CA2246382C

CA2246382C - Composition moussante a base d'eau - procede de fabrication

Info

Publication number: CA2246382C
Application number: CA002246382A
Authority: CA
Inventors: Jean-Francois Argillier; Annie Audibert-Hayet; Sabine Zeilinger
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1997-12-03
Publication date: 2006-09-26
Anticipated expiration: 2017-12-03
Also published as: CA2246382A1

Abstract

La présente invention concerne une composition moussante à base d'eau et son procédé de fabrication. La composition est optimisée en ce qu'elle comporte un tensioactif spécifiquement choisi en fonction du type de polymère également présent dans la composition. Le tensioactif et le polymère sont choisis tels qu'ils aient des charges de sig ne opposé. La présente invention est avantageusement utilisée dans les opérations de forage ou de traitement de puits.

Description

COMPOSITION MOUSSANTE A BASE D'EAU - PROCEDE DE
FABRICATION
s La présente invention concerne une composition de mousse aqueuse constituée par une combinaison optimisée de tensioactifs et de polymëres hydrosolubles. Les applications d'une telle mousse selon la présente invention 1o sont diverses, par exemple pour les soins corporels, les applications agricoles, Ia lutte contre les incendies, les travaux souterrains, tels la consolidation des sols et les opérations dans les puits forés dans le sous-soi: forage, traitement des réservoir. s, production d'hydrocarbures.
On connaît l'utilisation de mousse aqueuse pour remplacer un fluide de Is puits en circulation à travers une garniture de tubes descendue dans un puits foré dans le sol. Dans certains cas, Ia masse volumique du fluide aqueux utilisé est trop grande pour Ia nature de la roche, créant une pression hydrostatique trop importante vis-à-vis de la résistance à la fracturation des zones rocheuses traversées par le forage. On choisit alors d'utiliser des fluides 2o aqueux de masse volumique diminuée par l'introduction de gaz et on tente de rendre homogène le fluide ainsi allégé en créant une mousse, la plus stable possible, afin d'avoir au moins un pouvoir de nettoyage des déblais suffisant.
Le document US-5513712 décrit un procédé de forage dans lequel on utilise une mousse comportant un polymère du type acrylamide non réticulé et 25 un tensioactif, mais ne décrit pas une composition moussante stable et optimisée grâce à l'obtention d'une -. synergie entre un polymère et un tensioactif spécifiques.

2 Ainsi, la présente invention concerne une composition moussante à
base d'eau comportant au moins un tensioactif et un polymère. Le tensioactif et le polymère comportent des charges de signe opposé. La concentration du tensioactif est inférieure à 5 10-3 mol/l.
La demanderesse a mis en évidence, que d'une façon surprenante, il était possible de contrôler l'obtention d'une mousse stable, à partir d'une composition optimisée en concentration de tensioactif, si on lui associe un polymère ou un copolymère de charge de signe opposé à celui de la charge du tensioactif. Avec un tensioactif anionique, on associe un polymère ou copolymère cationique; avec un tensioactif cationique, on associe un polymère ou un copolymère anionique.
Comme tensioactifs, il est envisageable dans la présente invention d'utiliser tous les tensioactifs anioniques classiques, tels que la fonction anionique soit:
- carboxylates:
o savons des métaux alcalins, alkyl ou alkylether carboxylates, e N-acylaminoacides, a N-acylglutamates, n N-acylpolypeptides, - sulfonates:
o Alkylbenzènesulfonates, a Paraffinesulfonates, g cx-oléfinesulfonates, o Les pétroléumsulfonates, o Les lignosulfonates, n Les dérivés sulfosucciniques, o Polynaphtylméthanesulfonates, ~ Alkyltaurides.

WO 98!26864 PCT/FR97/02186 - sulfates:
~ Alkylsulfates, ~ Alkyléthersulfates, - phosphates:
~ Les phosphates de monoalkyles, ~ Les phosphates de dialkyles - phosphonates.
Comme tensioactifs cationiques, on peut citer:
- les sels d'alkylamines, - les sels d'ammonium quaternaire dont l'azote:
~ comporte une chaîne grasse, par exemple, les dérivés d'alkyltriméthyl ou triéthyl ammonium, les dérivés d'alkyldiméthyl benzylammonium, ~ comporte deux chaînes grasses, ~ fait partie d'un hétérocycle, par exemple, les dérivés du pyridinium, d'imidazolinium, de quinolinium, de pipéridinium, de morpholinium.
Tous Ies polymères anioniques classiques peuvent être mis en oeuvre selon la présente invention, par exemple:
- les polymères ou copolymères synthétiques dérivant:
de monomères anioniques contenant des groupements carboxylate ou sulfonate ou phosphate ou phosphonate, tels que les monomères acrylate, méthacrylate, itaconate, 2-acrylamido-2-méthyl-propane WO 98/26864 PCTlFR97/02186 sulfonate, 2-méthacryloyloxy éthane sulfonate, 3-acrylamido-3-méthyl butanoate, styrène sulfonate, styrène carboxylate, vinyl sulfonate, sels de l'acide maléfique.
- les copolymères synthétiques dérivant:
de monomère anionique, par exemple dans ceux décrits ci-dessus, et de monomère neutre, par exemple acrylamide, acide acrylique, vinyl pyrrolidone, oxyde d'éthylène, oxyde de propylène, anhydride maléïque, alcool vinylique, hydroxyethylacrylate,...

- Ies polymères naturels tels:
les dérivés cellulosiques modifiés négativement, du type CMC, les polysaccharides de type xanthane, alginate, i5 les amidons modifiés négativement, les galactomannanes modifiés négativement.
Tous les polymères cationiques classiques peuvent être mis en oeuvre selon la présente invention, par exemple:
- les polymères ou copolymères synthétiques dérivant de monomères 2o cationiques classiques c'est-à-dire de formule générale suivante:

C==CH2 R2 où R1 ou R2 comportent au moins un atome N.
- les polyethylènes imines, 25 - les polyamides amines , - les polyamines - Ies copolymères synthétiques dérivant:
de monomères cationiques et de monomères neutres (décrits ci-dessus).

- les polymères naturels:
les amidons modifiés positivement, les chitosans, les galactomannanes modifiés positivement, les dérivés cellulosiques modifiés positivement.
Le tensioactif peut être cationique et a une concentration inférieure à
5 10'3 mol/I, et le polymère peut être anionique.
Le tensioactif peut être anionique et a une concentration inférieure à
5 10-3 mol/I, et le polymère peut être anionique.
Le polymère anionique peut être un copolymère du type AM/AMPS
dont le taux de la partie chargée peut être compris entre 5 et 40%, et de préférence compris entre 10 et 25°!0. Le tensioactif peut être du type DoTA.B.
Le polymère anionique peut être un polymère naturel modifié
négativement, par exemple du type CMC.
Le polymère cationique peut être un copolymère du type ASJlIMAPTAC
dont le taux de la partie chargée peut être compris entre 5 et 40°io et de préférence compris entre 10 et 25%. Le tensioactif peut être du type SDS.
L'invention concerne également un procédé pour fabriquer une mousse à partir d'eau, d'au moins un tensioactif et d'au moins un polymère. Dans le procédé, on combine un tensioactif dont la concentration est inférieure à 5 10-

3 mol/l et un polymère ou un copolymère de charge apposé; et la concentration en polNmère est déterminée pour obtenir une mousse stable avec un taux de tensioactif le plus faible possible.
La concentration en polymère peut être déterminée en fonction du taux de charge du polymère et de la concentration en tensioactif utilisé. Compte tenu de la nature électrostatique des interactions entre polymère et tensioactif, leurs concentrations respectives peuvent être fonction de la force ionique du milieu.

4 PCT/FR97/02186 La solution moussante peut également, comme tout fluide de puits (forage, completion et workover), contenir des solides (déblais, colloïdes neutres,...) ou d'autres polymères hydrosolubles non chargés, des additifs anticorrosion,...
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus nettement à la lecture des essais, nullement limitatifs, décrits ci-après.
Les essais sont fondés principalement sur la comparaison, pour des compositions différentes de mousse, des deux mesures suivantes:
- le volume de mousse VM formé à partir d'un volume donné de solution moussante et de conditions d'agitation définies, ce qui permet de caractériser la capacité moussante de la solution, - la vitesse de drainage VD qui permet de caractériser la stabilité
de la mousse formée.
La viscosité a été mesurée au plateau newtonien, à l'aide d'un viscosimètre à bas gradient.
Mode opératoire:
2o La solution moussante est constituée par, au moins, un mélange d'au moins un tensioactif à concentration variable, d'au moins un polymère hydrosoluble également à concentration variable, et d'eau. Le pH est ajusté à
environ 9 pour tous les essais. La mousse est obtenue à partir de 200 mI de solution moussante par agitation à I'aide d'un fouet. La vitesse de rotation est fixée â 200.0 tours/minute. En règle générale, le temps d'agitation est d'environ 2 minutes, ce qui suffit pour obtenir une mousse homogène, ainsi qu'un volume maximal.

WO 98126864 PCT/FR9'7102186 Pour mesurer la vitesse de drainage, caractéristique de la stabilité de la mousse, on verse la mousse obtenue dans un entonnoir en verre gradué et on note en fonction du temps le volume de solution drainée. La vitesse de ' drainage est définie à partir de l'équation empirique qixi décrit l'évolution des courbes de dr ainage (Bikerman j ;j . 1973):
V = Vp(1-exp(-kt)) V le volume drainé (cm3) Vp le volume de la solution initiale (cm3) t temps (minute) A partir de cette équation, on détermine k, constante d'écoulement (min-1) On définit la vitesse de drainage VD par VD = kVp/2 (cm3/nün.) Plus VD est faible , plus la mousse est stable.
Systémes testés:
I) Tensioactifs:
- Dodecyltrimethyl ammonium bromide (DoTAB): tensioactif cationique ayant la formule générale suivante:

2o CH3___(CH2)lp-__CH2-_-N-~-__Cg3 Br-- Dodecyl sulfate de sodium (SDS): tensioactif anionique de formule générale:
CH3___(CH2)1o-_CH2___O___gQ3- Na+
2) Polymères:
- Polyacrylamide AM (masse moléculaire Mw environ 2,5 106 g/mol).

- Copolymère Acrylamide/Acrylamido méthyle propane sulfonate AM/AMPS de formule générale:

C==0 C==O ' Na+
s NH2 NH---C(CH3)2___CH2_--S03_ 1-x x AM/AMPS 75/25 x=25% et Mw=2,8 106 g/mol AM/AMPS 90/10 x=10% et Mw=3,2 106 g/mol - Carboxymethyl cellulose (CMC). Le degré de substitution moyen de groupements carboxyliques par cycle cellulosique de l'échantillon étudié est proche de 1. Sa masse moléculaire est environ Mw= 2 106 g/mol.
- Copolymère Acrylamide/Chlorure de trimethylammonium propyl methacrylamide ~?~IV!/MAPTAC de formule générale:
is CH---CH2 CH2---C---CH3 C==O C==0 CH3 NHZ NH---CHZ---CHZ---CH2---N---CH3 Cl-1-x CH3 x Les copolymères AM/MA~PTAC 75/25 ( x=z5g ) et ~~IV!/MAPTAC 90/10 ?o (x=10%) ont des masses moléculaires Mw d'environ 3 106 g/mol.
Essai 1: Tensioactif cationiaue seul (DoTAB) DoTAB Polymre VM Viscosit VD

(mol/1) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.)

5.10'5 0 0 0,88 __ 5.10 0 0 0,86 --5.10-3 0 1600 0,85 40 20.10'3 0 2200 0,83 23 Ces essais montrent qu'il faut une quantité suffisante de tensioactif pour qu'il y ait la production d'un mousse stable. A la concentration de 5.10-- (moI/1) de tensioactif, la mousse se forme sous l'agitation mais est très instable.
Essai 2: Tensioactif cationique et polyacrylamide AM (non ionique) DoTAB Polymre VM Viscosit VD

(mol/1) (750 pm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10- AM 0 1,43 --5.10-4 AM 0 1,40 --5.10-3 AM 1000 1,34 --20.10-3 AM 1800 1,33 17,2 A la concentration de 5.10-3 (mol/1) en DoTAB, la mousse formée est l0 détruite après moins d'une minute.
Cet essai montre que pour des concentrations en tensioactif DoTAB
inférieures ou égales à environ 5.10-3 molli, il est impossible de former une mousse stable même en présence d'une certaine concentration en polymère du type polyacrylamide.
A partir de 20.10-3 mol/1 de tensioactif, la mousse formée en présence de polymère du type polyacrylamide est plus stable qu'en absence de polymère.
Cela est dû principalement à l'augmentation de la viscosité de la composition moussante, comme les mesures de viscosité le confirment.
e Fs~ai 3: Tensioactif cationique DoTAB et pol~rylamide sulfoné
,.
DoTAB Polymre VM Viscosit VD

(mol/1) (750 m) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10-5 AMIAMPS-75/25 500 --5.10-4 AM1AMPS-75/25 600 --5.10-3 AlVI/AMPS-75/25 <400 --20.10-3 AM/AMPS-75/25 prcipit --5.10-5 AMIAMPS-90/10 500 3,09 5 5.10-4 AMIAMPS-90/10 600 3,05 4,6 5.10-3 AM/AMPS-90/10 1700 1,22 9 20.10-3 ~ AM/AMPS-90/10 ~ précipité
Avec un polymère du type AM/AMPS-75/25, c'est à dire comportant de l'ordre de 25% de charge de signe opposé à la charge du tensioactif, la mousse peut se former, grâce aux interactions entre charge, à des concentrations inférieures à 5.10-3 mol/1 de tensioactif, en particulier pour des concentrations de 5.10-5 et 5.10-4 molli de tensioactif. A partir et au delà de 5.10-3 mol/1 de concentration en tensioactif, la mousse ne se forme pas car il y a précipitation, lo vraisemblablement à cause des trop fortes interactions entre le polymère chargé et le tensioactif. Cependant, un teï essai avec un polymère du type AM/AMPS-75/25 montre l'importance des charges opposés entre tensioactif et polymère pour former une composition moussante.
Avec un polymère moins chargé, du type AM/AMPS-90/10 (taux de charge 10%), on constate que la mousse est produite pour des concentrations inférieures à 5.10-3 molli de tensioactif, comme pour le polymère à 25% de charge, mais pour une concentration en tensioactif d'environ 5.10-3 mol/1, la composition moussante est très optimisée puisque l'on obtient un volume de mousse important et très stable compte tenu de la faible vitesse de drainage mesuree.
Par rapport à la mousse formée à partir d'un polymère polyacrylamide (Essai 2), le volume de mousse est comparable, mais avec une quantité quatre fois moindre de tensioactif et, de plus, en obtenant une meilleure stabilité.
Essai 4: Tensioactif cationiaue DoTAB et carboxymethylcellulose (AQUAPAG fabriqué par Ia société Aqualon) DoTAB Polymre VM Viscosit VD

(mol/1) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10-5 CMC 450 --5.10-4 CMC 600 -- 2,4 5.10-3 CMC prcipit --20.10-3 CMC prcipit -- 22,3 Cet essai montre que l'addition d'un polymère naturel cellulosique anionique comme la carboxymethyl cellulose (CMC) avec un tensioactif cationique (DoTAB) permet de former de la mousse grâce aux interactions entre charge, avec une concentration en tensioactif inférieure à 5.10-3 mol/1.
La mousse formée avec une concentration de 5.10-4 mol/1 de DoTAB et 750 ppm de CMC, est très stable. On vérifie qu'une concentration excessive en tensioactif est néfaste pour la formation d'une mousse, vraisemblablement à cause des trop~fortes interactions entre le polymère et le tensioactif.

WO 98/26864 PCT/Fgt97/02I86 Essai 5: Tensioactif cationiaue DoTAB et polyacrylamide sulfoné
Influence de la présence de sel.
On ajoute 0,5 g/1 de NaCl à la solution.
DoTAB Polymre VM Viscosit VD

(mol/1) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10- 0 0 --5.10-4 0 0 --5.10-3 0 1500 -- 172 (*) 20.10-3 0 2200 -- 20 5.10-5 AIVJA1~IPS-90/10450 8 5.10-4 AMIAMPS-90110 700 8 5.10-3 AM1AMPS-90/10 1500 10 20.10-3 AMIAMPS-90/10 prcipit --(*) La mousse se casse presque instantanément.
Cet essai confirme que Ia solution moussante DoTAB ei AM/AMPS
90/10 donne d'excellents résultats en terme de stabilité de mousse, même en présence de sel.

Essai 6; Tensioactif cationique DoTAB et polvacrylamide sulfoné
., Influence de la concentration en copolymère AM/AMPS-90/I0.
DoTAB lPolymre VM Viscosit VD

(mol/1} (p m) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10-5 100 <150 7,3 5.10-4 100 <130 2,5 5.1fl-3 100 1650 0,77 20,6 20.10-3 100 prcipit--5.10-5 750 500 3,09 5 5.10-4 750 700 3,05 4,6 5.10-3 750 1700 1,22 9 20.10-3 750 prcipit--5.10-5 1500 500 46 3 5.10-4 1500 700 33 3 5.10-3 1500 prcipit--20.10-3 1500 prcipit--Ces résultats montrent qu'une faible concentration en polymère (100 ppm) est déjà efficace pour stabiliser la mousse. En augmentant la concentration en polymère (750 ppm à 1500 ppm), la mousse formée en encore plus stable. Compte tenu des fortes interactions entre polymère et tensioactif, ~ o la côncentration en tensioactif doit être adaptée à la concentration en polymère utilisé, ou inversement. Dans le présent exemple, on peut déterminer un optimum de concentration en tensioactif d'environ 5 10-3 mol/1 et pour une concentration en polymère comprise entre 100 et 1000 ppm.
Cet exemple met clairement en évidence la synergie entre le tensioactif et le polymère et la manière d'optimiser la solùtion moussante.

'14 Essai 7: Tensioactif anionique SDS seul SDS Poiymre VM Viscosit VD

;mol/1) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10-5 0 0 --1.10-4 0 0 0,9 5.10-4 0 500 -- 22 1.10-3 0 1700 0,9 21 5.10-3 0 2000 -- 13 Cet essai montre que la présente solution ne peut pas former de la mousse à faible concentration en tensioactif, et qu'à plus forte concentration, la mousse est peu stable (VD de l'ordre de 13 cm3/min.). On peut noter que la mesure obtenue avec ce tensioactif est un peu plus stable que celle obtenue avec le DoTAB (Essai 1).
Essai 8: Tensioactif anioniaue SDS et polyacryiamide cationique AM/1VJ<A.PTAC 90/10 SDS Polymre VM Viscosit VD

(molli) (750 m) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10-5 AMf/MAPTAC 90/I0 500 -- 2,6 5.10-4 AM/IVIAPTAC 90/10600 -- 5,4 5.10-3 ~~IVTIMAPTAC 90/102200 -- 5,1 Dans le présent exemple de composition moussante comportant un tensioactif anionique et un polymère cationique, on observe que l'addition de polymère cationique est très bénéfique sur la formation et la stabilité de la WO 98!26864 PCT/FR97/02186 mousse formée, puisque l'on forme déjà une mousse stable avec seulement 10-5 mol/1 de SDS et qu'avec 5.10-3 mol/I de SDS, on forme 2200 cm3 de mousse très stable (VD proche de 5 cm3/min.) r 5 Essai 9: Tensioactif anionique SDS et polyacrylamide cationique AM/1VIAPTAC-75/25.
SDS Polymre VM 'Viscosit VD

(moUl) (750 ppm) (cm3) (mPa.s) (cm3/min.) 5.10- ~~IVI/MAPTAC-75/25450 -- 1,8 5.10-4 ~~IVI/MAPTAC-'75/25500 -- 2,1 5.I~0-3 AlVI/MAPTAC-75/25 prcipit --Cet -essai montre qu'avec un polymère plus chargé, Ia combinaison t0 polymère cationique et tensioactif anionique donne des mousses très stables à
faible concentration en tensioactif. A plus forte concentration (dans ce cas supérieure ou égale à environ 5.10-3 mol/1), on constate que les interactions sont trop fortes, ce qui provoque la précipitation.
D'une manière générale, il faut noter que l'addition à la composition moussante d'électrolytes simples, permet d'écranter en partie les interactions d'origine électrostatique. Dans ce cas, les concentrations en tensioactifs peuvent être plus importantes sans qu'il y ait précipitation.

Claims

REVENDICATIONS

1) Composition moussante à base d'eau comportant au moins un tensioactif et un polymère ou un copolymère hydrosoluble, caractérisée en ce que ledit tensioactif possède des charges de signe opposé à celles dudit polymère et a une concentration inférieure à 5 10-3 mol/l.

2) Composition selon la revendication 1, dans laquelle le tensioactif est cationique et dans laquelle le polymère est anionique.

3) Composition selon la revendication 1, dans laquelle le tensioactif est anionique et dans laquelle le polymère est cationique.

4) Composition selon la revendication 2, dans laquelle le polymère anionique est un copolymère du type AM/AMPS dont le taux de la partie chargée est compris entre 5 et 40%, et dans laquelle le tensioactif est du type DoTAB.

5) Composition selon la revendication 4, dans laquelle le taux de la partie chargée est compris entre 10 et 25%.

6) Composition selon la revendication 2, dans laquelle le polymère anionique est un polymère naturel.

7) Composition selon la revendication 6, dans laquelle le polymère anionique est un dérivé cellulosique modifié négativement du type CMC.

8) Composition selon la revendication 3, dans laquelle le polymère cationique est un copolymère du type AM/MAPTAC dont le taux de la partie chargée est compris entre 5 et 40%,

9) Composition selon la revendication 8, dans laquelle le taux de la partie chargée est compris entre 10 et 25%.

10) Procédé pour fabriquer une mousse à partir d'eau, d'au moins un tensioactif et d'au moins un polymère, caractérisé en ce que l'on combine un tensioactif dont la concentration est inférieure à 5 10-3 mol/1, et un polymère ou copolymère hydrosoluble de charge opposée, 1a concentration de polymère est déterminée pour obtenir une mousse stable avec un taux de tensioactif le plus faible possible.

11) Procédé selon la revendication 10, dans lequel la concentration de polymère est déterminée en fonction du taux de charge du polymère et de la concentration de tensioactif utilisé.

12) Application de la composition moussante selon l'une des revendications 1 à 9, à la circulation dans un puits foré dans le sol.