FR 2011745 A1 19700306 FR 6908089 A 19690320 69 08089 -1- 2011745 La technique générale de forage d'un puits"de pétroie comprend la mise en place d'une coloime de tubage relativement • courte dans le trou de sonde peu après le début de l'opération. Ce tubage est mis en place soit par forage du trou et "entubage", 5 soit en "poussant les tubes". Cette première colonne de tubage est normalement appelée "tube-guide", et l'espace annulaire entre l'extérieur du tube et l'intérieur du trou de sonde est rempli d'un mélange de ciment Portland et d'eau. Un trou légèrement plus petit est ensuite foré au-dessous du tube-guide, et une 10 autre colonne de tubage est mise en place et cimentée. On l'appelle "colonne de surface". Il est de pratique usuellé après descente du tubage de refouler le mélange de ciment et d'eau de haut en bas à l'intérieur du tubage et de bas en haut à l'extérieur, déplaçant le fluide de forage dans l'espace annulaire 15 entre le tubage et le trou. Dans la zone de production de pétrole de la Gulf Coast, aux Etats-Unis, il est usuel de poser la colonne de surface à environ 900 mètres quand on commence des sondages relativement profonds. Dans d'autres zones, la colonne de surface peut être posée à des profondeurs aussi faibles 20 que 150 mètres ou aussi, fortes que 1.800 mètres. La colonne de tubage suivante qui est posée dans le trou est habituellement appelée "colonne technique" ou "colonne de protection" si elle est dans un trou profond. La colonne suivante pourrait être destinée à tuber le puits à sa profondeur 25 totale, auquel cas on l'appellera "colonne de production". La présente invention concerne principalement la cimentation des colonnes techniques et de production. ' Le but principal de la cimentation de la colonne de surface est de fixer le tubage dans le trou de'sonde de manière 30 que la vibration et le martelage de la tige de forage en mouvement n'endommagent, pas le tubage. Parfois, les manchons inférieurs des tubes sont libérés par rupture et tombent, empêchant la continuation du forage. Une autre raison pour cimenter correctement la colonne de surface est d'empêcher la communication 35 69 08089 -2- 201-1745 complétion appropriés d'un puits. Essentiellement, le but. de la cimentation aux" niveaux inférieurs est d'immobiliser- lé tubage et d'empêcher la communication entre les zones de production d'eau, d'huile et de gaz et les autres zones-poreuses. 5 Le fait qu'un puits ne produit pas peut résulter d'une mauvaise cimentation, que l'on ne sait pas défectueuse 1 C'est seulement depuis peu que l'on dispose de moyens de contrôle comme les diagrammes acoustiques pour fournir de-s indications sur la qualité d'une cimentation primaire. Quand, il est évident 1C que la cimentation primaire après la -mise en place du tubage n'est pas bonne, comme indiqué par'une-communication entre les zones de l'eau, du gaz ou de l'huile ou par'le fait que le puits ne tient pas la pression ou par d'autres dispositifs d'essai, comme le diagramme acoustique, l'enregistrement de température, 15 etc, il est nécessaire qu'on essaie d'y remédier d'une certaine façon (cimentation secondaire). Dans le cas d'un tubage de protection profond ou de la colonne de production, il peut être nécessaire de perforer le tubage et de refouler du ciment sous une haute pression par les perforations dans l'espace annulaire, en 20 espérant qu'il remplira les zones qui n'ont pas été cimentées correctement durant l'opération primaire. Quelquefois, la cimentation sous pression est efficace, et quelquefois de nombreuses tentatives pour remédier à une cimentation primaire défectueuse par cimentation sous pression se sont soldées par des échecs qui 25 ont conduit finalement à l'abandon du sondage. Le problème de l'obtention d'une bonne cimentation est un problème de déplacement de la quasi-totalité du fluide ou de la boue de forage dans l'espace annulaire par le ciment. Malheureusement, les fluides de forage et les ciments pour puits de 30 pétrole ne sont pas compatibles entre eux. Un coulis de ciment " provoquera la floculation et 1'épaississement de la plupart des boues à base d'eau. De plus, la plupart des boues à base d'eau, quand on les ajoute au ciment, provoquent une prise instantanée ou se comportent comme un retardateur réduisant la résistance 35. mécanique du ciment et allongeant notablement le temps de' prise. Le schiste hydraté" et'l'argile, comme en contiennent la plupart des bottés de '£otage, quand on les mélange au ciment, réduisent beaucoup sa résistance mécanique'. Lès boues utilisées dans les sondages assez profonds contiennent non seulement des argiles 40 colloïdalès et du schiste qui réduisent la résistance ' mécan.ique 69 08089 -3- 2011745 du ciment;, mais aussi des produits chimiques organiques comme l'extrait de québracho, l'amidon, la carboxyméthyl-cellulose, des lignosulfonates de calcium, des lignosulfonates de chrome ou d'autres matières organiques. Ces produits chimiques en petites 5 quantités sont considérés comme des retardateurs qui allongent notablement le temps de prise des ciments, mais en quantités plus grandes ce sont des "retardateurs détruisant le ciment". Une solution à ce problème sérieux est proposée dans le brevet américain N° 3.190.356. Les lignosulfonates, qui sont considérés 10 couramment comme certains des produits chimiques de traitement les plus utiles et les plus largement utilisés pour la boue de forage, sont parmi les membres las plus importants du groupe de composés organiques qui sont considérés comme étant des retardateurs puissants en petites quantités (par exemple 0,5 % par 15 rapport au poids du ciment), ou des retardateurs détruisant le ciment quand les quantités sont plus grandes. Un fluide de forage qui est à la fois physiquement et chimiquement stable est nécessaire pour le forage de puits profonds dans la plupart des zones, et des produits chimiques comme les lignosulfonates sont néces-20 saireâ à des concentrations de 17 à 57 kg/m^ poux donner un fluide ayant les propriétés désirées. L'une des principales causes d'une cimentation défectueuse est le mélange du lait de cimentation de puits de pétrole incompatible avec le fluide de forage dans le sondage, et spé-25 cialement le fluide qui a formé un cake sur les parois du puits dans les zones perméables. De nombreuses tentatives ont été faites d'utilisation de fluides spéciaux de lavage poux déplacer la boue et le cake, mais elles n'ont eu qu'un succès très limité. Quelquefois, des quantités d'eau relativement grandes sont uti-30 lisées comme bouchon de séparation entre le ciment et la boue qui est déplacée par le lait de ciment. D'autres fois, on utilise une solution chimique spéciale, ou parfois une bouillie visqueuse. Dans les meilleurs cas, à la connaissance de la demanderesse, il n'existe pas de bouillie de séparation qui ait donné 35 des résultats réguliers d'amélioration des cimentations primaires. Le difficile problème du déplacement est compliqué quand le lait de ciment et le fluide de forage sont antagonistes, c'est-à-dire quand le lait de ciment provoque la floculation et la gélification des fluides de forage et que le fluide de forage 40 inhibe ou empêche' la prise du ciment» Il est facile de se rendre 69 08089 _4- 2011745 compte que quand le ciment est refoulé du fond du tubage et commence à monter dans l'espace annulaire, il peut se frayer des cheminements à travers des sections relativement épaisses de boue de forage agglomérée. 5 Les experts dans l'industrie de forage du pétrole consi dèrent qu'un ciment d'une résistance à la compression comprise entre 28 et 35 kg/cm en 24 heures est suffisamment résistant pour tout ce qu'on pourrait exiger de lui. Certains organismes spécifient qu'une résistance même inférieure à ces valeurs se-"îO rait satisfaisante; toutefois, il y en a qui recommandent des résistances supérieures. Compte tenu de l'incompatibilité des fluides de forage et des ciments, il est en fait surprenant que la demanderesse ait découvert une matière de cimentation pour fixer les tubages 15 de puits de pétrole qui incorpore les boues de forage disponibles à l'emplacement de forage comme "agrégat". La présente invention a pour but de fournir un ciment pour puits de pétrole qui incorpore le fluide de forage comme agrégat, permettant ainsi des économies de ciment. Elle a aussi 20 poux but de fournir une matière de cimentation qui est compatible avec une boue de forage hautement traitée. Un autre but-encore de l'invention est de fournir une matière de cimentation incorporant les boues de forage qui a un temps d1épaississement suffisant poux lui permettre d'être refoulée de haut en bas dans 25 la colojane de tubes et de bas en haut dans l'espace annulaire entre la colonne de tubes et les parois d'un trou de sonde. Un aiites bat encore de 1 'invention est de fournir une matière de cimentation n'ayant que peu de tendance à s'épaissir ou à faire avant d3être placée dans le trou de sonde et soumise aux 30 températures plus élevées présentes dans ce trou de sonde. Un autre but encore est de fournir une matièro&e cimentation ayant une résistance mésaialqee suffisante après 24 heures eroixoa. Un autre but encore de la présente invention est de fournir vjie matière de cimentation ayant une tendance réduite à uns réduc-35 tion de la résistance mécanique aux températures élevées= Un autre but encore de l'invention est de fournir un procédé peur la cimentation des- colonnes de tubage dans les trous de sonde. Elle a aussi pour but de transformer les fluides de forage à base d'eau en matières cimentaires utilisables pour la cimenta-40 tien de tubages de puits de pétrole. BAD ORIGINAL 69 08089 201 1745 Selon une particularité large de la présente invention, il est prévu un procédé de cimentation d'une colonne de tubes dans un trou de sonde par combinaison d'un fluide de forage aqueux traité d'une façon appropriée.avec un mélange cimentaire 5 comprenant un ciment hydraulique et du verre de silicate de sodium pulvérisé. Le fluide de forage avec le mélange cimentaire ajouté appelé ci-après "béton à la boue" est refoulé de haut en bas dans la colonne de tubes et de bas en haut dans l'espace annulaire entre le tube et les parois du trou de sonde. La tempé-10 rature plus élevée du trou de sonde déclenche la réaction de prise du béton à la Doue. La plupart des fluides de forage aqueux peuvent Stre rendus utilisables selon la présente invention. Des additions d'huile dans la boue n'altèrent pas la convenance de la boue pour 15 les buts de la présente invention. Des boues légères comme celles ayant une masse volumique inférieure à environ 1,2 kg/litre ne sont pas considérées comme utilisables pour des additions directes de mélange cimentaire. Par exemple, des boues légères comme celles ayant une masse volumique de moins de 1,15 kg/litre 20 peuvent exiger qu'on ajoute des matières solides, et aussi un conditionnement chimique. Par "traite d'une façon appropriée", on veut dire que la boue doit être traitée par des dispersants organiques comme des lignites, des tannins, des lignosulfonates ou des mélanges de telles matières. Le fluide de forage doit 25 contenir une quantité de dispersants organiques suffisante pour le rendre résistant à l'effet gélifiant des additions de ciment. La plupart des boues peuvent être conditionnées d'une façon appropriée par n'importe lequel on un mélange de n'importe lesquels des dispersants mentionnés ci-dessus. 30 Les lignites utilisés comme dispersants sont des humâtes ou des dérivés de l'acide humique. Un lignite spécialement efficace est un humate de potassium ayant réagi avec le chrome vendu sous la désignation XP-20 par la firme Dresser Industries, Inc. Un autre produit lignite est vendu sous la désignation Tannathin 35 par Dresser Industries, Inc. Les lignosulfonates qui peuvent être utilisés pour traiter les fluides de forage sont bien connus. Ils compTênnent les lignosulfonates neutralisés à la chaux décrits dans le brevet américain N° 2'.94-1.437 an nom de Barnes et les lignosulfonatî .-s aux oxydes de métaux lourds ou aux métaux 40 lourds décrits dans birevet américain n° 3.126.291 intitulé BAD ORfGlNAt^ 69 08089 -6- 201 1-745 "Hydraulic Cernent Composition" aux noms de E.G. King et autres, les.tannins dérivent de l'écorce et du bois de certains arbres, le tannin le plus notable utilisé comme agent de traitement pour fluides de forage est l'extrait de québracho... 5 Selon la..présente invention, des fluides de forage trai tés d'une manière appropriée sont transformés en un béton à la boue par addition d'environ 285 à 470 kg du mélange cimentaire s ' ' par m . le silicate de sodium doit avoir un rapport en poids soude (HagCO/siliçe (SiOg) compris entre 1:1,6 et 1:4,5. Le 10 terme "verre" veut dire que le silicate de sodium.contient moins de 5 % environ d'eau."Le ciment hydraulique et le silicate de sodium pulvérisé doivent être mélangés dans un rapport compris entre 6:1 et 1:1. Le terme "pulvérisé"- veut dire que le silicate de sodium est écrasé ou broyé de façon.qu'il passe en quasi- 15 totalité à travers un tamis de 0,210 mm d'ouverture de mailles. L'expression "ciment hydraulique" doit être comprise ici comme englobant toutes les compositions de chaux, silice et alumine ou de chaux et magnésie, silice et alumine et oxyde de fer qui sont connues couramment comme ciments hydrauliques. Les ci-20 ments hydrauliques comprennent les chaux hydrauliques, les ciments de grappier, les ciments de pouzzolane, les ciments à haute tenemr en alumine et les ciments Portland. Certaines matières, coHîffle la- cendre volcanique, la cendre volante et certaines argiles ont des propriétés pouzzolaniques et sont utili-25 sées couramment dans les ciments. Enr raison de sa large disponibilité et de sa résistance mécanique supérieure, on préfère le ciment portland. Il est préférable aussi d'inclure de 10 à 25 % en poids d'une matière pouzzolanique dans, le mélange cimentaire. Le teaps d'épaississement des fluides cimetttair.es, selon 50 la présente .invention, varie avec le rapport du silicate- de sodium au ciment. De plus, les silicates de sodium ayant un plus bas rapport silicate/soude ont une plus forte tendance -à. accélérer la gélifieation et à raccourcir les temps d1épaississement. . Dans certains trous de sonde, les conditions de pression et de 35 température peuvent nécessiter l'addition d'un agent retardateur aux fluides cimentaires, selon la présente invention. On a trouvé que certaines matières alcalines comprenant la soude caustique, la chaux hydratée, le carbonate de sodium anhydre, le carbonate de lithium, 1'hydroxyde de lithium et le chlorure de lithium 40 efficaces pour retarder la prise sans réduire notablement la BAD ORIGINAL 69 08089 -7- 2011745 sistance mécanique après lg|>rise. Ces matières sont spécialement efficaces quand elles sont combinées. Par exemple, le carbonate de sodium anhydre et l'hydroxyde de lithium ensemble sont des agents retardateurs très efficaces. 5 D'autres buts, particularités et avantages de l'inven tion résulteront encore de la description et des exemples ci-après. Sauf spécification contraire, tous les pourcentages, les rapports et les parties sont en poids. Les désignations utilisées pour décrire certains des silicates sont des noms commer-10 ciaux de produits du oommerce vendus par la Philadelphia Quartz Company. On prépare pour les essais de laboratoire suivants une boue normale qui est typique des boues hautement traitées utilisées pour le forage dans la zone de la Gulf Coast. Elle a une 15 masse volumique d'environ 1,92 kg par litre et la composition suivante : Boue normale 109,5 1 (ou kg) d'eau 6»35 kg de bentonite 20 3,175 kg de High Tield Glay 174,7 kg de barytine broyée 1,588 kg de soude caustique 6,35 kg de Spersene (lignosulfonate de chrome) 20 kg/m^ de XP-20 (humâte de potassium ayant réagi avec 25 le chrome) Les ingrédients combinés fournissent 159 litres de boue® Cette boue est une boue traitée de façon appropriée selon la présente invention car elle résiste aux effets de gélification provoqués par des additions de ciments. Par ailleurs» comme elle 30 est hautement traitée par des additifs organiques, elle empêche la prise du ciment quand elle est mélangée avec lui en quantités relativement petites. A cette boue normale, qb. ajoute divers mélanges cimentaires. Le Tableau I indique la composition de l'additif cimen-35 taire pour les mélanges des exemples i à J„ Les effets de ce ciment sur la boue normale sont donnés dans le Tableau,, bad original Exemple Plaide de forage Boue normale s Mélange cimentaire ? Ciment, % Silicate-de sodium s SS 65, yé i SS C - 200, $ S SS Ratio 4,_5> io % Pouzzolane, ^! > Carbonate de 30dium anhydre,/* Kaolin* i Variation relative rapide de la viscosité j Viscosité apparente, après mélange, centipoises î Temps d'épaississement : Minutes pour arriver à 100 polses (57,8°C) (65,6»C) (77,8°C) (87,8pC) (96,7*0) TABLEAU I B C JL g„. jG_ H J 159 1 159 1 159 1 159 1 159 i 159 1 159 1 59 kg 59 lçg 70 80 59 bti kg 54,4 75 ; kg 59 kg 59 kg 65 , 54» 4kg 75 30 20 17 7 20 15 20 17 15 10 rj 3 O vO o a> o oo nO 00 1 Néant Néant Néant Néant Néant Néant Néant 163 175 210 153 225 188 108 43 N.I.* 40 556 ne s'épaissit jamais 109 néant à 5 heures 52 K> O •^1 •lài Cn TABLEAU I (Suite) A B G Rësistànce' à la compression, après vieillissement, kg/ cm^ 20 heures (57,8°C) 40 heures'( 65,6 0 C ) 62 heures (65,6?C) 20 heures (77,890) ' 20 heures (87,8?C) ; 44 hedres ( 87,8 p C ) • 284 hedres (87., 89 0) :68 'heures (9°,79C) 68,3 73,0 63,8 52,7 "pas essayé " O* O D S H O 00 o 00 -o approx. 14 34,0 47,5 35,2 19,7 49,2 i vD I K3 O ■ta en 69 08089 -io- 201 1745 Les mélanges cimentaires sont combinés avec la boue normale en utilisant des mélangeurs à cisaillement intenset ce qui es"ténalogue à l'effet ,de mélange fourni par "lès" pompes voisines des bacs à boue sur les gisements de pétrole. Lé tendance éven-5 tuelle du ciment à gélifier la boue se manifeste à ce moment, -et on l'appelle ici variation relative rapide de la viscosité. Une fois le mélange cimentaire et le fluide de forage combinés et mélangés pendant 10 minutes, on mesure la viscosité apparente du béton à la boue résultant à l'aide d'un viscosimètre 10" du type rotatif à indication direéteV Le temps d*épaississement du béton à la.boue e^st mesuré à l'aide d'un consistomètre Halliburton. Le temps nécessaire pour "que le béton ala boue atteigne une viscosité de 100 poises à une température d'essai choisie est appelé temps d*épaississement. D'autres portions 15 du béton à la boue essayé sont placées dans des moules et mis à vieillir pendant les laps de temps indiqués à des températures d'essai choisies avant essai de la résistance à la compression. Dans les cas des exemples du Tableau I, qui sont tous selon l'invention, il y a lieu de noter qu'aucun exemple ne pré-20 sente une variation rapide de la viscosité. En d'autres termes, en raison du traitement approprié des fluides de fo.rage avant l'addition d'un mélange cimentaire, les fluides në sont pas gélifiés daas une grande mesure par le mélange. Tous les exemples • après l'opération de mélange ont des viscosités apparentes com-25 prises entre des limites acceptables pour leur refoulement de haut en bas dans la colonne de tubage et de bas en haut-par l'espace annulaire entre l'extérieur du tubage et les parois du trou de sonde. Dans les Exemples À, B et G, ..le mélange cimentaire comprend seulement du ciment et du verre de silicate de 30 sodium ayant un rapport soude/silice de 1:3,22. Le verre a été broyé de façon qu'il passe en tota'iité à travers un tamis de 0,210 mm d'ouverture de mailles. L'Exemple D est similaire aux Exemples À, B et C, à ceci près que le mélange cimentaire comprend 17 % d'une matière poussolanique du type cendre volcanique. 35 la convenance d'un mélange cimentaire selon la présente invention dépend du trou de sonde particulier qui est tubé et de la technique de cimentation utilisée. L'Exemple D est un mélange approprié pour la mise en oeuvre de la présente invention quand on désire un temps d'épaississement relativement court à 87,8®G, 40 L'exemple F est similaire aux autres exemples du Tableau I, à 69 08089 2011745 ceci près que le silicate de sodium utilisé comme partie du mélange cimentaire a un rapport soude/silice de T:2 et a été broyé de façon qu'il passe en totalité à travers un tamis de 0,074 mm d'ouverture de mailles. Dans l'Exemple G, le mélange 5 cimentaire contient un silicate de sodium ayant xujTapport soude/silice de 1:4,5. Il y a lieu de noter que la boue normale avec addition de ce mélange cimentaire ne s'épaissit pas dans le consistomètre de laboratoire à 87»&°C en 5*5 heures. Par conséquent, ce mélange serait utilisable seulement dans des 10 puits très profonds où la température du trou de sonde dépasse 93°C environ. Dans l'exemple H, le mélange cimentaire comprend deux types de silicate de sodium et une petite addition de carbonate de sodium anhydre, constituant, comme l'a trouvé la demanderesse, un retardateur efficace pour le mélange cimentaire. 15 l'Exemple H présente une longue durée d'emploi à une température de 96,7°C. L'Exemple J montre que la réaction de prise de mélanges cimentaires selon la présente invention doit être amorcée par une température appropriée. L'Exemple J ne présente pas de tendance à un épaississement dans le consistomètre après 20 5 heures à 57,8°0. Toutefois, quand la température est portée à 87»8°C, le mélange s'épaissit à 100 poises en 52 minutes. Les Exemples dans le Tableau IX ne sont pas conformes aux enseignements de la présente invention, car ils ne fournissent pas une résistance mécanique suffisante. TABLEAU II Exemple Fluide de forage Boue normale s Mélange citentaira s Ciment, $ s Silicate' de sodium SS-65, f s SS-C,' Sfr. X Kaolin, s Variation relative rapide d© la viscosité % Viscosité apparente apyès mélange, Centipoises s Temps d'épaississements ■ Minutes pour arriver à 100 poises(87,8°C)j Résistance à la compression après vieillissement, kg/cro^ (20 heures) (87,8°C) (140 heures) (87,8«C) x N.ï» signifie "pas essayé" & 159 1 72,6 kg 100 Néant 193 N.ï.a gel mou pas de prise M 159 1 45,4 kg 100 Néant 363 H.®,* N 159 1 18,1kg 80 * 20 Néant 83 20 0 159 1 18,1kg 80 20 Néant 113 12 O sO O 00 o 00 vO I -à ro i gel dur pas de prise gel dur pas de prise gel mou pas de prise gel dur pas de prise K> O en 69 08089 13 2011745 Les Exemples L et M ne contiennent pas de -verre de silicate de sodium. Les résultats montrent que la boue de forage hautement traitée détruit la capacité de prise du ciment en l'absence de silicate de sodium. Les Exemples jn et O iiontrent que 5 le silicate de sodium sans ciment, toutefois, ne fournit pas une résistance mécanique suffisante. Les Exemples du Tableau III ne sont pas conformes aux enseignements de la présente invention. Ils sont inclus pour montrer que l'agrégat de boue doit être traité d'une façon ap-10 propriée et que seulement les verres de silicate de sodium ayant un rapport silice/soude compris entre 2:1 et 4,5:1 sont des agents appropriés pour surmonter les effets du produit chimique introduit par les boues hautement traitées. On prépare deux boues spéciales du type "gyp" ayant la composition suivante : 15 Boue spéciale A Boue spéciale B Masse volumique, kg/1 1,74- 1,38 Eau 120,8 1 (115,2kg) 119,5 1 (119,5kg) Gasoil 15,9 1 (12,7 kg) 15,9 1 (12,7 kg) High Yield Clay 18,8 kg 13,6 kg 20 Barytine 145,6 kg 72s6 kg Driscose (carboxyméthyl- cellulose sodique) 91 g ~ 91 Tannathin (lignite pour boue de forage) - 2,72 kg 1,81'kg 25 Soude caustique 739 g 454 g Gypse • -2,27 kg 2,27 kg Spersene (lignosulfonate de chrome) .2,72 kg Ces boues spéciales et la boue normale décrite ci-dessus 30 sont utilisées dans les Exemples du Tableau III. i> D g 0 Exemple : Boue de forage Boue normale (1,92 kg/1) : E cl H • Boue spéciale A (1,74 kg/l) Boue spéciale B (1,38 kg/1) Mélange cimentaire Ciment, Kg : Silicate de sodium Poudre G t ■' » Poudre GE : Metéo anhydre î Silicate de1sodium type È : Silicate de sodium type N : Pouzzolane, kg, : Carbonate de sodium anhydre,kg : Variation relative rapide de la viscosités Viscosité apparente.après mélange, centi-pois^js : Temps 'd'épaississement : Minutes pour arriver à 100 poises / - (82,2°C) : , £ .. (87, -8°C) : Résistance â la compression, après vieil-, lis sèmentkg/çm^ . ;; (20 heu^eg) (8g, 2*0'); : " (4:4 heures) (8$, 2?Cf.. : . 7> P TABLEAU III Q 79,5 1 9,5 159 1 R 71,9 159 1 S .. T U V W 1 159 1 159 1 159 lv' 159 1 159 1 213,2 85,3 213,2 4,5 kg 9,5 1 38,3 , 38,3 16,4kg 38,3 38,3. 38,3 11,'9 kg 11,7 1 13,1 a,85 8,85 1,77 1,77 15,9 1 8,85 8,85 8,85 1,77 . 1,77 .1,77 N.T.XÏ très itrès forte forte N.T.36K 175 N.T.*» 200 M. T. ne s'épais^-sit jamais N.T.** 220 N.T.s N.Tj* N.T.s N.I.ai N.T.s N.Ï.* 183 N.î.x gel dur pas de pas prise de prise s bouillie épaissie trop vite pour qu'on puisse effectuer l'essai 3S3î consistance trop forte pour les mesures O nO o CD O OO -O 13,7kg Néant Néant Néant, Néant N.ïxs N.;ÎXS N.Txx 4,5 N.T.s N.T.* N.Txs i i K> O -fc* en 69 08089 ~15~ 2011745 les Exemples P, Q et R montrent que les boues du type "gyp" se gélifient immédiatement lors du mélange, ou alors ont une très forte augmentation rapide de la viscosité quand elles sont combinées au mélange cimentaire comprenant le silicate an-5 hydre Metso, le silicate de sodium du type I> ou le silicate de sodium du type ÏT. le silicate de sodium anhydre Metso a un rapport soude/silice de 1:1. Le type D est un silicate de sodium liquide ayant un rapport soude/silice de 1:2 et comprenant 44 % de matière solide silicate. Le type K est un silicate de sodium 10 liquide ayant un rapport soude/silice de 1:3,22 et comprenant 37*6 % de matières solides. Les Exemples S, ï et 1J montrent que même avec la boue normale traitée d'une façon appropriée, les silicates de sodium Metso anhydre, du type D et du type ET ne sont pas utilisables dans la présente invention parce qu'ils réagis-15 sent trop rapidement. Les Exemples Y et W montrent que la poudre du type G, un silicate de sodium hydraté ayant un rapport soude/ silice de 1:3,22 et contenant 19 % d'eau et la poudre du type GB, un silicate de sodium ayant un rapport soude/silice de 1:2 et contenant 18 % d'eau sont inutilisables aussi dans la pré-20 sente invention parce qu'ils réagissent aussi trop rapidement. Il y a lieu de noter qu'en raison de 1'épaississement très rapide de la plupart des exemples dans 1© ïefeleau III, il est difficile de distinguer la forte variation rapide de viscosité d'une réaction rapide du ciment, toutefois, les deux sont également 25 mauvaises. Les boues de forage présentes à tous les chantiers de forage ne sont pas hautement traitées. Par conséquent, pour les rendre utilisables pour les buts de la présente invention, il peut être nécessaire qu'on traite les boues avant l'addition du 30 mélange cimentaire. Les Exemples X et T, décrits dans le Tableau IV, sont préparés à partir des boues spéciales du type "gyp** (boues spéciales A et B) dé^à décrites. On prépare l'exemple Z en utilisant une boue non-traitée spéciale ayant- la composition suivante : 55" Boue spéciale C Masse volumique 1*69 kg/1 Eau 120,7 1 (120,7 kg) Bentonite du Wyoming 9,75 kg Barytine 124,7 kg I O o JO 9 z p Exemple- ; Fluide de forage Boue spéciale A (Boue MGyp's 1,74 kg/1), litres Boue spéciale B (Boue "Çyp" 1,38 kg/1), litres Boue spéciale 0 (Boue nôn traitée, 1£9kg/l pitres Traitement supplémentaire-Extrait de qué'bracho, kg Uni-Gai, kg Kembreak, kg Tannathin, kg Spersene, kg §oude caustique, kg Mélangé cimentaire, kg/m3 au total Ciment, % SS-65,silicate de sodium,% Pouzzolane, % Carbonate de. sodium anhydre, % Variation relative rapide de Très la viscosité forte Viscosité apparente après Cbnsis-mélange, cPo tance excessive Temps d'épaississement, min. NT* Essais de résistance à la compression Tempér.de vieillissent ,°C Consis-Hésistance, kg/cm2 tance excessive pour essai * NT signifie."pas easayC" TABltëAU IV XÂ XB XC I YA YB YC Z ZA ZB ZC ZD nazis#* ZE 159 159 159 159 159 1,8 0,9 1,8 0,9 0,45 0,23 370 65,? 17 14 3,5 370 370 370 370 65,5 65,5 65 65,5 17 17 17 17 14 14 15 14 3,5 Néant 178 NT* 3,5 3 3,5 Né- Né- Très ant ant forte 165 165 Consistance excessive NT* NT* NT* 87,8 87,8$7,8Ooatfs-■91,0 39,4 56*4tance 20 20 . 44. excessive pour essai 159 159 159 159 1.59 159 159 159 159 3,6 2,7 1,8 3,6 1,8 3,6 1,8 1,8 0,68 099 1,8 0,45 0,27 0,45 0,27 1,36 370 370 370 370 370 370 370 370 370 65,5 65,5 65,5 65,5 65,5 65,5 65,5 65,5 65,5 17 17 17 17 17 17 17 17 17 14 14 14 14 14 14 14 14. 14 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 uNé- Né Né Très Né Né Né- Né- Très ant ant ant forte ant ant ant ant fort?e 27 3Q 45 CtonKls-130 158 150 188 210 tance exces «■* sive NT* NT* NT* NT* NT* NT* NT* NS* NT* 87,8 87,8 87,8 Gcaisis-87,8 87,8 87,8 87,8 87,8 62,6 86,6 18,7 tance 29,2 9,84 32,6 23,8 30,6 20 20 20 exces - 20 20 20 20 68 sive pour essai O* vO O 00 o c» -A GT> I K> O ^4 en 69 08089 ~17" .2011745 Le Tableau XV montre .que même avec le mélange cimentaire de la demanderesse.comprenant un verre de.silicate de sodium pulvérisé ayant un rapport soudô/silide compris entre 1:2 et 1:4,5, des boues qui ne sont pas hautéme'nt traitées ne sont pasS'utili-5 sables (Exemples X, Y et Z). Par addition de 11,4 kg/m^ d'extrait de québracho et 5,7 kg/m^ de soude caustique à la boue spéciale A, elle devient une boue traitée d'une façon appropriée (Exemple XA). L'addition de 11,4 kg/m^ de Uni-Cal (un lignosulfonate de ■5 chrome) et 2,86 kg/nr de soude caustique fait aussi de la boue A 10 une boue traitée de façon appropriée (Exemple XB). Il y a lieu de noter que cette boue contenait initialement 17,1 kg/nr de Tannathin (lignite) et 17,1 kg/m^ de Spersene (un lignosulfonate de chrome). On a trouvé que la boue spéciale B pourrait devenir une boue traitée de façon appropriée après addition de 22,85 kg/ 15 ss? de Kembreak (lignosulfonate de calcium), 22,85 kg/m"' de Tannathin ou 22,85.kg/m^ d'extrait de québracho et une petite addition de soude caustique (Exemples YA, YB et.YG). La boue spéciale C, qui est une boue non traitée, pourrait être traitée z d'une façon appropriée par l'addition de seulement 11,4 kg/nr 20 de Spersene plus 2,86 kg/m^ de soude caustique, ou de 11,4 kg/m^ de Kembreak plus 1,71 kg/m^ de soude caustique (Exemples ZA et ZB)..La boue de l'Exemple ZE est traitée par une quantité supplémentaire d'extrait de québracho, mais a encore une très forte variation rapide de- viscosité. Cette boue particulière pourrait 25 être rendue utilisable, toutefois, par une petite addition d'eau. L'expert en traitement de boues de forage peut déterminer des traitements appropriés. Pour que les additions de lignite, de tannins, de lignosulfonates, etc, soient efficaces, il est nécessaire qu'on ajoute 30 une quantité appropriée de soude caustique. Par exemple, on ajoute normalement 1 kg de soude caustique chaque fois qu'on ajoute 4 kg de Spersene. Quand on utilise un tannin.' comme l'extrait de québracho, il est de pratique usuelle d'ajouter 1 kg environ de soude caustique chaque fois qu'on ajoute 2 kg d''extrait de qué-35 bracho. Dans le cas du Tannathin, on ajoute normalement environ 1 kg de soude caustiqus chaque fo.is qu'on ajoute 6 kg de Tannathin. Les exemples "à«-Tableau V sont conformes aux-enseignements de la présente mention et montrent l'efficacité de cer-40 tains composés ppur prolonger le temps d'épaississement de mé 69 08089 -18- 2011745 langes de cimentation et de fluides de forage, les agents retardateurs seront utilisés dans des puits profonds ayant des températures assez élevées. Il y a lieu de noter que ces agents retardateurs sont efficaces seulement dans le cas de verres de silicate de sodium ayant un rapport soude/silice compris entre 1:2 et 1:4,5» À titre de comparaison, on trouve que le^égents retardateurs les"plus efficaces découverts par la demanderesse ne sont pas efficaces pour retarder la prise rapide provoquée par le silicate de sodium anhydre Metso. TABLEAU Y Exemple ; Plaide de forage Boue normale : Mélange cimentaire: (Jsg): Ciment s 'Silicate de sodium S3-65 s Pouzzolane : Kaolin : Chaux hydraté® s Carbonate de sodium anhydre i Carbonate de lithium i Hydroxyde de lithium s Variation relative rapide d© Viscosité î Viscosité apparente, après mélange,q?o s Temps d'épaississement Minutes pour arriver àlQO (87,8°G) s poises Résistance à la compression, après vieillissement,kg/cm1' (20 heures) (87,8<>C) (40 heures) (87,8^0) (68 heures )( 87,°8»C) (90 heures) (87,89Q) AA 54»2 75 * 20 * 5 * AB 54,4 70 * 20 * 5 % 5 * M AD AE AJF AG ah AI 159 1 159 1 159 1 159 1 159 1 159 1 159 1 59,0 78 * 63 * 59»S 68 * 59'2 68 * 59»2 68 * 59,0 .65 * 59,0 65 * 17 * 15 * 16,5* 14,5* 3 * 17* 15 * 17 * 15 * 17* 15* 17 * 15 * 3 * 17 * 15 * 3 * 0,45 kg 0,45kg 0,23kg 0,45 kg Eféant Néant Néant Néant Néant Néant Néant Néant Néant 135 155 210 148 203 175 200 183 200 pas 21 173 38 90 36 85 255 d'épais- 114 . . ■ . aieaement en 400 minutes» 2X,7 13,6 32,3 30,6 32,7 28,8 moine de 3,5 33,6 43,1 37,7 ... 49,6- 37,3 56,7 • 67,2 59,1 41,6 45,5 55,4 30,6 O *0 O 00 o co sO i vo I ro o -■4 -t* en 69 08089 -20- 2011745 Les Exemples AA et AB montrent l'efficacité de la chaux hydratée comme agent retardateur. Les Exemples AC et AB montrent 1*efficacité du carbonate de sodium anhydre comme agent retardateur. Les Exemples AE et Aï" montrent l'efficacité du carbonate 5 de lithium comme agent retardateur. Les Exemples AE et AG montrent l'efficacité de I'hydroxyde de lithium comme agent retardateur. Les Exemples AH et AI montrent l'efficacité d'une combinaison de carbonate de sodium anhydre et d*hydroxyde de lithium comme agents retardateurs. A l'exception de fortes additions 10 d'hydroxyde de lithium, les agents retardateurs prolongent le temps d'épaississement sans réduire beaucoup la résistance à la compression après 20 heures. En résumé, on a trouvé que des matières comprenant la soude caustique, la chaux hydratée, le carbonate de sodium anhydre, le carbonate de lithium, 1'hydroxyde 15 de lithium et le chlorure de lithium sont efficaces pour retarder la prise des présents mélanges cimentaires. Ces matières sont spécialement efficaces quand elles sont combinées. Par exemple, le carbonate de sodium anhydre et 1'hydroxyde de lithium ensemble sont des agents retardateurs très efficaces. 20 Les mélanges cimentaires, selon la présente invention» ont réduit la tendance à la perte de résistance mécanique après des laps d© temps prolongés à des températures élevées. Par exemple, le mélange A3) du Tableau T aurait une résistance à la o compression d1 environ 114 kg/cm*" après 500 heures de vieillisse- 25 ment à 37,8*0., Si la température de vieillissement était portée à 152SGS la résistance serait réduite à 52,7 kg/cm . Il est usuel que les ciments classiques pour puits de pétrole contenant de 1s bentonite présentent une réduction de résistance comprise entre 75 ©t 90 % après de longues périodes de vieillissement à 30 de hautes températures» On s trouvé que les retardateurs de prise bien connus suivants sont inefficaces ou se comportent comme des accélérateurs dans les présents mélanges cimentaires : sucre, îFaCl, CMC, gluco- :aate de sodium, acide tartrique3 borax, acide gallique, acide 35 aaléiçne, acide pyrogallique, phosphates de sodium. Il y a lieu de noter que les bétons à la boue selon les enseignements de la présente invention sont utilisables non seulement dans la cimentation primaire, mais aussi dans la cimentation secondaire, le colmatage et d'autres applications dans les puits 4G de pétrole et de gaz. Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre décrits, et qu'on peut y apporter toutes variantes. 69 08089 21 201 1745 - BEVENDICATIPUS - 1 - Un procédé, pour la cimentation d'une colonae .de tubes dans un trou de sonde,selon lequel. ; ... 1) on prépare un fluide de forage aqueux comprenant des 5 minéraux argileux traités.par un alcali et des dispersants .organiques choisis parmi les lignites, les tannins, les lignosulfonates et leurs mélanges, les.dispersants étant présents en quantité suffisante pour rendre le fluide résistant à l'effet gélifiant d'additions de ciment, ce fluide ayant une masse volumique d'au 10 moins 1,2 kg/litre, 2) on mélange à ce fluide de forage, de façon à former un béton à la boue, une quantité de 285 à 570 kg/m^ d'un mélange cimentaire comprenant du ciment hydraulique et du verre de silicate de sodium pulvérisé dans un rapport compris entre .6:1 et 15 2:1, ce verre de silicate de sodium ayant un rapport ïï"a20:Si02 compris entre 1:1,6 et 1:4,5, 3) cm refoule le béton à la boue de haut .en bas dans la colonne de tubes et de bas en haut dans l'espace annulaire entre la colonne de tubes et les parois du trou de sonde, et 20 4) on permet la prise du béton à la boue sous l'effet de la température plus élevée dans le trou de sonde. . 2 - Un procédé selon la revendication 1, dans lequel on ajoute une quantité de matière alcaline suffisante pour retarder la prise du 'fluide de forage avec le mélange cimenteux ajouté 25 tandis qu'il est refoulé de haut en bas-dans la colonne de tubes et de bas en haut dans l'espace annulaire entre la colonne de tubes et les parois du trou de sonde. 3 - Un procédé selon la revendication 1, dans lequel on ajoute au béton à la boue une quantité suffisante d'un mélange 30 d'au moins une des matières du groupe constitué par l'hydroxyde de calcium, le chlorure de lithium, l'hydroxyde de lithium, le carbonate de lithium, l'hydroxyde. de sodium et le. carbonate de sodium anhydre pour empêcher la prise de ce béton à la boue tandis qu'il est refoulé de haut en bas dans la colonne de tubes 35 et de bas en haut dans l'espace annulaire entre la colonne de . tubes et les parois du trou de sonde. 4 - Un procédé selon la revendication 1,. dans lequel le mélange cimenteux coipsid jusqu'à environ 25 % de matière du type pouzzolane. -22- 6908089 2011745 5 - Un procédé selon la revendication 1, dans lequel le mélange cimentaire comprend typiquement 65 % de ciment Portland, 17 % de silicate de sodium pulvérisé ayant un rapport soude/silice de 1:3,22, 15 % de cendre volcanique broyée ayant des pro- 5 priétés de pouzzolane et 3 ^ de carbonate de sodium anhydre. 6 - Un procédé de traitement de fluides de forage pour les rendre cimentaires en présence d'une température élevée, selon lequel : 1) on ajoute une quantité suffisante d'un alcali caus- 10 tique et d'un dispersant choisi parmi les lignites, les lignosulfonates, les tannins èt leurs mélanges pour rendre le fluide résistant à l'effet gélifiant d'additions de ciment, 2) on ajoute au fluide de forage de 285 à 570 kg/nr* d'un mélange cimentaire comprenant du ciment hydraulique et du verre 15 de silicate de sodium pulvérisé dans un rapport compris entre 6:1 et 1:1, ce verre de silicate de sodium ayant un rapport soude/silice compris entre 1:1,6 et 1:4,5» 7 - Un procédé selon la revendication 6, dans lequel le fluide est traité par une quantité de dispersant comprise entre i 20 11,4 et 57 kg/m*. 8 - Un mélange cimentaire pour addition à des fluides de forage qui ont été suffisamment traités par des dispersants organiques choisis parmi les lignites, les tannins, les lignosulfonates et leurs mélanges pour rendre le fluide résistant à l'ef- 25 fet gélifiant d'additions de ciment, comprenant du ciment hydraulique et du verre de silicate de sodium pulvérisé dans un rapport compris entre 6:1 et 1:1, ce verre de silicate de sodium ayant ua rapport soude/silice compris entre 1:1,6 et 1:4,5. 9 - Un mélange selon la revendication 8, dans lequel il 30 y a une quantité de matière alcaline suffisante pour retarder la prise du fluide de forage avec des quantités ajoutées de mélange cimentaire tandis qu'il est refoulé de haut en bas dans la colonne de tubes et de bas en haut dans l'espace annulaire entre la colonne de tubes et les parois du trou de sonde. 55 10 -- Un mélange selon la revendication 8, dans lequel il y a une quantité suffisante d'un mélange d'au moins une des matières du groupe constitué par l'hydroxyde de calcium, le chlorure de lithium, l'hydroxyde de lithium, le carbonate de lithiumj l'hydroxyde de sodium et le carbonate de sodium anhydre pour em- 40 pêcher la prise tandis que le fluide de forage avec le mélange 69 08089 -23- 2011745 cimentaire est refoulé de haut en bas dans la colonne de tubes et de bas en haut dans l'espace annulaire entre la colonne de tubes et les parois du trou de sonde. 11 - Un mélange selon la revendication 8 comprenant jus-5 qu'à 25 % environ de matière du type pouzzolane. 12 - Un mélange selon la revendication 8 qui comprend typiquement 65 % de ciment Portlant, 17 % de silicate de sodium pulvérisé ayant un rapport soude/silice de 1:3,22, 15 % de cendre volcanique broyée ayant des propriétés de pouzzolane et 3 % 10 de carbonate de sodium anhydre.