Brevet FR2785991A1 — publié le 20000519

Méthode de mesure de caractéristiques d'un fluide pétrolier ou analogue. La présente invention concerne un dispositif pour mesurer certaines caractéristiques rhéologiques d'un fluide pétrolier ou analogue tel qu'une boue de forage ou un coulis de ciment. L'invention s'applique plus particulièrement à l'évaluation de la tendance au collage d'une boue de forage et la difficulté à éliminer le cake de boue. Le forage de puits tels que des puits pétroliers, à gaz, géothermiques ou analogues fait appel à différents fluides dont les caractéristiques rhéologiques doivent être connues le plus précisément possible, avec une mesure effectuée de préférence au moment même de la préparation du fluide, sur le site de forage. Pendant l'opération de forage proprement dite, on fait circuler dans le trou foré un fluide ou boue de forage qui, entre autres, a pour fonctions d'assurer le refroidissement et la lubrification de l'outil de forage, de permettre la remontée vers la surface des débris de forage, d'éviter les entrées de fluides de formation, notamment des gaz et de maintenir la stabilité en évitant un écroulement des parois. Le trou foré, un tubage (casing) ou encore un tube enroulé (coiled tubing) est descendu dans le forage et cimenté sur tout ou partie de sa hauteur, le coulis de ciment est injecté par l'intérieur du tube ou tubage pour venir ensuite remplir l'espace annulaire entre le tube et la paroi du puits. Outre une fonction mécanique de maintien en position du tube ou tubage, la cimentation permet d'isoler les différentes couches de formation traversées par le forage, de prévenir des remontées de gaz par l'annulaire ou encore de limiter les entrées d'eau dans le puits de production. Elle a aussi bien sûr pour but principal d'assurer la tenue du tubage. Très schématiquement, un coulis de ciment est constitué par une base liquide (de l'eau et des additifs solubles) et des matières solides (le ciment) en suspension dans cette base. La boue de forage est principalement constituée d'une base liquide généralement de type eau, huile ou émulsion eau dans huile, de sels ou autres produits en solution dans la base et de solides insolubles dans la base tels que de la baryte ou de la bentonite ajouter pour ajuster la densité et la viscosité du fluide. -2- Lorsqu'un fluide est en contact avec une formation relativement poreuse et si la pression hydrostatique de la formation est inférieure à la pression du fluide de forage, le fluide va tendre à pénétrer dans la formation. Toutefois, la finesse des pores de la formation est en général inférieure à la taille des particules solides en suspension dans le fluide. 1 en résulte un phénomène de filtration avec un écoulement vers la formation de la base liquide et des solides les plus fins et le dépôt sur les parois des particules solides les moins fines formant un gâteau encore appelé 'cake de boue' lorsque le fluide est une boue de forage. En soi, la formation du cake de boue est un phénomène favorable, car elle tend à imperméabiliser les parois du puits et donc à limiter les déperditions de fluide de forage. Par contre, il peut arriver que des tiges de forage, des outils de diagraphie ou des éléments de tubage viennent frotter et se coincer dans ce cake lorsque ces éléments cessent de tourner pendant une durée prolongée, incidents difficiles à éviter dans la mesure o la circulation de la boue de forage est souvent maintenant pendant des mois. Pour libérer un élément coincé dans le cake, il faut lui appliquer un couple de rotation très important, pas toujours immédiatement disponible, avec de plus un risque de casse et par conséquent, d'interruptions des opérations de forage ce qui conduit à des surcoûts majeurs. On connait du brevet britannique GB 2,275,342 un appareil destiné à évaluer la tendance au collage d'une boue de forage par la mesure du couple nécessaire pour entraîner en rotation d'une bille en contact avec une surface poreuse à travers de laquelle on force le passage d'une boue de forage afin de former un cake. Ce dispositif permet de plus de mesurer d'une part la quantité de liquide écoulé au travers de la paroi après 30 minutes (mesure des pertes de filtrat ou 'fluid loss'). Cependant, ce dispositif présente des inconvénients dans la mesure o il s'est avéré que les résultats ne sont pas toujours reproductibles d'un expérimentateur à l'autre et surtout, que le couple mesuré est systématiquement surévalué d'un facteur de friction qui dépend du type de boue de forage et par conséquent non constant. Le dispositif connu du brevet GB 2,275,342 est constitué d'une cellule pressurisée dont le fond est formé d'une grille dont la face tournée vers l'intérieur de la cellule est recouverte d'un papier filtre afin de simuler la paroi du trou. La cellule est munie d'un couvercle percé en son centre d'un passage pour une tige à l'extrémité de laquelle est fixée une bille. On remplit la cellule avec la boue à tester et on descend la bille de façon à ce qu'elle vienne toucher le papier filtre. Un gaz est injecté au-dessus de la boue pour simuler la différence -3- de pression entre la boue et les fluides de formation. Au fur et à mesure que la hauteur du cake de boue croît, on mesure, par un capteur associé à la tige, le couple T nécessaire pour initier la rotation de la bille. Selon le modèle utilisé par les auteurs, ce couple est proportionnel à un facteur de collage S caractéristique d'une boue donnée et à t3t4, o t est le temps d'application de la pression différentielle. La demande de brevet français 2,758,185 a par ailleurs décrit un perfectionnement du dispositif connu de la demande de brevet précitée, perfectionnement consistant en des moyens, par exemple de type paliers, pour maintenir une distance constante aussi faible que possible mais non nulle entre la bille et le papier filtre et en un entraînement de la bille au moyen d'une transmission magnétique ce qui permet de mesurer des couples très faibles, mesurés notamment dans le cas des boues à l'huile. Le dispositif perfectionné selon la demande française précitée à l'avantage d'être d'une manipulation simplifiée, plus robuste, et donc mieux approprié à une utilisation sur un site de forage. Les principes physiques à la base des mesures du facteur de collage avec les dispositifs connus des deux publications brevets précitées sont décrites de façon détaillée dans LADC/SPE 35100 dans un article signé par Reid, P.I., Meeten, G.H., Way, P.W., Clark, P., Chambers, B.D. and Gilmour et intitulé 'Mechanisms Of Differential Sticking And A Simple Well Site Test For Monitoring And Optimizing Drilling Mud Properties". La valeur du facteur de collage est déterminée en supposant que la hauteur h du cake de boue croît selon une fonction du type h=p3t"2, o 5 - ou taux de croissance - est constant pour une boue donnée dans des conditions de température et de pression fixées, que la croissance du cake de boue n'est pas affectée par la bille, qu'il ne se produit pas de glissement à l'interface cake/bille et que la contrainte exercée par le cake de boue est constante sur toute la hauteur du cake (ou autrement dit, que le cake est homogène sur toute sa hauteur). Ces hypothèses admises, on peut calculer que le couple T qui doit être exercé à un instant t pour faire tourner la bille peut s'exprimer selon une fonction du type à T = S (t"2 -to/2)32 o to est l'écart de temps entre le début de la mesure et l'instant o le cake de boue atteint le point le plus bas de la bille et S un facteur dit facteur de collage caractéristique d'une boue de forage à une température et une pression donnée. On détermine expérimentalement les valeurs critiques de facteur de collage ce qui permet de rejeter de nouvelles boues qui présentent un risque élevé. -4- Par ailleurs, avant d'effectuer l'opération de cimentation, le nettoyage du cake de boue est souvent souhaité. Selon les boues utilisées, cette opération de nettoyage des parois du puits sera plus ou moins aisée et dépend en particulier de la valeur du taux de cisaillement de la boue. Le taux de cisaillement entre dans la définition du facteur de collage mais à ce jour, aucune procédure n'a été proposée pour évaluer sa valeur en tant que telle. La présente invention a pour objet de nouvelles procédures permettant de déterminer le taux de cisaillement d'une boue dans des conditions de températures et de pression données. Selon l'invention, il est proposé une méthode de détermination du seuil de cisaillement d'une boue de forage, consistant à placer un corps de détection à surface sphérique à proximité d'une paroi poreuse, verser de la boue de forage autour du corps de détection, forcer le passage de la boue au travers de la surface poreuse de façon à former un cake de boue au-dessus de la surface poreuse et autour du corps de détection d'un diamètre D et à mesurer le temps nécessaire pour que le cake de boue atteigne un niveau mesurable ou prédéterminé ainsi que le couple de résistance à la rotation du corps de détection correspondant à ce niveau. Selon une première variante de l'invention, la hauteur du cake de boue est mesurée à la fin du test à partir de la mesure de l'empreinte laissée par le corps de détection après la formation du cake pendant une durée donnée t. Selon une seconde variante de l'invention, on mesure le temps nécessaire pour que le cake atteigne le bas du corps de détection à partir d'au moins deux mesures réalisées avec deux distances différentes entre la paroi poreuse et le corps de détection. Selon une troisième variante de l'invention, le corps de détection est pourvu de marques de sorte que le couple détection mesuré varie sensiblement au moment o le cake de boue atteint la hauteur d'une marque. Pour toutes les variantes de l'invention, les procédures proposées permettent également de déterminer le taux de croissance du cake. D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence au dessin annexés qui représentent à titre d'exemple: -5- * figure 1: une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention pour la mesure du couple de résistance à la rotation du corps de détection dû à la formation d'un cake de boue; * figure 2: un exemple de corps de détection muni de marques utilisé pour la mise en oeuvre de la troisième variante de l'invention; * figure 3 et 4: l'enregistrement du couple de rotation au cours du temps avec une dispositif tel que celui montré figure 2. Un dispositif de mesure tel qu'utilisé pour les deux premières procédures selon l'invention est représenté sur la figure 1. 1l comprend une cellule de mesure qui peut être placée dans un bain thermostaté. La cellule 1 comporte un fond 2 constitué par une grille dont la face tournée vers l'intérieur de la cellule est revêtue d'un papier filtre 3. Un drain 4 sous la cellule 1 permet de recueillir le filtrat. La cellule est fermée par un couvercle 5 percé d'une ouverture 6 pour une alimentation 7 en un gaz de type azote ou gaz carbonique utilisé pour pressuriser la cellule. Le couvercle 5 est de plus muni en son centre d'un passage 8 muni d'une garniture d'étanchéité. Le corps de détection est constituée par une bille 9 fixée à un arbre 10 entraîné en rotation par un système d'entraînement 11, via une transmission magnétique 12. L'arbre 10 est supporté par un palier 13 comportant des moyens fins de réglage de la position verticale de la bille 9 de façon à positionner précisément la bille de sorte que celle- ci ne repose pas sur la grille 2 mais reste suspendue au-dessus de celle-ci, à une distance faible mais non nulle. La valeur du facteur de collage est déterminée en supposant que la hauteur h du cake de boue croît selon une fonction du type h=pt"2, o 3 est constant pour une boue donnée dans des conditions de température et de pression fixées, que la croissance du cake de boue n'est pas affectée par la bille, qu'il ne se produit pas de glissement à l'interface cake/bille et que la contrainte exercée par le cake de boue est constante sur toute la hauteur du cake (ou autrement dit, que le cake est homogène sur toute sa hauteur). Ces hypothèses admises, on peut calculer que le couple T qui doit être exercé à un instant t pour faire tourner la bille peut s'exprimer selon une fonction du type à T = S (t12 -tola)32 o to est l'écart de temps entre le début de la mesure et l'instant o le cake de boue atteint le point le plus bas de la -6- bille et S un facteur caractéristique d'une boue de forage à une température et une pression donnée. En utilisant la méthode décrite dans l'article SPE 35100 précité, en supposant de plus que seule la partie la plus compacte de la boue contribue de façon significative au couple exercé sur la bille, le couple appliqué sur la bille est le produit du taux de cisaillement to de la boue et de la surface de la bille en contact avec la boue. On démontre ainsi que ce couple peut s'exprimer selon la formule T = 2 D3'2r0h3a2, o D est le diamètre de la bille, le taux de cisaillement de la boue et h la hauteur du cake 'compact'. En remplaçant h par sa fonction dépendant du temps, on obtient une nouvelle équation: T=Sf t3 4 o Sf = 2- rD3/2ro]3/2 Selon une première procédure selon l'invention, consistant en deux mesures, la hauteur du cake peut être obtenu à partir de la mesure du diamètre d de l'empreinte de la bille dans le cake après un test de filtration d'une durée t. D D d2 h =- V-_ 2 4 4 D'o il découle: D D2 d2 2 4 4 t112 t Si le test de filtration dure 30 minutes, ou 1800 secondes, le taux de cisaillement to peut être déterminé à partir de la seule mesure de d30 (diamètre de l'empreinte de la bille après minutes) à partir de l'équation: 1800 3 Sf o=Il _ [l(d3 / D)2 2rD. o les diamètres d30 et D sont exprimés en mètres et Sfen Newton par mètre à la puissance 3/4. Il va de soi que la formule reste valable pour toute durée du test. Néanmoins, il importe que celui-ci est une durée suffisante pour que le cake se soit effectivement formé. Par ailleurs, -7- la précision est d'autant meilleure que le test est effectué sur une longue durée mais en général, il est inutile de le poursuivre au delà de une heure. De façon plus générale, la taux de cisaillement peut donc être obtenu par la formule: 3/4 {t 3 S Cette première procédure est d'une mise en oeuvre facile avec des boues qui forment un cake compact bien délimité, ce qui est généralement le cas avec les boues à l'eau. Avec les boues à l'huile, l'empreinte est bien présente mais elle est généralement masquée par une couche ayant une consistance crémeuse qu'il est nécessaire d'écarter avec une spatule pour dégager l'empreinte. C'est pourquoi les auteurs de la présente invention ont développé une deuxième procédure qui nécessite plus particulièrement un dispositif tel que celui décrit dans la demande de brevet français 2,758,185 qui permet un réglage fin de la distance entre la bille et la paroi poreuse (papier filtre). Selon cette deuxième procédure, deux tests sont menés de suite, avec une boue de même composition et dans les mêmes conditions de température et de pression, en faisant varier la distance h entre le papier filtre et la bille. Le test est arrêté lorsque la valeur du couple commence à dévier significativement du bruit de fond. En supposant à nouveau que le facteur de croissance de la boue a une valeur constante pour une boue donnée, dans les conditions données de mesure, on a alors: -p h2 - hi P 12 112 t2 -t l et la valeur du taux de cisaillement peut être dérivée de l'équation suivante: Ftl/2_____ 3/2 3 S 1h2- h1 2z'D312 La hauteur hl sera typiquement choisie nulle (la sphère est initialement au contact du filtre) ou à toute valeur comprise entre 0 et 0,1 mm, la valeur de h2 étant par exemple choisie proche de 0,5 mm. -8- Cette seconde procédure est plus appropriée pour des boues à l'huile mais il n'est pas toujours facile de réaliser deux tests successifs rigoureusement dans les mêmes conditions, surtout si on réalise que ces tests doivent être pratiqués sur le lieu même du forage. C'est pourquoi les auteurs de la présente invention ont développé une troisième procédure pour déterminer les valeurs du taux de croissance 1 et du taux de cisaillement To. Cette troisième procédure est dérivée de la seconde procédure et comme elle repose sur la détermination du temps au bout duquel le cake de boue atteint une hauteur pré-définie. Pour cela, la bille est pourvue de marques, ou décrochés, de sorte que lorsque la valeur du couple est significativement modifiée lorsque le cake de boue atteint la hauteur correspondant à ces marques. La courbe d'enregistrement de la valeur du couple exercé en fonction du temps comporte alors des points d'inflexion qui peuvent être repérés et correspondent au moment o la hauteur du cake atteint le niveau de la marque. La figure 2 représente un exemple de marquages de la bille qui a été usinée pour former une portion cylindrique de h2 2 mm après une portion sphérique sur une hauteur hl de 2mm (il va de soi que ces hauteurs peuvent varier et peuvent être différentes). Dans ces conditions, lorsque le cake atteint la portion cylindrique, la valeur du couple diminue sensiblement par rapport à la valeur du couple pour la portion inférieure de plus grand diamètre. A la fin de la portion cylindrique, on a par contre une nette augmentation de la valeur du couple. Avantageusement, la bille peut compter plusieurs portions cylindriques, à des hauteurs différentes, de sorte que quel que soit le taux de croissance du cake de boue, au moins deux marques seront atteintes dans un temps par exemple inférieur à 8 heures. A noter que lorsque le nombre de portions cylindriques (ou de toute marques équivalentes) est grand, il n'est plus nécessaire de supposer que le taux de croissance est constant (il suffit de supposer qu'il est constant pour l'intervalle de temps entre deux marques). Comme la valeur de hl est rigoureusement connue, et que celle de tl (ou plus exactement de tl34) est facilement repérable sur l'enregistrement de la valeur du couple en fonction du t34, hi du taux de croissance 5 par la formule /3 = /2 et celle du taux de cisaillement t0 par t= hl 312 3 S l'équation 2'0 - 2 frD312 t12 z / -9- Le même calcul peut être avantageusement répété pour h2 et t2 ce qui permet de s'affranchir des erreurs dues à un mauvais positionnement de la balle. Dans ce cas, la valeur du taux de croissance sera de préférence obtenue en appliquant la formule: h2 - hl A =t 2 _t "2 la différence h2-hl étant rigoureusement fixée par la géométrie de la bille. I peut être noté que la précision de la mesure est d'autant plus grande que le rapport entre la hauteur du cake de boue et le diamètre de la bille est petit. Dans la mesure o la première portion sphérique de la bille est sur une hauteur petite (dans l'exemple de la figure 2, 2mm), il est possible de la choisir d'un diamètre grand sans devoir modifier les proportions de la cellule. Dans ce cas, il est clair que la bille sera remplacée par une calotte. Les figures 3 et 4 montrent les courbes représentant l'évolution du couple en fonction du temps, pour les deux intervalles tl et t2, dans le cas de la bille représentée à la figure 2 pour une boue comportant pour un volume de 5 1 eau 5208 g bentonite du Wyoming 300 g Barite de Chaillac 2268 g Argile (OCMA Clay) 210 g CaCO3 (Blanc de Meudon) 150 g Quartz 60 g et quelques gouttes d'un bactéricide. Les temps t, et t2 peuvent être estimés respectivement égaux à 28 et 80 minutes. On démontre que de 0 à tl, le couple de rotation est proportionnel à 'to3/2 et que de t1 à t2 (correspondant à la portion cylindrique du corps de détection), le couple est proportionnel à 2nr2rr0, o r est le rayon du cylindre, d'o il découle un taux de croissance de 0,546 1/234 mm/min 2. Avec un facteur de collage de 18,9 mNm/min34, le taux de cisaillement est de 95Pa. -10- Revendications 1. Méthode de détermination du seuil de cisaillement d'une boue de forage, consistant à placer un corps de détection à surface sphérique à proximité d'une paroi poreuse, verser de la boue de forage autour du corps de détection, forcer le passage de la boue au travers de la surface poreuse de façon à former un cake de boue au-dessus de la surface poreuse et autour du corps de détection d'un diamètre D et à mesurer le temps nécessaire pour que le cake de boue atteigne un niveau mesurable ou prédéterminé ainsi que le couple de résistance à la rotation du corps de détection correspondant à ce niveau. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on détermine de plus le taux de croissance de la boue. 3. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la hauteur du cake de boue est mesurée à la fin du test à partir de la mesure de l'empreinte laissée par le corps de détection après la formation du cake pendant une durée donnée t. 4. Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'on calcule de plus le taux de cisaillement o de la boue par la formule 3/4 (dt]D) 2l D] o Sf est le facteur de collage de la boue testée, D le diamètre du corps de détection et dt le diamètre de l'empreinte. 5. Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'on calcule le taux de croissance du cake de boue par la formule: D D2 dt2 f_2 4 t4 - Y1/2 t" 6. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on mesure le temps nécessaire pour que le cake atteigne le bas du corps de détection à partir d'au moins deux mesures réalisées avec deux distances différentes entre la paroi poreuse et le corps de détection. -11- 7. Méthode selon la revendication 6, caractérisée en ce que caractérisé en ce que l'on mesure les temps tl et t2 nécessaires pour que la hauteur du cake atteigne au moins deux hauteurs prédéfinies hl et h2 et que l'on calcule le taux de cisaillement de la boue par la formule [t2l/2 _ t /2]3/2 3 S o=L h2 -h. 2zrD32 8. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps corps de détection est pourvu de marques de sorte que le couple détection mesuré varie sensiblement au moment o le cake de boue atteint la hauteur d'une marque. 9. Méthode selon la revendication 8, caractérisée en ce que les dites marques correspondent à une portion cylindrique du corps de détection. 10. Méthode selon la revendication 9, caractérisée en ce que le taux de cisaillement de la boue est déterminé par la formule: h 3/2 3 S o = t12 2,rD3/2