FR 2525141 A1 19831021 FR 8305933 A 19830412 i APPAREIL ET PROCEDE POUR CIMENTATION EN MOUSSE La présente invention concerne un procédé et un appareil de cimentation avec un lait de ciment contenant un gaz; plus particulièrement, elle concerne la cimentation d'une cavité dans une formation souterraine Couramment, de telles cavités sont créées ou rencontrées dans le forage de trous de sonde dans la production de pétrole ou de gaz ou de fluides géothermiques à partir de la terre L'invention est spécialement adaptée à l'utilisation de ciments "en mousse" dans la complétion de tels puits à de grandes pro- fondeurs ou dans des formations souterraines peu résistantes qui sont facilement fracturées par des laits de ciment ayant des poids ordinaires. Traditionnellement, les laits de ciment à utiliser dans de telles applications ont été préparés en mélangeant du ciment sec et des additifs avec de l'eau et des additifs liquides dans des réservoirs de mélange en utilisant une agitation mécanique de manière à obtenir des bouillies re- lativement homogènes Des laits de ciment aérés ou gazéifiés (c'est-à-dire "en mousse") ont été préparés pour des appli- cations en surface par addition d'un agent moussant ou d'un agent d'entraînement d'air dans le réservoir de mélange. Pour utilisation dans des applications souterraines de ciment en mousse, le lait de ciment a été préparé de la manière tra- ditionnelle, un agent moussant a été ajouté ensuite au lait de ciment à un point situé en aval du réservoir de mélange, et de l'air (ou un gaz comme de l'azote) a été ajouté ensuite au lait de ciment à un point situé encore en aval, avant introduction de la bouillie dans la formation souterraine. L'opération de mélange du gaz ainsi ajouté était effectuée par la turbulence créée par l'écoulement de la bouillie dans le conduit ou par l'énergie du gaz lui-même Cette turbulen- ce était créée par l'injection d'air, sous pression, sensi- blement à angle droit par rapport à l'écoulement du lait de ciment dans le conduit, par un "té" ou un "y" dans le conduit; brevet britannique n 819 229. Toutefois, ces façons d'ajouter un gaz à un lait de ciment n'ont pas toujours donné un mélange uniforme de gaz et de bouillie Quand on cimente un puits qui n'a pas une contre-pression positive, le ciment en mousse préparé peut ne pas être un mélange uniforme de gaz et de bouillie car un réglage précis des constituants liquide et gazeux est difficile à effectuer. Des duses ont été largement utilisées dans les gisements de pétrole pour régler le débit de fluides à haute pression sortant de puits Ces duses sont habituellement centrées dans une conduite d'écoulement de manière que la vitesse du fluide diminue dans une mesure telle que le flui- de qui se dégage n'érode plus la paroi de la conduite Un système de duses opposées, similaire à celui décrit ici, a été utilisé pour relâcher la pression de fluides de gise- ments de pétrole, comme décrit dans la demande de brevet des E U A ne 185 087 déposée le 8 Septembre 1967 aux noms de Warren M Zingg et autres. L'invention concerne plus particulièrement un procédé pour préparer un lait de ciment contenant un gaz, sensiblement uniforme, selon lequel: a) on fait arriver à un point situé à l'intérieur d'une chambre de recueil un lait de ciment hydraulique contenant un gaz sous la forme de deux courants opposés, sous pression, sensiblement monodirectionnels, de force généralement égale et opposée; et b) on évacue de la chambre de recueil le lait de ciment contenant un gaz sensiblement uniforme résultant; ledit point étant un point focal commun pour le vecteur de force majeur de chaque courant De cette manière, un mélange extrêmement bon du lait de ciment hydraulique se produit et le gaz s'y trouvant contenu est distribué de manière homogè- ne dans la bouillie sous la forme de bulles discrètes d'un très petit diamètre sensiblement uniforme Ainsi, on peut préparer un ciment en mousse ayant, après sa prise, une extrdmement faible perméabilité aux fluides Cela le rend utile pour la cimentation de cavités dans des formations souterraines comme on en rencontre dans le forage ou la complétion de puits de pétrole, de gaz ou géothermiques. Une bouillie sous la forme d'une telle mousse uniforme de bulles très fines a l'avantage par rapport aux bouillies en mousse antérieures de pouvoir Otre mise en place dans des cavités souterraines sans que le constituant gazeux se sépa- re des constituants liquide et solide de la bouillie Le Procédé est utile aussi pour préparer des laits de ciment en mousse pour mise en place dans la construction de bâtiments sur la surface de la terre. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'inven- tion, on va en décrire maintenant, à titre d'exemples pure- ment illustratifs et non limitatifs, des dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, ces dispositifs étant représentés sur le dessin annexé. Sur ce dessin: la figure 1 représente schématiquement un équi- pement et un système de canalisations utiles pour la mise en oeuvre de l'invention, la figure 2 est un schéma d'un ensemble préféré de canalisations qui permet que les dispositifs de réglage de pression de l'appareil soient contournés quand on le désire, la figure 3 est une vue en coupe à plus grande échelle d'une duse qui est un dispositif de limitation de pression utilisé dans l'appareil de mélange dans un mode de réalisation préféré de l'invention. On peut mettre en oeuvre le procédé selon l'inven- tion en préparant une bouillie aqueuse de ciment hydraulique avec un quelconque d'un certain nombre de dispositifs de mé- lange de ciment utilisés commercialement Ils comprennent un réservoir de mélange agité, un mélangeur à jet venturi et les camions à mélangeur rotatif pour ciment que l'on voit couramment dans les travaux de construction Les moyens de préparation de la bouillie ne sont pas un élément critique de la présente invention. Une fois la bouillie préparée, elle est amenée par un moyen de transfert dans un premier conduit fermé Le moyen de transfert de la bouillie peut #tre une pompe hydrau- lique courante telle qu'une pompe volumétrique à triple cylindre appelée couramment pompe "triplex" Cette pompe est largement utilisée sur les champs pétrolifères Le moyen de transfert n'est pas critique du moment qu'il est capable de transporter une bouillie liquide/solide à une vitesse appro- priée et une pompe centrifuge peut aussi Etre utilisée à cet effet Le moyen de transfert de la bouillie est utilisé pour transporter la bouillie dans un premier conduit fermé qui est désigné sur la figure 1 par le chiffre de référence Ce conduit peut &tre une longueur normale de canalisa- tion qui peut être reliée au moyen de transfert de la bouil- lie par utilisation de raccords et tuyaux normaux utilisés dans le traitement des puits de pétrole. A la bouillie dans le conduit, on ajoute un agent moussant qui peut être n'importe quel agent tensio-actif approprié utilisé couramment pour la production et la stabi- lisation de mousses Cet agent tensio-actif peut #tre choisi parmi des agents tensio-actifs non-ioniques, anioniques et cationiques, dont un large assortiement est disponible L'in- jection dans le conduit de transport de la bouillie peut être effectuée par un moyen de transfert approprié quelconque tel qu'une petite pompe de mélange de liquides qui peut &tre reliée au conduit par un raccord en "té" ou par un raccord en "y" relié de manière appropriée au conduit Il n'est pas recommandé d'ajouter l'agent moussant à la bouillie en amont d'un moyen de transfert de la bouillie tel qu'une pompe triplex Si on le faisait, il pourrait en résulter que du gaz soit entraîné dans la bouillie, rendant difficile la manipu- lation d'un tel mélange transformé en mousse par des pompes qui ne sont pas spécialement prévues à cet effet Cela cause des problèmes qui peuvent être évités par addition de l'agent moussant en aval du moyen de transfert. Dans le conduit contenant la bouillie, on ajoute aussi un gaz en quantités appropriées et à un débit convena- ble pour que l'on obtienne un lait de ciment contenant un gaz ayant le rapport gaz/lait de ciment désiré pour l'appli- cation prévue Ordinairement, pour des applications concer- nant les gisements de pétrole, on ajoutera une quantité de gaz suffisante pour obtenir comme résultat une bouillie contenant un gaz d'une masse volumique d'environ 600 kg/m 3 ( 5 livres par gallon) ou plus Le gaz à ajouter peut &tre n'importe quel gaz facilement disponible Pour des raisons de facilité et de commodité, on peut choisir l'air, l'azote ou l'anhydride carbonique Das gaz inflammables sont généra- lement à éviter en raison du danger qu'ils présentent En variante, un agent produisant un gaz peut 9 tre ajouté au lait de ciment pour former le gaz in situ Des poudres d'aluminium ou de magnésium métallique sont de tels agents producteurs de gaz qui ont été utilisés antérieurement dans la cimentation des puits de pétrole Toutefois, en raison de la nature explosive de l'hydrogène produit dans une telle application, d'autres agents produisant un gaz inerte (comme ceux qui ont été utilisés dans la technique de formation de mousse ou de soufflage des matières plastiques) sont préférés à ces métaux La figure 1 représente schématiquement l'addi- tion de l'agent moussant et du gaz au lait de ciment dans le conduit 10. Après l'addition de l'agent moussant et du gaz, la bouillie contenant le gaz dans le conduit l Oest mise en contact avec un moyen pour diviser la bouillie contenant le gaz en deux courants généralement égaux Ce moyen de division est représenté sur la figure 1 par un ensemble de tuyaux 11 constituant un "raccord en té" D'une manière similaire, un raccord en "y" dans la canalisationpeut Otre utilisé pour diviser la bouillie du conduit Io en deux courants générale- ment égaux. Ce moyen de division pour le lait de ciment est en communication de fluide avec un deuxième conduit 12 et un troisième conduit 13 qui servent à conduire les deux courants de bouillie à un premier et à un second dispositif de réglage de pression représentés de manière générale par les chiffres de référence 14 et 15 Les dispositifs ont chacun un orifice, ces orifices étant espacés l'unde l'autre et en alignement opposé direct l'un avec l'autre Ces dispositifs de réglage de pression sont prévus pour délivrer la bouillie contenant le gaz en deux courants sous pression de force généralement égale à un point focal commun, en ligne, qui est désigné par le chiffre de référence 16 Ce point focal se trouve à l'in- térieur d'une chambre de recueil désignée dans son ensemble par le chiffre de référence 17, de laquelle le lait de ciment, sensiblement uniforme et contenant un gaz, résultant est évacué pour Etre amené au point o on désire mettre en place le lait de ciment par un conduit 18 ou un autre moyen. Les dispositifs de réglage de pression désignés par les chiffres de référence 14 et 15 sont de manière appro- priée les orifices formés par les extrémités de deux éléments de canalisation opposés dirigés vers le point focal commun 16 dans une chambre de recueil qui est représentée par le simple "raccord en té" en 17 sur la figure 1 En variante, quand les diamètres des conduits 12 et 13 sont suffisamment grands pour qu'il ne se produise pas de chute de pression importante à travers leurs orifices respectifs, un disposi- tif réducteur de débit peut être placé dans les conduits en 14 et 15 de manière à créer une chute de pression suffisante pour donner une force importante aux deux courants de bouil- lie Cela permet que les deux courants viennent en contact avec une force importante et que l'on obtienne ainsi un bon mélange et un bon cisaillement de la bouillie autour du point de contact 16 dans la chambre de recueil 17. Bien que les figures l et 2 représentent l'ensem- ble comme un dispositif en forme de boucle ayant une source commune de bouillie, il sera évident pour l'homme de l'art que plus d'une source de bouillie pourrait alimenter la "boucle" ou que la boucle pourrait être divisée de façon que chacun des orifices de réglage de pression laisse échapper des courants de bouillie sous pression provenant de sources séparées. Sur la figure 2, on a représenté un mode de réali- sation préféré de l'ensemble "en boucle", o le lait de ciment contenant un gaz est amené par le premier conduit fermé 20 à un moyen de division désigné par le chiffre de ré- férence 21 qui, au lieu d'être un "raccord en té" ou un "cou- de en y" est représenté plutôt par un croisement à quatre di- rections Une branche du croisement est prévue pour recevoir la bouillie provenant de 20, deux branches sont prévues pour diviser la bouillie en deux courants généralement égaux et font passer ces courants dans un deuxième conduit 22 et un troisième conduit 23 La quatrième branche est prévue pour permettre à la bouillie de continuer son passage à une cana- lisation sensiblement directe vers une chambre de recueil 27, ou vers un point situé en aval de la chambre de recueil, par un conduit 290 et une valve 291 quand cette valve est dans une position ouverte. Quand la valve 291 est dans une position fermée, l'appareil sur la figure 2 fonctionnera exactement de la même manière que l'appareil représenté sur la figure 1 Les deux courants de bouillie s'écoulent alors par les conduits 22 et 23 pour être dirigés vers un point focal commun 26 dans la chambre de recueil 27 en passant par des orifices dans les dispositifs de réglage de pression 24 et 25 Chaque dispositif de réglage de pression comprend une duse qui est un dispositif courant pour limiter le débit, prévu pour incorporation comme segment d'une canalisation, et que l'on utilise couramment dans les opérations sur les gisements de de pétrole Une représentation en coupe, en agrandissement, d'une telle duse est fournie par la figure 3. L'appareil préféré de la figure 2 présente un avantage par rapport à celui de la figure 1 en ce que les fluides peuvent être refoulés directement par le conduit 290 quand la valve 291 est dans une position ouverte, ce qui évite un débit important de fluide dans les conduits 22 et 23 Cela peut être particulièrement avantageux dans la cimentation dans des champs pétrolifères, car on doit refou- ler en avant du lait de ciment ou derrière lui des fluides sensibles à la pression tels que des fluides séparateurs gélifiés ou des boues de forage De plus, des laits de ciment normaux ne contenant pas du tout de gaz peuvent &tre refoulés devant ou derrière le lait de ciment en mousse comme laits de ciment de tête ou de queue lors de la cimentation de cavitbs souterraines Comme l'utilisation de fluides multiples est courante dans les applications de cimentation concernant les champs pétrolifères, l'appareil préféré de la figure 2 est spécialement adapté à une telle utilisation. L'appareil de la figure 2 est employé utilement aussi dans la mise en place de laits de ciment en mousse dans des applications en surface En donnant des dimensions appropriées aux conduits 22, 23 et 290, on peut obtenir un passage de bouillie dans les trois conduits en comnençant le pompage avec la valve 291 dans la position fermée et en ouvrant ensuite lentement la valve 291 de manière à obtenir un maximum de pression au point 26 De cette façon, du lait de ciment en mousse est déchargé du conduit 28 avec une vitesse notable, ce qui peut aider à la mise en place de ce lait de ciment dans des positions difficiles à atteindre com- me dans des coffrages verticaux utilisés pour former des murs ou d'autres structures architecturales. Dans des applications concernant les gisements de pétrole, il ne sera généralement pas nécessaire d'avoir une valve variable Un simple passage à travers une valve à bille qui est sélectivement dans une position ouverte ou fermée peut être utilisé de manière appropriée dans de telles applications. On peut faire varier les matériaux de construc- tion selon ce qui est commode, en tenant dément compte des limitations concernant la pression à laquelle l'appareil particulier sera exposé L'acier est le matériau de construc- tion le plus classique et est donc utilisé de préférence. Des tuyaux et raccords de qualité normale pour traitement de gisements de pétrole peuvent être utilisés pour assembler l'appareil représenté sur les dessins. L'exemple suivant illustrera encore l'invention. Un ensemble tel que décrit ici et illustré par la figure 2 a été utilisé pour cimenter un tubage de 14 cm ( 5,5 pouces) jusqu'à une profondeur d'environ 2490 m ( 8300 pieds) dans un trou de sonde foré précédemment On a refoulé d'abord environ 8 m 3 ( 50 tonneaux) d'un fluide séparateur gélifié avec la valve 291 dans une position ouverte, puis environ 4,8 m 3 ( 30 tonneaux) d'une solution aqueuse de lava- ge contenant un agent tensio-actif, cela étant suivi d'envi- ron 3084 M 3 ( 24 tonneaux) de bouillie de tête d'un mélange :65 pouzzolane:ciment de classe G d'une masse volumique d'environ 1680 kg/m 3 ( 14 livres par gallon) Cela a été suivi, avec la valve 291 fermée, d'environ 59,2 m 3 ( 370 ton- neaux) d'une bouillie d'un mélange 35:65 pozzolane:ciment de classe G contenant environ 1,5 % en volume d'agent mous- sant et environ 3500 m 3 ( 125 000 pieds cubes standard) d'azote Cette bouillie de ciment en mousse avait une masse volumique d'environ 1260 kg/m 3 ( 10,5 livres par gallon) dans les conditions normales La valve a été ouverte de nouveau et on a refoulé environ 14,4 m 3 ( 90 tonneaux) d'une bouillie de queue d'un mélange 35:65 pozzolane:ciment de classe G ayant une masse volumique d'environ 1800 kg/m 3 ( 15 livres par gallon) et ensuite environ 30,4 m 3 ( 190 tonneaux) d'eau salée jusqu'à ce qu'on observe le retour du fluide séparateur et du liquide de lavage chimique Le puits a été ensuite fermé et on a attendu la prise du ciment De cette manière, ce travail de cimentation d'une "longue colonne" a été effec- tué en une seule opération de pompage sans que l'on ait à "étager" les différents laits de ciment sur l'intervalle désiré. Il est bien entendu que les modes de réalisation ci-dessus décrits ne sont aucunement limitatifs et pourront donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. il REVENDICATIONS 1 Procédé de préparation d'un lait de ciment con- tenant un gaz, sensiblement uniforme, caractérisé par le fait que (a) on prépare une bouillie aqueuse de ciment hydraulique; (b) on transporte cette bouillie aqueuse de ci- ment hydraulique dans un premier conduit ( 10; 20); (c) on introduit dans ledit premier conduit ( 10; 20) un agent moussant et un gaz de façon à former une bouillie de ciment hydraulique contenant un gaz; (d) on met ensuite ladite bouillie contenant un gaz provenant dudit premier conduit ( 10; 20) en contact avec un moyen ( 11; 21) pour diviser la bouillie de ciment hydraulique contenant un gaz en deux courants généralement égaux; (e) on fait passer un courant dans un deuxième conduit, séparé ( 12; 22) et l'autre courant dans un troisième conduit, séparé ( 12; 23);(f) on dirige un courant vers un premier dispositif de réglage de pression ( 14; 24) et l'autre courant vers un deuxième dispo- sitif de réglage de pression ( 15; 25); chaque dispositif de réglage de pression ( 14, 15; 24, 25) comportant un ori- fice, ces orifices étant espacés l'un de l'autre et en ali- gnement direct l'un avec l'autre, chaque dispositif de régla- ge de pression ( 14, 15; 24, 25) étant prévu pour délivrer la bouillie de ciment hydraulique contenant un gaz en un courant sous pression de force généralement égale à un point focal commun ( 16; 26), en ligne, et le point focal ( 16; 26) se trouvant à l'intérieur d'une chambre de recueil ( 17; 27), de laquelle la bouillie de ciment contenant un gaz résultan- te, sensiblement uniforme, est évacuée. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'en outre on met en place la bouillie de ciment sensiblement uniforme contenant un gaz résultante dans une cavité souterraine après son évacuation de la chambre de recueil ( 17; 27) et on la laisse durcir dans ladite cavité. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le premier conduit ( 20) est équipé d'un moyen de détournement de fluide qui est communi- cation directe de fluide avec la chambre de recueil ( 27) ou avec un point sur le trajet du courant de bouillie de ciment hydraulique contenant un gaz en aval de la chambre de recueil ( 27), et par le fait qu'on transporte, avant ou après la bouillie de ciment hydraulique contenant un gaz, un fluide autre que la bouillie par le moyen de détournement de fluide à la chambre de recueil ( 27) ou au point situé en aval de la chambre de recueil ( 27) et ensuite à la cavité souterraine. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le moyen de détournement de fluide comprend une valve ( 291) en communication de fluide, par un quatrième conduit ( 290) avec le premier conduit ( 20) et la chambre de recueil ( 27). 5 Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé par le fait que le fluide est une bouillie de ciment hydraulique non-gazéifiée. 6 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les dispositifs de réglage de pression ( 14, 15; 24, 25) sont des moyens limiteurs de débit situés dans le deuxième conduit ( 12; 22) et le troisiè- me conduit ( 13; 23). 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les dispositifs de réglage de pression ( 14, 15; 24, 25) sont des duses. 8 Procédé pour la préparation d'une bouillie de ciment contenant un gaz, sensiblement uniforme, caractérisé par le fait que: (a) on fait arriver une bouillie de ciment hydraulique contenant un gaz en deux courants sous pression opposés, sensiblement monodirectionnels, de force générale- ment égale et opposée, à un point ( 16; 26) situé à l'inté- rieur d'une chambre de recueil ( 17; 27); et (b) on évacue de la chambre de recueil ( 17; 27) une bouillie de ciment contenant un gaz, sensiblement uniforme; ledit point ( 16; 26) étant un point focal commun pour le vecteur de farce majeur de chaque courant. 9 Appareil utile pour préparer une bouillie de ciment contenant un gaz, sensiblement uniforme, caractérisé par le fait qu'il comprend: un premier conduit ( 20) prévu pour transporter une bouillie de ciment hydraulique conte- nant un gaz, ledit premier conduit ( 20) étant en communica- tion de fluide avec un moyen ( 21) pour diviser la bouillie en deux courants généralement égaux, ledit moyen de divi- sion ( 21) étant en communication de fluide avec un second conduit ( 22) et un troisième conduit ( 23), lesdits second et troisième conduits étant prévus pour transporter séparé- ment les deux courants de bouillie à un premier ( 24) et à un deuxième -( 25) dispositif de réglage de pression, respec- tivement, une chambre de recueil ( 27) en communication de fluide avec les deux dispositifs de réglage de pression et avec un moyen ( 28) pour évacuer la bouillie résultante, formée par recombinaison des deux courants, de la chambre de recueil ( 27), et un moyen de détournement de fluide qui est en communication de fluide avec le premier conduit ( 20) et avec la chambre de recueil ( 27) et qui comprend un quatriè- me conduit ( 290) et une valve ( 291) en communication de flui- de avec lui, la valve ( 291) étant prévue pour permettre ou pour limiter le passage des fluides dans ledit quatrième conduit ( 290); chaque dispositif de réglage de pression ( 24, 25) étant en communication de fluide avec son conduit respec- tif ( 22, 23) et comportant un orifice qui est espacé de l'au- tre orifice et en alignement opposé coaxial direct avec l'au- tre orifice, et chacun étant prévu pour délivrer le fluide par son orifice respectif en un courant sous pression de for- ce généralement égale à un point focal commun ( 26), en li- gne, situé dans la chambre de recueil ( 27).