CA1172558A - Procede ameliore de consolidation de formations geologiques - Google Patents

Abstract

La présente invention propose un procédé de consolidation d'une formation géologique, dans lequel on injecte dans la formation un liquide organique et un catalyseur, ledit liquide étant capable de subir in situ, au contact d'un gaz oxydant, des réactions démarrant à la température normale de la formation géologique et conduisant à l'obtention d'un produit solide qui consolide cette formation, et on injecte un gaz oxydant en quantité suffisante pour obtenir une solidification sensiblement complète dudit liquide organique, cette quantité étant limitée de façon que la température atteinte dans la formation, au cours desdites réactions, ne dépasse pas une valeur fixée à l'avance, caractérisé en ce que l'on réalise une consolidation suffisante de la formation sans affecter notablement sa perméabilité en utilisant en combinaison au moins un composé chimique polymérisable et un catalyseur qui comporte au moins un élément du groupe constitué par le zirconium, le cérium, le lanthane et les lanthanides et au moins un élément appartenant au groupe formé par le vanadium, le manganèse, le cobalt et le zinc.

Description

I,a presente in~ention concerne un procédé ~lélioré de conso-lidation de for~ations géologiques, ce procédé étant notan~ent applicable dans des réservoirs contenant du pétrole ou du gaz, pour éliminer les venues de sable dans les puits traversant des formation~ sableuses peu ou pas consolidées. D'une manière plus générale, ce procédé peut etre utilisé pour consolider localement des formations perméables.

Di~erses méthodes ont déjà été proposées pour empecher les venues de sable dans les puits neufs ou ~our traiter des puits donnant lieu à des venues de sable~ lors de l'exploitation des gisements de pé-10 trole ou de gaz.

Un premier type de méthode cons;ste à retenir le sable par un moyen mécanique, en utilisant des écrans ar-tificiels à orifices ca-librés, ou des empilages de graviers ayant une répartition granu].ométri-que bien définie, selon la dimension des grains de sable de la formation ~éologique traversée par le puits. Une telle méthode, de mise en oeuvre délicatel est souvent utilisée pour équiper dcs puits neu~s.
.
Un second type de methode consiste à injecter, dans la for-mation ~éoloEique, une résine liquide qui, en se polymerisant, crée une liaison entre les grains de sable. L~efficacité d'une méthode chimique 20 de ce second type est aléatoire ? car la reaction de polymérisation de la résine injectée dépend essentiellement des conditions régnant dans ' le puits au niveau de la formation et des caractéristiques de cette dernière. Une telle méthode ne permet donc pas de controler le degré
'd~a~ancement de la réaction chimiqùe. Il en résulte le risque, soit ~ d~une consolidation insuffisante de la formation, si le degré de polymé-'` ' risation de 1a résine est trop faible, soit d'une trop forte r'eduction de la pèrméabilitélou meme d'un colmatage complet de la formation géo-logique, si une trop grande quantité de polymère est retenue dans cer-tains pores.

Le brevet américain US 3 388 743 du 18 juin 1968 de Engle présente un procédé de consolidation dans lec~lel après introduction d'une huile siccative autour d'un puits ,on~injecte un gaz oxydant. L'huile partiellement oxydee for~e un bon liant pour les grains de sable.
. . : ' ' ~'utilisation d'un catalyseur d'oxydation tels que le naph- ~
, .

thénate de plomb ou celui de cobalt permet ds raccourcir la durée d'oxydation de l'huile.
Cependant, les consolidations obtenues sont gene-ralement insuffisantes pour le but recherche.
On connalt egalement par~le brevet français'n 1 409 599 du 19 juillet 1965 de BASF un procede pour la consolidation des sols dans lequel ces sols sont traites pax des polymères huileux, renfermant des catalyseurs siccatifs tels que le cobalt, le fer, le plomb ou le manga-nèse qui durcissent par sechage à l'air sur la surface du sol à consolider. Ce traitement qui produit~des masses dures impermeables n'est cependant pas applicable ~ la consolida-tion des formations géologiques souterraines dont on souhaite maintenir la perméabilite.
Le brevet US n 2 863 510 du 9 décembre 1958 de TEDBMA décrit un procedé comportant l'introduction de produits organiques oxydables dans des ormations geologiques, cep~n-dant ce procédé est adapte à la production de pétrole par la réalisation d'une combustion souterraine.
Le brevet allemand n 2 343 021 du 2 janvier 1975 de Texaco et le brevet US n 3 941 191 du 2 mars 1976 de ; Texaco decrivent un procéde de consolidation de formations géologiques au moyen d'agents de solidification~ en utilisant des initiateurs de combustion, ainsi que des activateurs de combustion, l'oxydation étant réalisee par injection d'un gaz oxygené.
Cependant, ce procédé presente 1'inconvenient de nécessiter des initiateurs de combustion et n'est réellement efficace que si l'on efectue un préchaufage de la formation.
~ Ces inconvénients sont supprimés avec le procede selon l'invention assurant le contrôle de l'altération chi-mlque d'une substance popylerisable.~ Ce procéde comporte 17~558 l'iniection, dans la formation, d'un mélange liquide de produits organiques dont on realise in situ une alteration chimique menagee par la mise en contact de ce melange liquide avec une ~uantité donnée de gaz oxydant, de façon à
transformer par une reaction exothermique ledit melange liquide en une substance liant les éléments non consolides de la formation, l'injection du gaz oxydant permettant d'éviter une reduction appreciable de la permeabilite de cette der-- : .: : .
- ~,, . ~ '' ' -:

~1~7;~S~3 nière aux fluides tels que le petrole ou le gaz'naturel. La composition du melange liqui.de, ainsi que la. teneur en oxygène p et la quantite de gaz oxydan-t/ sont ajustees de manière à Lr assurer le demarrage de la react.ion à la temperature normale de la formation et à contrôler le degre d'avancement de la poly-mérisation oxydante du melange liquide .
La presente invention propose un procede de conso-lidation d'une formation geologique, dans lequel on injecte dans la formation un melange organique liquide contenarit au moins ~ . :
un compose chimique et polymérisable et un catalyseur, ledit mélange étant capable de subir in situ, au contact d'un gaz ~ ~
oxydant, des reactions demarrant à la temperature normaIe de ~ ~ .
la formation géologique et conduisan-t à l'obtention d'un produit solide qui consoLide cette formation, et on injecte un ga~ oxydant en quan-tite suf~isante pour obtenir une solidi.-fication sensiblement complète dudit liquide organique, cette !~
quantite etant limitee de ~açon que la temperature atteinte dans la formation, au cours desdites reactions, ne depasse pas une valeur'flxee à llavance, caracter.ise en ce que l'on ~.
reallse une consolidation suffisante de la formation sans 7 affecter notablement sa permeabilite en utilisant en:combinai-son au moins un~hydrocarbure polyethylenlque comme compose chimique polymerisable et un catalyseur qui comporte au moins un élément du groupe constitue par le zirconium, le cerium, le lanthane et les lanthanides et au moins un element apparte-nant au groupe forme par le vanadium, le manganèse, le cobalt et le zinc ~.
Plus particulièrement, l'in~ention fournit un procede : de consolidation d'une formation geologique comprenant les deux.etapes successi~es suivantes F~.
: a~ on. injecte dans la formation un melange organique llquide ~~
c.ontenant au moins un compose chlmique polymérisable et un ~EP
.

:~ ~7255~3 catalyseurr ledit melange etant capable de subir in situ, au contact d'un gaz. oxydan-t, des reactions demarrant à la temperature normale de la formation geologique et conduisant à la. formation d'un produit solide qui consolide cette for-mation sans affecter notablement sa perméa~ilite, et b) on injecte un ~az oxydant en quantité suffisante pour obtenir une solidification sensiblement complete dudit liquide organique, cette quantite etant cependant limitee de façon que la temperature atteinte dans la formation au 10 cours desdites reactions ne depasse pas 350C et.soit, de preference, comprise entre 100C et 300C .
, Le procede selon l'invention est caracterise en ce que l'on utilise en combinaison au moins un hydrocarbure polye-thylenique et un catalyseur qui comporte.au moins un element .du groupe constitue par le zirconium, le cérium, le lanthane et les lanthanides et au moins un element, appartenant au groupe forme par le vanadium, le manganese , le cobalt et le zinc.
Le procede selon l'invention est efficace meme si la : 20 temperature de la formation (qui depend notamment de sa profon- .
deur) est basse , car la reaction d'oxydation du melange organique provoque dans la zone traitée un degagement de chaleur suffi-: sant pour que solt atteint le niveau thermique permettant audit melange organique de s.e polymeriser efficacement et d'assurer : la cohesion entre les grainS de la formation . De plus, la teneur en oxygène du gaz.oxydant injecte et la quantite d'oxy- -.

:

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. .

, L'7~S~3 g~ène introduite dans la formation sont controlées afin de ne pas dépas-ser la température maximale qui conduirait à la dégradation de la subs-tance polymériséè.

Le mélange organique utilisé dans le procé~é selon l'inve~-tion pourra avantageusement etre constitué d'hydrocarbures polyéthyléni-ques obtenus par polymerisation de diènes ou de triènes éventuellement dilués par un solvant organique e-t additionnes d'un catalyseur tel que défini ci-dessus. L'hydrocarbure polyéthyléni~le utilisé sera avantagel-sement du polybutadiène. Les solvants utilisés seront constitués par exemple, par des hydrocarbures tels que benzene, toluène, xylène,ou pæ~
une coupe pétrolière; la teneur en solvant sera avPntageusement compriae entre 0 et 50 ~ pour limiter la réduction de r~activité due à la dilu-tlon.

Les éléments du catalyseur seront ut;lisés sous for~.e de sels, tels que carboxylates, naphténates, sulfonates, octoates, ~..
solubles dans les constituants de base du mél~ge organique. La teneur ae la solution en chacun des métaux utilisés dans le catalyseur sera inférieure à 3 ~ poids et, de préférence, comprise entre 0,007 et 2 %
poids. La composition exacte du catalyseur (métaux utilisés et teneurs en métaux) dépendra de la nature du milieu et des conditions de gisement (pression, température ...).
' ~ a quantité de mé]ange organique injectée sera de préféren-ce inférieure à 500 litres par mètre d'épaisseur de formation géologique;
des quantités supérieures n'affectent cependant pas l'efficacité du pro-cédé selon l'invention.

Lors de l'application de la méthode dans des réservoirs d'huile~Vle gaz oxydant injecté sera de préférence de l'oxygène ou de l'air, dilués éventuellement par de l'azote, du gaz carbonique ou un autre gaz inerte dans les conditions de l'essai. Lors de l'application de la méthode dans des réservoirs de gaz, le mélange gazeux oxydant uti-lisé sera de préférence de l'oxygène ou de l'air dilués par de l'azote, un autre gaz inerte,ou du gaz naturel sec; cependant, la teneur en gaz naturel devra etre telle que le mélange gazeux reste à l'extérieur des limites d'in~lammabilité dans les conditions de l'essai.

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7;~58 La teneur volumétrique en oxygène du mélange gazeux sera avantageusement comprise entre 0,5 et 100 % et, de préférence, entre 1 et 21 %. La teneur en oxygène, pour une composition donnée du mélange organigue sera de pré~érence d'autant plus Iaible que la pression d'in-jection est plus élevée. La présence d'eau dans le mélange gazeux sera évitée par un traitement de séchage approprié, si nécessaire. I.e dosage du mélange gazeux se fera en sur~ace, les constituants du mélange étant ~ournis, soit par des bouteilles de gaz comprimé ou cryogénique, soit - par des compresseurs.

Le volume d'oxygène contenu dans le gaz injecté, rapporté
aux conditions standard de température et de pression, sera de préfé-rence in~érieur a 200 litres par litre de mélange injecté; d'excellents résultats sont obtenus en utilisant entre 10 et 80 litres d'oxygène par litre de mélange organique.

Sur la ~igure 1 annexée, illustrant schématiquement ~m mode de mi5e en oeuvre de l'invention, la référenc& 1 désigne une ror~ation .. ..
géologique sab]euse tra~ersée par un puits 2, aui comporte un cu-~elage 3 muni de perforations 4 au niveau de la formation 1 dont on désire extrai-re un ~luide, tel que du pétrole ou du gaz naturel.

Dans cet exemple de réalisation, le procédé selon l'inven-tion est mis en oeuvre en injectant successivement dans la formation 1 à traiter des quantités prédéterminées du mélange organique 5, tel qu'un polybutadiène additionné d'un catalyseur tel que défini ci-dessus9 év~n-tuellement en mélange avec un autre liquide organique tel q~'un solvart ou une coupe pétrolière, et d'un ga2 oxydant 6, tel que l'air ou l'oxy-gène, dilués selon les instructions ci-dessus.

Le mélange organique liquide et le gaz peuvent etre inJec-tés à la suite l'un de l'autre par l'intermédiaire d'une me~e colonne de production ou tubing 7 débouchant, à sa partie inférieure, sensiblement 3G au niveau des perforations 4.

Un dispositif 9, du type packer, assurera l'étenché-té en obturant l'espace annulaire entre le cuvelage 3 et la colonr.e de produ~-tion 79 au-dessus de la formation 1. Dans la colonne de procuction 7, le gaz oxydant est séparé du mélange organique p~r un bouchon o d'ure su~s-. .

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~ lt~25S8 tance non ou peu ox~dable, ce bouchon étant constitué, par exempleg parun petit volurne de solvant ou d'une coupe pétrolière, dans un puits à
huile, ou de gaz naturel, dans un puits ~ gaz. On évite Pinsi que des réactions du mélange organique ne se procuisent à l'intérieur mere de la colonne de production.

~ ien entendu, le mode de mise en oeuvre décrit ci-dessus n'est nullement limitati~, d'autres modes de réalisation pouvan-t etre envisages .

D'une façon générale, le liauide injecté en S est ur mél~ge 1G orga-nique qui, au contact d'un gaz o~ydant, est capable de participer, dès la température de la formation 1, à une altération chimique condui-sant à la consolidation de ladite formation a~x abords du puits. Le li-quide 5 est plus facilement altérable par le ~élange gazeux oxydant,po-~r donner lieu à la consolidation,que les hydrocarbures contenus dans la formation 1, et que les composés organiques de base ne contenant pAS de catalyseur.

Dans le cas des gisements de pétrole, on pourra avantageuse~
ment faire précéder l'injection du liquide S par l'injection de .~luides tels que le xylène ou une coupe pétrolière et un alcool, tel que l'isc-20- propanol, afin de chasser le pétrole et l'eau présents aux abords du puits qui, s'ils sont en quantités excessives, peuvent avoir lm effet né~aste sur ]1efficacité de la consolidation du milieu.

La quantité de gaz oxydant injectée sera déter~inée de façon à obtenir u~e solidification complète du li~uide orga~ique 5, s~ns que la température atteinte dans la ~ormation par suite du dégag~ment de chaleur provoqué par ].a réaction d'oxydation du liquide 5 ne dép~sse 350 C. On évite ainsi, selon l'invention, la combus-tion a naute tempé-rature du liquide organique 5, ce qui permet d'éviter la dégradation GU
polymérisat et d'assurer la protection des éa~ipe~ents du puits, nota~-ment du cuvelage 3.

L'efficacité du procédé selon l'invention est illustrée ~arles essais suivants, les caractéristiques de mise en oeuvre de ces essais n'ayant aucun caractère limitatif.
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~1725i5~3 E S S A I N 1 :

Un mélange intime de 10 parties d'un support ~inér~l con~-titué de sable de carrière (80 %) et de kaolinite (20 %) et de 1 partie de polybutadiène (viscosité = 750 cP ) est tPssé dans un t~be vertic~l a paroi mince de S cm de diamètre sur une hQuteur de 20 c~. Le massif préparé a me porosité de 37 % et la saturation en corposé polyenique est de 50 % du volume des pores.

L'essai est réalisé à une température de 50 C et ~ la pression atmosphérique avec un débit d'air de 0,5 l/~n. Au cour~ de l~ l'essai, d'une durée de 7 heures, on n'observe ni diminution de la te-neur en oxygene du gaz effluent, ni augmentation de la température. En fin d'essai, le massif n'est pas consolidé.
, S S A I M 2 :

Un mélange intime d'un support minéral et de mélange orga-nique liquide est tassé à la température ambiante dans un tube vertical à paroi mince de 12,5 cm de diamètre, constituant l'enceinte intérieure d'une cellule cylindrique haute pression. Le tube intérieur est muni de colliers chauffants et d'un isolant thermique pour compenser la fuite thermique lors de l'augrnentation de température du massif.

Le mélange organique utilisé est du polybutadiène addition-né~de 0,12 % poids de zirconium et de o,o6 % poids de cobalt sous for-mo de naphténates et le support minéral es~ 1~n sable de carrière.

L'expérience est effectuée sous une pression relative de 10 bars avec un débit d'air de 3 litres par minute (mesuré dans les conditions standard de température et de pression). Au cours de l'essai, d'une durée de ~ heures, la température s'é~ève à 102 C. On vérifie après essai que le milieu est bien consolidé (résistance à la compres-sion egale à 86 bars) et que la perméabilité est conservée.

~. 17~558 E S S A I N 3 :

Un essai a été realisé en utilisant comme melange organi- .
que du polybutadie~ne additionné de 0,18 % poids de manganèse sous for-me d'octoate et de 0,12 % poids de zirconium sous forme de naphténate et comme support minéral un sable de carrière additionné de 5 % de kaolinite.

L'expérience est e~ectuée sous une pression relative de 10 bars a~ec un débit d'air de 3 litres par ~inute (conditions stan-dard), pendant 6 heures. On constate une élévation de température de 2Q C à ~58 C. On véririe après essai que le milieu a conservé sa perméabilité et.qutil est parfaitement consolide. Sa résistance à la compression est de 104 bars.

- E S S A I N 4 :
... . . ..

Un mélange in-time de sable de carrière et de polybu~adiène additionn~ de 0,32 % poids de cérium et de 0,42 % poids de cobalt sous forme de naphténa-tes est utilisé pour cet essai réalisé ~ 100 bars, la température initiale étant de 50 C.

Un gaz oxygéné cons-titué dlun mélange air ~ azote contenent 4 % d'ox~gène est injecté pendant 3,2 heures ? un débit de 13,7 litres (conditions standard) par minute. La réaction se traduit par une éléva- -tion de la température jusqu'a 300 C. Le milieu obtenu en ~in d'essai est très bien consolidé, sa résistance ~ la compression est supérieure 200 bars.
~ .
E_S S A I ~ ~ :

Cet essai est réalisé avec un massi~ constitué par du sa~le de carrière additionné de 20 % poids de kaolir.ite et p?r du polybutadi`-ne additionné de 0,3 % poids de cérium et de 0,42 % poids de cobalt sous forme de naphténates.

. ... ....... ........... ..... .. . .

~\ ~

5S~3 La pression opératoire est de 100 bars et la température initiale est de 40 C. On injecte durant 5 helres 45 min u~ gaz ~onte-nant 2 % d'oxygène et 98 % d'azote à un débit de 10,3 litres (co~di-tions standard) par minute. La température s'_lève jusqu'à 12~ C. La résistance à la compression du milieu obtenu après essai est sup~-rieure à 150 bars.

.

On ajoute de l'eau à un support ~inéral sable~Y con~enan~
20 % de kaolinite de manière à obtenir un mélange ayant une teneur en eau de ~ % poids. Le mélange mis en place et tassé dans la cellule dé-crite pour l'essai n 2 est alors porté ~ 50 C.

Un pétrole brut (densité égale à 0,87) est injec-té pour saturer le volume libre de pores et constituer un milieu représentati~
d'un réservoir,pétrolier.Après déplacement partiel des fluides par des bouchons successi~s d'essence,d'alcool isoprop~lique et d'essence,on in-jecte le melange or~anique constitué de polybutadiène additionné de 0,3 % poids de cér;um et de 0,4 % poids de cobalt sous forme de naphté~
nates. I,a pression relative dans~la cellule est alors portée à 100 bars `
et un gaz contenant o % d'oxygène et 92 % a'azote est injecte pendant 5 heures à un débit de 4 litres (conditions standard) par minute. La réac-tion se traduit par une élévation de température jusqu'à 216 C. Le mi-lieu obtenu a conservé sa perméabilité et est bien consolidé; sa résis-tance à la compression es de 62 bars.

~ .

... .
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Claims (4)

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de consolidation d'une formation géolo-gique, dans lequel on injecte dans la formation un mélange organique liquide contenant au moins un composé chimique polymérisable et un catalyseur, ledit mélange étant capable de subir in situ, au contact d'un gaz oxydant, des réactions démarrant à la température normale de la formation géologique et conduisant à l'obtention d'un produit solide qui consolide cette formation, et on injecte un gaz oxydant en quantité
suffisante pour obtenir une solidification sensiblement complète dudit liquide organique, cette quantité étant limitée de façon que la température atteinte dans la formation, au cours desdites réactions, ne dépasse pas une valeur fixée à l'avance, caractérisé en ce que l'on réalise une consolidation suffisante de la formation sans affecter notablement sa perméabilité en utilisant en combinaison au moins un hydrocarbure polyéthylénique comme composé chimique polymérisable et un catalyseur qui comporte au moins un élément du groupe constitué par le zirconium, le cérium, le lanthane et les lanthanides et au moins un élément appartenant au groupe formé par le vanadium, le manganèse , le cobalt et le zinc .

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé
en ce que les éléments du catalyseur sont utilisés sous forme de sels solubles dans les constituants de base du mélange organique liquide .

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé
en ce que le mélange organique liquide contient un hydrocarbure polyéthylénique liquide.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé
en ce le mélange organique liquide contient du polybutadiène liquide .