Brevet FR2924720A1 — publié le 20090612

La présente invention concerne un fluide de forage permettant d'opérer dans des zones très profondes, à haute température et à haute pression. Les 10 composants du fluide sont inertes jusqu'à des températures très élevées (jusqu'à 250-300°C) et sa masse volumique peut être ajustée au-delà de 2000 kg/m3. Le forage de réservoirs pétroliers profonds peut nécessiter l'utilisation 15 de fluide de forage capable d'assurer un écoulement, une stabilité du puits et une remontée des déblais, à des températures très supérieures à 200°C. Les fluides, ou boues, de forage classiques sont généralement constituées avec divers additifs (polymères, tensioactifs,...) qui se dégradent à de telles températures. 20 L'objet de la présente invention est d'obtenir un fluide de forage pouvant réaliser toutes les fonctions d'un fluide de ce type, notamment pression hydrostatique et nettoyage, obtenues principalement par le réglage de la masse volumique et de la viscosité, dans un contexte de très haute température et haute pression. 25 Le principe de formulation du fluide de forage selon l'invention, repose sur l'utilisation d'additifs inertes dans la plage de température considérée. On connaît les gels minéraux à base de silice ou d'alumine qui ont déjà été largement étudiés pour leurs propriétés particulières. Les micro sphères de 30 silice sont notamment utilisées comme additifs dans les laitiers de ciment pour ajuster leurs propriétés mécaniques. 1 Ainsi, la présente invention concerne un fluide de forage pour haute température, à base de saumure et de mélange de solides de granulométrie contrôlée, caractérisé en ce qu'il est constitué d'eau, de sels dissous, et de solides minéraux insolubles comprenant au moins une partie d'alourdissant de granulométrie telle que son D50 est compris entre 1 et 25 iim et une partie de colloïdes de granulométrie telle que son D50 est compris entre 0,2 et 2 pm, en ce que la fraction volumique totale des solides est comprise entre 30 et 50% par rapport au volume total, et en ce que le volume total comprend au moins 10% en volume desdits colloïdes. Le fluide de forage peut ne pas comporter d'additif viscosifiant thermiquement dégradable, notamment les additifs polymériques naturels ou synthétiques. La partie d'alourdissant peut être constituée de micro barytine. Elle peut aussi être constituée par d'autres alourdissants, par exemple Mn3O4, carbonates, dans la mesure où leur granulométrie correspond à l'invention. La partie de colloïdes peut être constituée de micro silice ou de micro alumine, ou leur mélange. Le pH du fluide peut être supérieur à 7,5. La fraction volumique totale des solides peut être comprise entre 35 et 45%. L'invention concerne également un procédé de forage de réservoir souterrain très profond, dans lequel on utilise un fluide de forage constitué d'eau, de sels dissous et d'une fraction volumique de solides minéraux insolubles comprenant au moins une partie d'alourdissant de granulométrie comprise telle que son D50 est compris entre 1 et 25 pm et une partie de colloïdes de granulométrie telle que son D50 est compris entre 0,2 et 2 pin, en ce que l'on règle les caractéristiques rhéologiques dudit fluide en ajustant la fraction volumique totale des solides, et en ce que l'on règle la masse volumique dudit fluide en ajustant la proportion de ladite partie d'alourdissant par rapport à ladite partie de colloïdes. Selon le procédé de forage, ledit fluide peut comprendre au moins 10% en volume de colloïdes, par rapport au volume total. Selon le procédé, on ajoute aucun additif thermiquement dégradable à partir de 180°C, notamment des viscosifiants. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description des exemples suivants, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - les figures la et lb donnent les courbes granulométriques des minéraux utilisés dans les exemples, - la figure 2 montre les variations rhéologiques en fonction de la fraction volumique totale en solides, - la figure 3 illustre la stabilité en température du fluide selon 15 l'invention. Le fluide de forage selon l'invention doit pouvoir présenter une masse volumique relativement élevée, compte tenu de la profondeur de forage. Aussi, la concentration en barytine pourra être forte. Au moins une phase colloïdale 20 de micro silice ou de micro alumine permet de créer un réseau gélifié pour obtenir la stabilité de la composition ainsi ajustée en masse volumique. Le fluide de base est une saumure, par exemple à base de CaC12 à forte concentration permettant d'éviter les modifications de propriétés lors d'une 25 venue d'eau ou de saumure en cours de forage. D'autres sels, ou en mélange, peuvent être utilisés (des tests avec NaCl et CaCl2 ont été réalisés). La fraction volumique en barytine est noté 0 = VBarite et celle en silice (ou VTota! alumine) noté = Vminéral La fraction volumique totale de solides est notée VTotal Yom -0+4. La masse volumique de la boue est fonction de 0 ou ou de 0m et 0 PMud = Psaumure (1 ù o ù ) + Pbariteo + Psolide2 PMud ù Psaumure (1 ù Y'm ) + Pbariteo + Psolide2 (0m ù o) Donc, pour une masse volumique donnée PMud, on peut se fixer une 10 quantité maximum de solides Om dans le système et ajuster le rapport de fraction, avec 0 et , entre les deux solides. Ce point est important, car au premier ordre, on peut considérer que la rhéologie du fluide de forage est principalement contrôlée par 0m et la masse volumique par O et . Ainsi, dans une certaine mesure, on peut contrôler l'un 15 et l'autre indépendamment, ce qui est un avantage certain de ce genre de système. La granulométrie des différents constituants solides doit être bien contrôlée et assez proche. En effet, la stabilité des suspensions est assurée par le contrôle de la taille de ses constituants et par la maîtrise des propriétés de 20 surface. Ainsi, on utilise de la micro barytine dont la granulométrie est principalement comprise entre 1 et 50 pm et l'autre phase colloïdale (silice, alumine) aura une taille comprise entre 0,1 et 31zm. Les courbes granulométriques sont données figure la et figure lb, respectivement pour la 25 barytine de Chaillac et la micro silice utilisée. Il est clair que des solides de répartition granulométrique très proche conviennent également. On pourra se référer aux valeurs de D50, connus de l'homme du métier concerné, avec pour les minéraux alourdissants, par exemple la barytine, un D50 compris entre 1 et 25 }im, et pour la micro silice un D50 compris entre 0,2 et 2 pm. Comme alourdissant, on peut utiliser du tétraoxyde de manganèse (Mn304, par exemple commercialisé sous le nom de Micromax TMpar la société Elkem Materials) ou des carbonates. Il est nécessaire d'introduire une fraction volumique minimale de dispersion minérale afin d'obtenir un gel. Cette quantité est de 12% pour la dispersion de silice et 10% pour la micro alumine. Ainsi, par exemple, en fixant la fraction totale de solide à 45%, on peut 10 faire varier la densité de boue de 1,69 à 2,32 en faisant varier de 0 à 33% (fraction maximum d'alourdissant pour qu'il reste au moins 12% de silice par rapport au volume total). Le contrôle du pH et de la force ionique (concentration en sel) de la 15 dispersion permettent d'assurer une maîtrise des interactions colloïdales. Cependant, ces paramètres sont imposés en partie par l'utilisation du fluide comme boue de forage, pour lequel la concentration en sel est généralement de l'ordre de 2 mol/L, ou plus. Pour le gel de silice, le pH est ajusté à pH=8,5 par ajout de CaOH2. On 20 contrôle ainsi les charges de surface des microsphères de silice. Les dispersions de silice donnent des gels physiques très stables à pH=8-9 et à force ionique supérieure (concentration en sel supérieure à 0,1 mol/L). C'est dans cette gamme que se place la présente invention. On obtient ainsi un fluide rhéologique à seuil, d'aspect homogène. On a 25 constaté que le fluide ne présente pas de surnageant eau, même après un temps très long (supérieur à 48 h). La phase dispersée de silice forme un gel par interaction de Van der Waals entre les particules. A pH=8,5, les microsphères de silice présentent des charges négatives, mais les interactions électrostatiques sont 30 écrantées par la présence d'ions Cal+. La stabilité a été confirmée par une étude au Turbiscan du fluide selon l'invention. Aucune phase liquide n'apparaît à temps long. Le même comportement est observé pour les phases alumine. Le pH se stabilise naturellement à 7,5 ; et au delà de 10% de fraction volumique de 5 micro alumine l'aspect gel est retrouvé. Des essais ont également été réalisés à pH=3,5. Ces mélanges conduisent également à une phase homogène, mais qui conduit à l'apparition de fluide clair après 20h en statique. Cependant, ces fluides présentent sur 10 cette période des propriétés suffisamment intéressantes pour l'application en fluide de forage. Il est donc possible de formuler un fluide homogène et ne présentant pas de séparation de phase à temps long ou une séparation de phase modérée. 15 Le mélange réalisé présente une rhéologie compatible avec l'utilisation d'une boue de forage comme le montrent, Figure 2, les valeurs de Yield (YV en lbs/100ft2 ou contrainte seuil ù conversion : lbs / 100ft2 x0,48 = Pa), VA (Viscosité Apparente en centiPoise ù conversion: cP x 0, 001 = Pa. s), VP (Viscosité Plastique 20 en centiPoise) calculées à partir de mesures rhéologiques. Différentes rhéologies en fonction de la fraction volumique totale (35%, 37% et 45%) en solides pour un mélange Barytine/Silice à pH=3 sont illustrées sur la Figure 2. On constate clairement que la modification de la quantité totale de 25 solides conduit à une modification de la rhéologie du système. On a bien une variable d'ajustement sur la rhéologie. De plus, on note une augmentation de la viscosité du mélange et de la contrainte seuil (YV) en fonction de la fraction volumique totale en solides. Afin de garder des produits d'une viscosité adaptée, il faut fixer la fraction volumique totale de solide dans une plage 30 comprise entre 35% et 45%, et au moins 10% de micro silice, ou équivalent en granulométrie, par rapport au volume total. Stabilité en température Le mélange a été soumis plusieurs fois à une température de 200°C pendant 24h dans une cellule sous pression à 20 bars. Le fluide ressort avec un 5 aspect identique à celui de départ. Pour confirmer les tests visuels, des tests rhéologiques avant/après sont réalisés et ils montrent que le fluide garde des propriétés de fluide à seuil de type Herschell Bulkley mais avec une légère modification de la valeur de la 10 contrainte seuil et des paramètres de viscosité (consistance et indice de rhéofluidification). La figure 3 montre les deux rhéogrammes obtenus avant et après le test thermique. On note bien une augmentation des paramètres rhéologiques et notamment un doublement de la contrainte seuil. Cependant, cette évolution reste tout à fait compatible avec l'utilisation de ce fluide. De 15 plus, la mesure rhéologique après le test thermique a été réalisée sans effectuer de mélange. L'échantillon est mesuré tel quel après 24h dans la cellule, une part de l'augmentation de viscosité est donc due à la gélification dans le temps. REVENDICATIONS 1) Fluide de forage pour haute température, à base de saumure et de mélange de solides de granulométrie contrôlée, caractérisé en ce qu'il est constitué d'eau, de sels dissous, et de solides minéraux insolubles comprenant au moins une partie d'alourdissant de granulométrie telle que son D50 est compris entre 1 et 25 pm et une partie de colloïdes de granulométrie telle que son D50 est compris entre 0,2 et 2 pm, en ce que la fraction volumique totale des solides est comprise entre 30 et 50% par rapport au volume total, et en ce que le volume total comprend au moins 10% en volume desdits colloïdes. 2) Fluide de forage selon la revendication 1, ne comportant pas d'additif viscosifiant thermiquement dégradable. 3) Fluide de forage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite partie d'alourdissant est constituée de micro barytine. 4) Fluide de forage selon l'une des revendications précédentes, dans 20 lequel ladite partie de colloïdes est constituée de micro silice ou de micro alumine, ou leur mélange. 5) Fluide de forage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le pH est supérieur à 7,5. 6) Fluide de forage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la fraction volumique totale des solides est comprise entre 35 et 45%. 30 7) Procédé de forage de réservoir souterrain très profond, dans lequel on utilise un fluide de forage constitué d'eau, de sels dissous et d'une 25 fraction volumique de solides minéraux insolubles comprenant au moins une partie d'alourdissant de granulométrie comprise telle que son D50 est compris entre 1 et 25 pm et une partie de colloïdes de granulométrie telle que son D50 est compris entre 0,2 et 2 iim, en ce que l'on règle les caractéristiques rhéologiques dudit fluide en ajustant la fraction volumique totale des solides, et en ce que l'on règle la masse volumique dudit fluide en ajustant la proportion de ladite partie d'alourdissant par rapport à ladite partie de colloïdes. 8) Procédé de forage selon la revendication 7, dans lequel ledit fluide comprend au moins 10% en volume de colloïdes, par rapport au volume total. 9) Procédé de forage selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel ledit fluide comporte entre 35 et 45% de fraction volumique de solides. 10) Procédé de forage selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel on ajoute aucun additif thermiquement dégradable à partir de 180°C, notamment des viscosifiants.