l'une des revendications précédentes, auquel on ajoute au plus 10% d'eau. 15) Méthode pour libérer un train de tubulaires coincé dans un puits, caractérisé en ce que l'on injecte dans ledit puits un volume d'un fluide tel que défini dans l'une des revendications 1 à 14.