EP3298100A1 - Procede d'exploitation d'une formation souterraine par injection d'un fluide comprenant un additif marque par un nano-cristal semi-conducteur luminescent - Google Patents

Procede d'exploitation d'une formation souterraine par injection d'un fluide comprenant un additif marque par un nano-cristal semi-conducteur luminescent

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Publication number
EP3298100A1
EP3298100A1 EP16717662.7A EP16717662A EP3298100A1 EP 3298100 A1 EP3298100 A1 EP 3298100A1 EP 16717662 A EP16717662 A EP 16717662A EP 3298100 A1 EP3298100 A1 EP 3298100A1
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EP
European Patent Office
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additive
fluid
nano
subterranean formation
luminescent
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16717662.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Eric Lecolier
Patrick Gateau
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
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    • E21B43/25—Methods for stimulating production

Definitions

  • the present invention relates to the field of exploration and the exploitation of a subterranean formation.
  • the invention relates more particularly to the determination of properties of a subterranean formation and the detection and analysis of the composition of a fluid recovered from the subterranean formation.
  • the invention relates in particular to the field of enhanced oil recovery (EOR), the field of production water treatment, the field of oil drilling, the field of oil production and / or of source rock gas, the field of treatment of underground formations, ...
  • EOR enhanced oil recovery
  • additive for the exploration and exploitation of an underground formation, it is common to inject a fluid into the underground formation in order to increase the efficiency of the processes. To optimize these processes, it is customary to include at least one additive in the injected fluid.
  • This additive can take the form of organic molecules, such as polymers, copolymers and / or surfactants ... It can also take the form of inorganic molecules such as minerals (clays, barite, etc.). oxides (titanium oxides, iron oxides, ...) ...
  • the addition of additive (s) poses certain problems related in particular to the pollution by the additive of the underground formation, to the pollution by the additive of the water contained in the underground formation, to the pollution of the water
  • a fluid For the drilling of a well, a fluid is injected which fulfills four functions which are: the raising of the rock cuttings, the maintenance in suspension of the cuttings during stops of circulation, the maintenance of the pore pressure at the right of the training as well as the cooling and lubrication of the drill tool.
  • the drilling fluid contains several additives to fulfill these four functions such as viscosifiers, lubricants, defoamers, filtrate reducers, and the like.
  • the dosage of each of the additives of the formulation of the drilling fluid is optimized so that this formulation has the desired properties.
  • the additives can be either organic molecules, such as polymers, copolymers, associative polymers, surfactants, or inorganic particles (clays, barite, etc.).
  • Another desirable application is the monitoring of the injection of anti-hydrate additives, or anti-deposits, or anticorrosion.
  • No current method allows effective monitoring, simple to implement, the injection of additive (s) into the underground formation.
  • the additives used are not easily and rapidly detectable in the fluids recovered from the underground formation.
  • the detection and the determination of additive (s) in fluids produced on the surface production water, hydrocarbons, drilling fluids, fracturing fluids, EOR fluids, ...) is long and complex because of the multiple interference due to the presence of numerous compounds present in the fluids recovered at the surface.
  • To arrive at measuring the concentration of additive (s) in the fluids produced on the surface it is necessary to use several steps to separate, extract the desired additive (s); however this process is very long and does not achieve the desired result.
  • the present invention relates to a method of operating a subterranean formation, in which at least one fluid is injected.
  • the fluid comprises at least one additive, the additive being marked by at least one nano-semiconductor crystal luminescent (fluorescent or phosphorescent).
  • the nano-crystal semiconductor is either phosphorescent or fluorescent
  • the additive is made easily detectable and quantitatively measurable (especially when the additive is labeled with at least one nano-crystal semiconductor fluorescent) in the recovered fluids underground formation.
  • the invention relates to a method of operating a subterranean formation, in which at least one fluid is injected into said subterranean formation, said injected fluid comprising at least one additive.
  • the following steps are carried out:
  • At least one additive is marked with a nano-crystalline semiconductor light-emitting device; b) injecting said fluid comprising said labeled additive into said subterranean formation;
  • said additive is marked by said nano-crystalline semiconductor light by grafting said luminescent nanoconductor crystal on said additive, or by incorporating said nano-crystalline semiconductor luminescent into the structure of said additive, or coating said additive with said luminescent nanoconductor crystal in a coating layer.
  • said luminescent nano-crystalline semiconductor comprises a material chosen from zinc sulphide (ZnS), zinc oxide (ZnO), cadmium sulphide (CdS), selenide zinc (ZnSe), cadmium sulphide (CdS), cadmium selenide (CdSe), cadmium telluride (CdTe), lead sulphide (PbS), lead telluride (PbTe), lead selenide (PbSe), CulnSe 2 , CulnS 2 , CdSeTe, CdHgTe, and ZnS / Zn ⁇ Cd x S , zinc sulfide with manganese (ZnS: Mn), zinc sulfide doped with europium (ZnS: Eu), calcium sulphide doped with europium (CaS: Eu), strontium sulphide doped with europium (SrS: Eu), strontium
  • said nano-crystalline semiconductor light is in the form of a semiconductor core embedded in at least one semiconductor shell.
  • said nano-semiconductor crystal luminescent is in the form of a nano-crystal multihull whose composition is selected from CdSe / CdS / ZnS, CdSe / ZnSe / ZnS and InP / ZnS.
  • said luminescent semiconductor nanocrystal is composed of three atomic elements belonging to columns I, III, and VI of the periodic table.
  • said luminescent semiconductor nanocrystal whose composition is chosen from zinc sulfide doped with manganese (ZnS: Mn), zinc sulphide doped with europium (ZnS: Eu)
  • said luminescent semiconductor nanocrystal has substantially a spherical, nano-cylinder, or nano-wafer shape.
  • said additive is an organic compound such as a polymer, a copolymer, or a surfactant.
  • said additive is an inorganic compound such as a clay mineral, barite, or a metal oxide.
  • said additive is an anti-deposition additive, or an anti-corrosion additive or an anti-hydrate additive.
  • said recovered fluid is a production effluent of said subterranean formation comprising hydrocarbons.
  • said recovered fluid is a fluid taken from an aquifer of said subterranean formation.
  • said recovered fluid is a drilling fluid.
  • At least one fluid is injected with an additive into a subterranean formation by means of at least two wells, and in which, for each well, said additive used is labeled with a nano-crystalline semiconductor light emitting in a distinct wavelength, to determine the source of the additive present in said recovered fluid.
  • the invention relates to a method for determining at least one property of a subterranean formation, in which the operating method according to one of the preceding features is used to determine said property of the subterranean formation at means of said analysis.
  • the operating method is an enhanced hydrocarbon recovery process or a process for producing oil and / or parent rock gas.
  • said property of the subterranean formation is chosen from a petrophysical property, an identification of preferential paths, an identification of preferential connections between wells of said subterranean formation, the detection of a leak during an exploitation of oils and / or source rock gas.
  • the invention relates to a method for optimizing the operation of an underground formation, for which the operating method according to one of the preceding features is used to detect and / or quantify the presence of additive in said recovered fluid, said method comprising a step of adapting said injected fluid and / or a step of treating said recovered fluid as a function of the presence and / or amount of additive in said recovered fluid.
  • the treatment step is a step of treating the water produced by an enhanced hydrocarbon recovery process depending on the amount of additive present in the produced water.
  • the adaptation step is a step of adjusting the additives in a drilling fluid injected into said subterranean formation, the adjustment being a function of the amount of additive present in the surface fluid raised to area.
  • the adaptation step is a step of adjusting the additives in a fracturing fluid injected into said subterranean formation, the adjustment being a function of the amount of additive present in the fluid produced.
  • the adaptation step is a step of adjusting the anti-deposit and / or anti-hydrate and / or anti-corrosion additives in an injected fluid, the adjustment being a function of the amount of additive present in the fluid produced.
  • the adaptation step is a step of adjusting the additives in an enhanced hydrocarbon recovery fluid, the adjustment being a function of the amount of additive present in the fluid produced.
  • the present invention relates to a method for operating an underground formation, in which at least one fluid is injected, the fluid comprising at least one additive.
  • the following steps are carried out:
  • the injected fluid may be an aqueous fluid or an organic solvent. It can be a drilling fluid, water, a fracturing fluid, a hydrocarbon-assisted recovery fluid, etc.
  • the additive of the injected fluid can take the form of organic molecules, such as polymers, copolymers (for example a polyacrylamide) and / or surfactants ... It can also take the form of inorganic compounds such as minerals (clays , barite, ...) or oxides (titanium oxides, iron oxides, ...) ...
  • Recovered fluid is understood to mean complex fluids comprising alone or in mixture production water, hydrocarbons, drilling fluids, fracturing fluids, waters of geological formations ...
  • the term fluid product denotes a complex fluid comprising alone or in combination with the production water and hydrocarbons, which can be recovered by a producing well.
  • the additive is marked by a nano-crystalline semiconductor luminescent (fluorescent or phosphorescent).
  • a nano-crystal semiconductor is also called quantum dot or quantum dot, and is also known by its English name of quantum dot.
  • a nano-crystal semiconductor is a nanostructure of semiconductor material (s). Because of its size and characteristics, it behaves like a potential well that confines electrons (and holes), in three dimensions of space, in a region of a size of the order of the electron wavelength (De Broglie wavelength), or a few tens of nanometers in a semiconductor.
  • the nano-crystals (or nano-particles) semiconductors are objects whose size is typically between 2 and 20 nm; these nanoparticles comprise from about 100 to 10,000 atoms. Due to their small sizes, the semiconductor nano-crystals have very specific optical properties because of the atypical behavior of the electrons due to their confinement in these nano-semiconductor crystals. Thus, the quantum boxes are known and known to be luminescent. Some semiconductor nano-crystals fluoresce with a very narrow wavelength (the half-height width of the emission peak is typically 30 nm). Other semiconductor nano-crystals are known to be phosphorescent. The quantum boxes can emit in the ultraviolet, the visible, the near infrared and the infrared.
  • Luminescent quantum nano-crystals have the advantage of being very bright when they emit light: they can therefore be used in small quantities, unlike organic fluorophores, which have a lower light intensity.
  • the fluorescence and phosphorescence characteristics of the semiconductor nano-crystals allow their use as tracers because they can be easily detected.
  • the other fluorescent organic molecules used in particular in the field of medical imaging lose their fluorescence property under excitation over time: this phenomenon is called photobleaching (photobleaching in English). ).
  • This rapid decrease in the fluorescence of organic fluorophores over time is too important a limitation to consider their use in the field of the invention.
  • luminescent semiconductor nanocrystals are extremely resistant to photobleaching.
  • quantum dots also lies in the fact that it is possible to control their optical properties by modifying their sizes, their shapes, their chemical compositions (for example, by incorporating them specific atomic elements that are generally called dopants ), their surface properties.
  • non-spherical quantum boxes ie which are either cylindrical or platelet-shaped, have the advantage over spherical quantum boxes of emitting polarized light: this property may be an additional advantage for detecting and identify more easily the additives (organic, inorganic molecules) that one wishes to detect in the operating method according to the invention.
  • luminescent semiconductor nano-crystals in particular (this list is not exhaustive):
  • Fluorescent semiconductor nanocrystals which emit a light signal when illuminated by electromagnetic radiation are distinguished.
  • fluorescent semiconductor nanocrystals may be mentioned:
  • Fluorescent semiconductor nanocrystals may exist in the form of pure fluorescent semiconductor nanocrystals and consist of a single atomic element belonging to column IV of the periodic table (such as silicon or germanium).
  • Type II-VI semiconductor nano-crystals (because of their electronic structure) are interesting from the point of view of their optical properties and in particular of fluorescence.
  • these semiconductors which associate one or more anions with one or more cations), there are:
  • Zinc sulphide ZnS
  • zinc oxide ZnO
  • CdS cadmium sulphide
  • Zinc selenide ZnSe
  • CdS cadmium sulphide
  • CdSe cadmium selenide
  • CdTe cadmium telluride
  • PbS lead sulphide
  • PbTe o lead telluride
  • PbSe lead selenide
  • Fluorescent semiconductor nanocrystals may also be in the form of a semiconductor core embedded in a shell itself semiconductor. This shell makes it possible to protect the core (for example from the oxidation, and / or the leaching generated by the fluids in which the semiconducting nano-crystals are caused to circulate or to reside) and to improve the quantum yields ( ie the quality of the fluorescence).
  • monohull semiconductor nanocrystals we find mainly:
  • CdSe cadmium selenide core
  • Zn zinc
  • S sulfur
  • Fluorescent semiconductor nanocrystals also exist in the form of a core coated with several shells: we speak of quantum multihull boxes. These quantum boxes have the advantages of having a lower fragility of the shell (and therefore a better protection of the heart) and to have the highest quantum yields (of the order of 80 to 90%). Examples of such quantum boxes are for example:
  • Fluorescent semiconductor nanocrystals may also be composed of three atomic elements belonging to columns I, III and VI of the periodic table. Examples of such nano-semiconductor crystals are:
  • phosphorescent semiconductor nanocrystals which emit a light signal for a certain period of time after having been illuminated by electromagnetic radiation. Examples that may be mentioned are the following nano-crystalline crystals:
  • Zinc sulphide doped with manganese ZnS: Mn
  • the phosphorescent semiconductor nanocrystals can be used for their detection.
  • luminescent nano-crystals can be used for their detection and quantitative measurement.
  • Luminescent semiconductor nanocrystals do not exist only in spherical form. It is possible to synthesize nano-crystals semiconductors in the form of nano-cylinders, composed for example of CdSe or luminescent nano-platelets.
  • certain compounds of the family of lanthanide oxysulfides ie of the general formula Ln 2 0 2 S where Ln represents an element of the family of lanthanides (such as, for example, lanthanum (La), gadolinium (Gd), etc.) .
  • Ln represents an element of the family of lanthanides (such as, for example, lanthanum (La), gadolinium (Gd), etc.) .
  • Compounds of general formula Ln 2 0 2 S have a lamellar structure.
  • fluorescent nano-platelets having compositions such as, for example, (Na, La) 2 O 2 S: Tb where the lanthanide used is Terbium (the percentage being 1%), or ( Na, La) 2 0 2 S: Eu where the lanthanide used is Europium (the percentage being 4%).
  • the lanthanide oxysulfide is doped with sodium (Na).
  • semiconductor nanocrystals with the best quantum efficiencies are used, such as the CdSe / CdS / Zns or CdSe / ZnSe / Zns multi-shell quantum dots and the quantum dots with hulls. ) not incorporating toxic elements (cadmium) such as InP / ZnS quantum dots.
  • This step of the process according to the invention consists in marking at least one additive with at least one luminescent nano-crystalline semiconductor, the additives being those used in the petroleum industry and which may be of various chemical natures.
  • This marking can be carried out either by (chemical) grafting on the additives (for example in the case of polymers, copolymers, surfactants -monocatenaries, double-strands-, polymers or surfactants or any organic molecule grafted itself on a clay or other mineral), or by incorporation directly into the structure of the additives (for example in the case of inorganic additives such as silica, proppants, baryte, etc.) coating the additives and semiconductor nanocrystals with another material (for example, coating solid charges and semiconducting nano-crystals with a silica layer, or a layer of latex).
  • M denotes a metal (for example, Al, Si, 3)
  • Coupling by the last three reactions described above are particularly useful for grafting quantum dots onto minerals such as clays which are alumino-silicates of colloidal size and which are known to have Al-OH groups and / or Si-OH at the periphery of the particles.
  • the functionalization can consist of a grafting of organic ligands on the surface of the quantum dots, or a coating by a shell of a polymer (or copolymer) having the desired properties (for example, hydrophilic for uses in aqueous media, or, on the contrary, hydrophobic for uses in organic solvents).
  • the ligands may be amino, carboxyl, amide or thiol groups, etc.
  • Fluorescent semiconductor nanocrystals exhibit excellent fluorescence emission: the quantum yield (which is equal to the ratio of the number of photons emitted to the number of photons absorbed) is large and higher than the already known fluorescent organic molecules. Also, semiconductor nano-crystal concentrations as low as a few parts per billion (ppb) are sufficient to measure a fluorescence signal. The measurements will be all the more reliable for concentrations exceeding a few parts per million (ppm). The number of nano-crystals grafted onto the additive depends on several parameters such as the chemical nature of the additive (polymer, clay, etc.), the concentration of additive in the injected fluid, the properties of the fluids injected or the effluents.
  • the number of fluorescent nano-crystals can be grafted onto the additives to be detected in such a way that the final concentration of nano-crystals is correct in order to be able to measure a fluorescence signal, and to quantify the content. as an additive in the controlled complex fluid.
  • the level of concentration required follows the same reasoning as that mentioned for semiconductor nano-crystals. fluorescent.
  • the injected fluid may comprise a single additive, which is then labeled.
  • the injected fluid may comprise a plurality of additives, for which only one additive is marked, for example the additive which is the most polluting and which must be monitored, or the additive which may end up in the recovered fluid.
  • first. For the case where the behavior of several additives in the underground formation has to be analyzed, several additives can be marked. The marking of these various additives can be carried out by grafting fluorescent semiconductor nanocrystals of different sizes which fluoresce at different wavelengths emitted, so as to distinguish the different additives during the optical analysis, and / or by grafting phosphorescent semiconductor nanocrystals. 2) Injection of the fluid
  • the fluid prepared with the labeled additive is injected into the subterranean formation.
  • the injection of a fluid into an underground formation can be carried out by any method known in the field of the petroleum industry. This may include an injection of a fluid into an injector well by means of a pumping system.
  • This step consists in recovering a fluid, called recovered fluid, from the subterranean formation, which is used during the next analysis step.
  • the recovered fluid comprises complex fluids comprising alone or in mixture at least one of the hydrocarbons produced by a producing well, or the water produced by a producing well, or the water taken from the underground formation, in particular the water taken from a well. aquifer of the underground formation, or a drilling fluid raised to the surface during the drilling operation ... 4) Optical Analysis
  • the recovered fluid is analyzed in order to determine the presence
  • the additives are easily detectable by virtue of the fluorescence and / or phosphorescence properties of the luminescent semiconductor nanocrystals marking the additive.
  • the detection of the presence of additives can be implemented by means of phosphorescent semiconductor nanocrystals.
  • the detection of the presence of additives and the measurement of the amount of additives can be implemented by means of luminescent semiconductor nanocrystals.
  • the analysis of the recovered fluid may consist of an optical analysis, such as fluorescence spectroscopy, which measures the length emitted by the semiconductor nanocrystals when they have been excited by incident radiation, or any apparatus making it possible to measure and quantify the fluorescence. From this wavelength, it can be deduced the additive present in the effluent.
  • optical analysis such as fluorescence spectroscopy
  • the analysis of the recovered fluid may also consist in the detection of the phosphorescence of the phosphorescent semiconductor nanocrystals after they have been illuminated by electromagnetic radiation.
  • the phosphorescence can be analyzed by a spectrofluorimeter.
  • the optical analysis can be implemented by means of illumination (excitation by light radiation) and detection of the wavelengths emitted by illuminated recovered fluid.
  • the method of operation comprises injecting at least one fluid with an additive into an underground formation by means of at least two wells.
  • the additive used is marked by a luminescent semiconductor nanocrystal emitting in a distinct wavelength, to determine the source of the additive present in the recovered fluid.
  • the method of operating a subterranean formation according to the invention can be applied to all processes for which a fluid, which comprises additives, is injected into an underground formation, in particular for the processes of exploration and exploitation of an underground formation.
  • the exploitation method according to the invention can be used in an enhanced hydrocarbon recovery process, a process for treating the water produced, a drilling method, a method for producing oils and / or bedrock gas ...
  • One of the problems is the optimization of the EOR operations in order to produce a maximum of oil in place in the tank.
  • Hydraulic fracturing involves pumping under a very high pressure a fluid containing various additives (solid particles called propellants, polymers-polyacrylamide, ... -, clays, ...) so as to crack the rock.
  • propellants solid particles
  • polymers-polyacrylamide polymers-polyacrylamide
  • clays clays
  • a fluid For the drilling of a well, a fluid is injected which fulfills four functions which are: the raising of the rock cuttings, the maintenance in suspension of the cuttings during stops of circulation, the maintenance of the pore pressure at the right of the training as well as the cooling and lubrication of the drill tool.
  • the drilling fluid contains several additives to fulfill these four functions such as viscosifiers, lubricants, defoamers, filtrate reducers, and the like.
  • the dosage of each of the additives of the formulation of the drilling fluid is optimized so that this formulation has the desired properties.
  • the additives can be either organic molecules, such as polymers, copolymers, associative polymers, surfactants or particles inorganic (clays, barite, etc.).
  • Such a method makes it possible to maintain the flow of hydrocarbons in the subterranean formation, by injecting a fluid comprising flow-enhancing additives, for example anti-scale additives, anti-corrosion additives, and anti-hydrate additives.
  • flow-enhancing additives for example anti-scale additives, anti-corrosion additives, and anti-hydrate additives.
  • anti-deposition additives are polymers (polyacrylates, polycarboxylates, etc.).
  • the additive (s) labeled with at least one nano-crystalline semiconductor light emitting can be used as tracer (s) for monitoring the injection of a fluid into a subterranean formation in order to deduce the properties of this porous geological formation (in terms of permeability for example) for the purpose of optimize its operation.
  • the optical analysis performed makes it possible to determine at least one property of the subterranean formation.
  • the properties determined are chosen in particular from the petrophysical properties (permeability, porosity), the identification of preferential paths, or preferential connections ...
  • the knowledge of these properties makes it possible in particular to adapt the methods of exploitation of the underground formation such as as assisted recovery processes, and oil and / or parent-gas production processes.
  • the injection of additives (in particular polymers) grafted luminescent quantum boxes which serve as tracers makes it possible to know the paths taken by the polymer solutions in the tank. This makes it possible to know, for example, whether the injection into such well is effective or not, when they are detected on the surface (during their back-production).
  • the information provided by these additives marked by luminescent quantum dots also makes it possible to optimize the fluid injection operations: for example by modifying the injection pressures, by transforming an injector well into a producing well or vice versa, etc.
  • the method for determining a property of the underground formation is adapted to a process for producing oil and rock-rock gas, in which the operating method with injection of a fracturing fluid.
  • a recovered fluid is recovered and analyzed in an aquifer of the subterranean formation.
  • the presence and / or amount of additive contaminating the aquifer can be determined.
  • the invention also makes it possible to identify the well or wells responsible for a leak by injecting labeled additives with luminescent semiconductor nano-crystals emitting at a length of the characteristic wave of each well, or even with a color code specific to each well by grafting luminescent semiconductor nanocrystals of different sizes.
  • the monitoring authorities may, by the method of the invention, the use of fracturing fluids comprising at least one additive (ideally several additives of different chemical natures) labeled with luminescent semiconductor nanocrystals so as to be able to detect pollution quickly by identifying the well (and therefore the operator) responsible for the leak.
  • additives comprising luminescent semiconductor nanocrystals
  • sensors installed in the aquifers, groundwater to be monitored: these sensors use the fact that semiconductor nano-crystals fluoresce or phosphoresce when excited by radiation.
  • the additive (s) labeled with at least one nano-crystalline semiconductor light is / are used (s) to optimize the exploitation of an underground formation.
  • the analysis of the semiconductor nanocrystals makes it possible to detect and / or quantify the presence of additive in the recovered fluid.
  • the application for optimizing the operation has at least one additional step that can be:
  • a step of adaptation of the injected fluid in particular by adjusting the composition and / or concentration and / or the type and / or the nature and / or the flow rate, for example as an additive, of the fluid injected in time; real, and / or
  • a step of treating the recovered fluid which may be a step of treating the water produced.
  • This additional step is performed depending on the presence and / or the amount of luminescent semiconductor nanocrystals in the recovered fluid.
  • the present invention can be applied to a method of enhanced hydrocarbon recovery, implementing the operating method as described above to determine the presence of additive in the produced water, and implementing a water treatment step when the additive is present in the produced water.
  • the water treatment techniques best suited to ensure that treated water meets environmental standards, thereby reducing water treatment costs and controlling the quality of the water. water treatment.
  • it allows to detect, identify and dose the additives in the treated water to adapt the water treatment techniques used, and thus avoid implementing techniques that are too expensive and unnecessary from one point. technical and / or environmental point of view.
  • the optimization method according to the invention can make it possible to adjust, in real time, the quantity, the nature ... of the additives (polymers, surfactants, etc.). .) in the assisted recovery fluid. Indeed, depending on the presence and / or amount of additives in the recovered fluid, it is possible to determine the conditions of the enhanced recovery so as to optimize the production of hydrocarbons.
  • the optimization method according to the invention can make it possible to adjust in real time the quantity, the nature, of the additives in the drilling fluid. .
  • a drilling fluid comprising at least one additive, in particular viscosifiers, filtrate reducers, is injected.
  • the additives may be polymers (in particular a partially hydrolysed polyacrylamide). , noted HPAM), surfactants, molecules of organophilic clays, clay particles (bentonite) ....
  • HPAM partially hydrolysed polyacrylamide
  • surfactants molecules of organophilic clays
  • clay particles bentonite
  • the method according to the invention makes it possible to determine the concentration of the additives of the drilling fluid and to readjust the concentration of these additives in the drilling fluid.
  • the use of additives labeled with fluorescent semiconductor nano-crystals, in particular viscosifying polymers makes it possible to assay them easily in the water reproduced.
  • the invention can make it possible to monitor the quality of the water of underground formations above the exploited bedrock.
  • additives labeled with luminescent semiconductor nanocrystals can be incorporated into the fluids used (such as fracturing fluids).
  • the use of such additives makes it possible to determine the presence and / or quantity of additives in underground formations (aquifers, groundwater) in which these additives are not supposed to be present.
  • the invention then makes it possible to detect leaks generated during hydraulic fracturing of the parent rock.
  • the present invention makes it possible to determine the presence and / or the quantity of these additives in the effluent produced. This determination then makes it possible to adjust in real time the quantity, the nature, of the added additives in the injected fluid.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé d'exploitation d'une formation souterraine, dans lequel on injecte au moins un fluide. Selon l'invention, le fluide comporte au moins un additif, l'additif étant marqué par au moins un nano-cristal semi-conducteur luminescent (fluorescent ou phosphorescent). De cette manière, et par analyse optique de la présence du nano-cristal semi-conducteur luminescent dans un fluide récupéré de la formation souterraine, on peut déterminer la présence et/ou la quantité d'additif dans le fluide récupéré. Etant donné que le nano-cristal semi-conducteur est soit phosphorescent soit fluorescente, l'additif est rendu facilement détectable et dosable quantitativement dans les fluides récupérés de la formation souterraine.

Description

PROCEDE D'EXPLOITATION D'UNE FORMATION SOUTERRAINE PAR INJECTION D'UN FLUIDE COMPRENANT UN ADDITIF MARQUE PAR UN NANO-CRISTAL SEMICONDUCTEUR LUMINESCENT La présente invention concerne le domaine de l'exploration et l'exploitation d'une formation souterraine. L'invention concerne plus particulièrement la détermination de propriétés d'une formation souterraine et la détection et l'analyse de la composition d'un fluide récupéré de la formation souterraine.
L'invention concerne notamment le domaine de la récupération assistée des hydrocarbures (EOR de l'anglais Enhanced Oil Recovery), le domaine du traitement des eaux de production, le domaine du forage pétrolier, le domaine de la production d'huile et/ou de gaz de roches-mères, le domaine de traitement des formations souterraines, ...
Des méthodes ont été développées pour déterminer des propriétés d'une formation souterraine, telles que les propriétés pétrophysiques (perméabilité, porosité), l'identification de chemins préférentiels, ou de connexions préférentielles... La connaissance de ces propriétés permet notamment d'adapter les procédés d'exploitation de la formation souterraine tels que les procédés de récupération assistée, et les procédés de production d'huile et/ou de gaz de roche-mères. Ces méthodes sont essentiellement basées sur l'injection d'éléments, par exemple des éléments radioactifs, dans la formation souterraine et l'observation de leur comportement (adsorption, chemins parcourus, temps de parcours, ...). Toutefois, ces méthodes ne donnent pas les informations recherchées de manière fiable, car les éléments introduits n'ont pas le même comportement que le fluide avec additif qui est par la suite injecté dans la formation souterraine. Notamment, par leur forme chimique distincte, leur adsorption et leur vitesse diffèrent. De plus, l'utilisation d'éléments radioactifs entraînent des contraintes importantes pour ces méthodes.
Pour l'exploration et l'exploitation d'une formation souterraine, il est courant d'injecter un fluide dans la formation souterraine afin d'augmenter l'efficacité des procédés. Pour optimiser ces procédés, il est d'usage d'inclure au moins un additif dans le fluide injecté. Cet additif peut prendre la forme de molécules organiques, telles que des polymères, des copolymères et/ou des tensioactifs... Il peut également prendre la forme de molécules inorganiques telles que des minéraux (argiles, barytine, . . ) des particules d'oxydes (oxydes de titane, oxydes de fer, ... ) ... Bien que la méthode soit améliorée, l'ajout d'additif(s) pose certains problèmes liés notamment à la pollution par l'additif de la formation souterraine, à la pollution par l'additif de l'eau contenue dans la formation souterraine, à la pollution de l'eau
FEU I LLE DE REM PLACEM ENT (RÈG LE 26) et/ou des hydrocarbures produits par l'additif... Il est donc nécessaire de surveiller le comportement de l'additif dans la formation souterraine.
Pour la récupération assistée des hydrocarbures, il est intéressant de savoir si l'additif utilisé, en général des polymères, des copolymères et des tensioactifs, se retrouve dans l'eau produite, et si oui, d'en connaître sa concentration, afin de réaliser un traitement de l'eau adéquat.
Pour le forage d'un puits, on injecte un fluide qui remplit quatre fonctions qui sont : la remontée des déblais de roches, le maintien en suspension des déblais lors d'arrêts de circulation, le maintien de la pression de pore au droit de la formation ainsi que le refroidissement et la lubrification de l'outil de forage. Le fluide de forage contient plusieurs additifs pour remplir ces quatre fonctions comme des viscosifiants, des lubrifiants, des agents anti-mousse, des réducteurs de filtrat, etc. Le dosage de chacun des additifs de la formulation du fluide de forage est optimisé pour que cette formulation ait les propriétés recherchées. Les additifs peuvent être soit des molécules organiques, telles que des polymères, des copolymères, des polymères associatifs, des tensio-actifs, soit des particules inorganiques (argiles, barytine, etc). Or, une variation de la concentration en additif(s) se traduit par le fait que le fluide de forage ne remplit plus les fonctions mentionnées ci-dessus. Sur la plate-forme de forage, une personne est chargée de contrôler en permanence que les propriétés du fluide de forage sont conformes au cahier des charges initial. Dans cet objectif, il peut être intéressant de disposer d'une méthode permettant de doser instantanément voire en ligne la concentration de certains additifs contenus dans le fluide de forage une fois remonté à la surface. La connaissance de ces informations permet alors d'ajuster en temps réel la concentration des additifs dans la formulation du fluide de forage : celui-ci est alors de composition constante et a donc en permanence les propriétés désirées pour le forage en cours. Cette pratique pourra contribuer à garantir la sécurité lors du forage, et le rendre plus économique (en étant toujours dans les meilleures conditions de forage).
En outre, pour la production d'huile et/ou de gaz de roche-mères, il peut être notamment intéressant de vérifier que les additifs (par exemple des polymères) du fluide de fracturation ne se retrouvent pas dans un ou des aquifère(s), nappes phréatiques situés au- dessus de la formation souterraine exploitée. A des fins de contrôle et de suivi des opérations de fracturation, il peut être intéressant de déterminer la quantité de certains additifs utilisés dans les fluides de fracturation laissée dans les fractures générées dans la roche-mère : pour cela, il peut être utile de mesurer la concentration de/des additifs des fluides de fracturation avant la fracturation et leur concentration après la fracturation (une fois ceux-ci sont reproduits).
Une autre application souhaitable est le suivi de l'injection d'additifs anti-hydrates, ou anti-dépôts, ou anticorrosion. Aucune méthode actuelle ne permet une surveillance efficace, simple à mettre en œuvre, de l'injection d'additif(s) dans la formation souterraine. En effet, les additifs utilisés ne sont pas facilement et rapidement détectables dans les fluides récupérés de la formation souterraine. Aussi, il n'est pas possible d'utiliser le ou les additifs présents dans les fluides comme traceurs et permettre ainsi un suivi et une surveillance de l'injection de fluides dans la formation souterraine. De même, la détection et le dosage d'additif(s) dans les fluides produits en surface (eaux de production, hydrocarbures, fluides de forage, fluides de fracturation, fluides EOR,...) est longue et complexe en raison des multiples interférences dues à la présence de nombreux composés présents dans les fluides récupérés en surface. Pour arriver à mesurer la concentration de ou des additif(s) dans les fluides produits en surface, il est nécessaire d'avoir recours à plusieurs étapes pour séparer, extraire le ou les additif(s) recherché(s) ; or ce processus est très long et ne permet pas d'obtenir le résultat visé.
Pour résoudre ces problèmes, la présente invention concerne un procédé d'exploitation d'une formation souterraine, dans lequel on injecte au moins un fluide. Selon l'invention, le fluide comporte au moins un additif, l'additif étant marqué par au moins un nano-cristal semiconducteur luminescent (fluorescent ou phosphorescent). De cette manière, et par analyse optique de la présence du nano-cristal semi-conducteur luminescent dans un fluide récupéré de la formation souterraine, on peut déterminer la présence et/ou la quantité d'additif dans le fluide récupéré. Etant donné que le nano-cristal semi-conducteur est soit phosphorescent soit fluorescente, l'additif est rendu facilement détectable et dosable quantitativement (notamment lorsque l'additif est marqué par au moins un nano-cristal semi-conducteur fluorescent) dans les fluides récupérés de la formation souterraine.
Le procédé selon l'invention
L'invention concerne un procédé d'exploitation d'une formation souterraine, dans lequel on injecte au moins un fluide dans ladite formation souterraine, ledit fluide injecté comportant au moins un additif. Pour le procédé, on réalise les étapes suivantes :
a) on marque au moins un additif par un nano-cristal semi-conducteur luminescent ; b) on injecte ledit fluide comprenant ledit additif marqué dans ladite formation souterraine ;
c) on récupère au moins un fluide de ladite formation souterraine ; et
d) on analyse optiquement la présence et/ou la quantité dudit additif marqué par ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent dans ledit fluide récupéré. Selon l'invention, on marque ledit additif par ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent par greffage dudit nano-cristal semi-conducteur luminescent sur ledit additif, ou par incorporation dudit nano-cristal semi-conducteur luminescent dans la structure dudit additif, ou par enrobage dudit additif avec ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent dans une couche d'enrobage.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent comprend un matériau choisi parmi le sulfure de zinc (ZnS), l'oxyde de zinc (ZnO), le sulfure de cadmium (CdS), le séléniure de zinc (ZnSe), le sulfure de cadmium (CdS), le séléniure de cadmium (CdSe), le tellurure de cadmium (CdTe), le sulfure de plomb (PbS), le tellurure de plomb (PbTe), le séléniure de plomb (PbSe), le CulnSe2, le CulnS2, le CdSeTe, le CdHgTe, et le ZnS/Zn^CdxS, le sulfure de zinc dopé avec du manganèse (ZnS:Mn), le sulfure de zinc dopé avec de l'europium (ZnS:Eu), le sulfure de calcium dopé avec de l'europium (CaS:Eu), le sulfure de strontium dopé avec de l'europium (SrS:Eu), le sulfure de strontium dopé avec de l'europium et du dysprosium (SrS:Eu,Dy), le sulfure de strontium dopé avec de l'europium et du cuivre (SrS:Eu,Cu)
Conformément à une variante de réalisation, ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent se présente sous la forme d'un cœur semi-conducteur enrobé dans au moins une coque semi-conductrice.
Avantageusement, ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent se présente sous la forme d'un nano-cristal multicoque dont la composition est choisie parmi le CdSe/CdS/ZnS, le CdSe/ZnSe/ZnS et le InP/ZnS.
Selon une caractéristique de l'invention, ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent est composé de trois éléments atomiques appartenant aux colonnes I, III, et VI du tableau périodique.
De préférence, ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent dont la composition est choisie parmi le sulfure de zinc dopé avec du manganèse (ZnS:Mn), le sulfure de zinc dopé avec de l'europium (ZnS:Eu)
De manière avantageuse, ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent a sensiblement une forme sphérique, de nano-cylindre, ou de nano-plaquette.
Selon une variante de réalisation, ledit additif est un composé organique tel qu'un polymère, un copolymère, ou un tensioactif.
Alternativement, ledit additif est un composé inorganique tel qu'un minéral argileux, de la barytine, ou un oxyde métallique.
Selon une alternative, ledit additif est un additif anti-dépôt, ou un additif anticorrosion ou un additif anti-hydrates.
Conformément à un mode de réalisation, ledit fluide récupéré est un effluent de production de ladite formation souterraine comportant des hydrocarbures. De manière alternative, ledit fluide récupéré est un fluide prélevé dans un aquifère de ladite formation souterraine.
Selon une variante, ledit fluide récupéré est un fluide de forage.
De manière avantageuse, on injecte au moins un fluide avec un additif dans une formation souterraine au moyen d'au moins deux puits, et dans lequel, pour chaque puits, on marque ledit additif utilisé par un nano-cristal semi-conducteur luminescent émettant dans une longueur d'onde distincte, pour déterminer la provenance de l'additif présent dans ledit fluide récupéré. En outre, l'invention concerne un procédé de détermination d'au moins une propriété d'une formation souterraine, dans lequel on met en œuvre le procédé d'exploitation selon l'une des caractéristiques précédentes pour déterminer ladite propriété de la formation souterraine au moyen de ladite analyse.
Avantageusement, le procédé d'exploitation est un procédé de récupération assistée des hydrocarbures ou un procédé de production d'huile et/ou de gaz de roches-mères.
De préférence, ladite propriété de la formation souterraine est choisie parmi une propriété pétrophysique, une identification de chemins préférentiels, une identification de connexions préférentielles entre des puits de ladite formation souterraine, la détection d'une fuite lors d'une exploitation d'huiles et/ou de gaz de roches-mères.
De plus, l'invention concerne un procédé d'optimisation de l'exploitation d'une formation souterraine, pour lequel on met en œuvre le procédé d'exploitation selon l'une des caractéristiques précédentes pour détecter et/ou quantifier la présence d'additif dans ledit fluide récupéré, ledit procédé comprenant une étape d'adaptation dudit fluide injecté et/ou une étape de traitement dudit fluide récupéré en fonction de la présence et/ou de la quantité d'additif dans ledit fluide récupéré.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'étape de traitement est une étape de traitement de l'eau produite par un procédé de récupération assistée d'hydrocarbures en fonction de la quantité d'additif présent dans l'eau produite.
Selon une variante de réalisation, l'étape d'adaptation est une étape d'ajustement des additifs dans un fluide de forage injecté dans ladite formation souterraine, l'ajustement étant fonction de la quantité d'additif présent dans le fluide de surface remonté en surface.
Conformément à une caractéristique de l'invention, l'étape d'adaptation est une étape d'ajustement des additifs dans un fluide de fracturation injecté dans ladite formation souterraine, l'ajustement étant fonction de la quantité d'additif présent dans le fluide produit. De manière avantageuse, l'étape d'adaptation est une étape d'ajustement des additifs anti-dépôts et/ou anti-hydrates et/ou anticorrosion dans un fluide injecté, l'ajustement étant fonction de la quantité d'additif présent dans le fluide produit.
Préférentiellement, l'étape d'adaptation est une étape d'ajustement des additifs dans un fluide de récupération assistée des hydrocarbures, l'ajustement étant fonction de la quantité d'additif présent dans le fluide produit.
Description détaillée de l'invention
La présente invention concerne un procédé d'exploitation d'une formation souterraine, dans lequel on injecte au moins un fluide, le fluide comportant au moins un additif. Pour le procédé selon l'invention, on réalise les étapes suivantes :
1 ) Marquage de l'additif
2) Injection du fluide
3) Récupération d'un fluide de la formation souterraine
4) Analyse optique
Le fluide injecté peut être un fluide aqueux ou un solvant organique. Il peut être un fluide de forage, de l'eau, un fluide de fracturation, un fluide de récupération assistée d'hydrocarbures...
L'additif du fluide injecté peut prendre la forme de molécules organiques, telles que des polymères, des copolymères (par exemple un polyacrylamide) et/ou des tensioactifs... Il peut également prendre la forme de composés inorganiques telles que des minéraux (argiles, barytine,...) ou des oxydes (oxydes de titane, oxydes de fer,...)...
Par fluide récupéré, on entend notamment des fluides complexes comprenant seul ou en mélange des eaux de production, des hydrocarbures, des fluides de forage, des fluides de fracturation, des eaux de formations géologiques... Le terme fluide produit désigne un fluide complexe comprenant seul ou en combinaison les eaux de production et les hydrocarbures, qui peuvent être récupérés par un puits producteur. 1 ) Marquage de l'additif
Lors de cette étape, l'additif est marqué par un nano-cristal semi-conducteur luminescent (fluorescent ou phosphorescent). Un nano-cristal semi-conducteur est également appelé boîte quantique ou point quantique, et est aussi connu sous son appellation anglophone de quantum dot. Un nano-cristal semi-conducteur est une nanostructure de matériau(x) semi-conducteur(s). De par sa taille et ses caractéristiques, il se comporte comme un puits de potentiel qui confine les électrons (et les trous), dans les trois dimensions de l'espace, dans une région d'une taille de l'ordre de la longueur d'onde des électrons (longueur d'onde de De Broglie), soit quelques dizaines de nanomètres dans un semi-conducteur. Les nano-cristaux (ou nano-particules) semi-conducteurs sont des objets dont la taille est comprise typiquement entre 2 et 20 nm ; ces nano-particules comportent environ de 100 à 10000 atomes. Du fait de leurs petites tailles, les nano-cristaux semi-conducteurs présentent des propriétés optiques très spécifiques en raison du comportement atypique des électrons dû à leur confinement dans ces nano-cristaux semiconducteurs. Ainsi, les boîtes quantiques sont connues et réputées pour être luminescentes. Certains nano-cristaux semi-conducteurs fluorescent avec une longueur d'onde très étroite (la largeur à mi-hauteur du pic d'émission est typiquement de 30 nm). D'autres nano-cristaux semi-conducteurs sont connus pour être phosphorescents. Les boîtes quantiques peuvent émettre dans l'ultra-violet, le visible, le proche infrarouge et l'infrarouge. De plus, leur spectre d'absorption est très large : on peut donc les exciter avec des rayonnements de longueurs d'onde différentes. Les nano-cristaux quantiques luminescents présentent l'avantage d'être très brillants lorsqu'ils émettent leur lumière : on peut donc les utiliser en faible quantité contrairement aux fluorophores organiques, qui ont une intensité lumineuse plus faible.
Ainsi, les caractéristiques de fluorescence et phosphorescence des nano-cristaux semi-conducteurs permettent leur utilisation en tant que traceur, car ils peuvent être aisément détectables.
De plus, les autres molécules organiques fluorescentes utilisées notamment dans le domaine de l'imagerie médicale (comme par exemple, l'isothiocyanate de fluorescéine) perdent leur propriété de fluorescence sous excitation au cours du temps : ce phénomène est appelé photoblanchiment (photobleaching en anglais). Cette décroissance rapide de la fluorescence des fluorophores organiques au cours du temps est une limitation trop importante pour envisager leur utilisation dans le domaine de l'invention. Au contraire, les nano-cristaux semi-conducteurs luminescents résistent extrêmement bien au photoblanchiment.
L'intérêt des boîtes quantiques réside également dans le fait qu'il est possible de contrôler leurs propriétés optiques en modifiant leurs tailles, leurs formes, leurs compositions chimiques (par exemple, en leur incorporant des éléments atomiques spécifiques que l'on nomme généralement dopants), leurs propriétés de surface. Par exemple, des boîtes quantiques non sphériques, i.e. qui sont soit sous forme cylindriques soit sous forme plaquettaires, présentent l'avantage, par rapport aux boîtes quantiques sphériques, d'émettre une lumière polarisée : cette propriété peut être un avantage supplémentaire pour détecter et identifier plus facilement les additifs (molécules organiques, inorganiques) que l'on souhaite détecter dans le procédé d'exploitation selon l'invention. Il existe différents types de nano-cristaux semi-conducteurs luminescents, notamment (cette liste est non limitative) :
1 . On distingue les nano-cristaux semi-conducteurs fluorescents (qui émettent un signal lumineux lorsqu'ils sont éclairés par un rayonnement électromagnétique). On peut citer à titre d'exemples les nano-cristaux semi-conducteurs fluorescents suivants :
o Les nano cristaux semi-conducteurs fluorescents peuvent exister sous forme de nano-cristaux semi-conducteurs fluorescents purs et constitués d'un seul élément atomique appartenant à la colonne IV du tableau périodique (comme le silicium ou le germanium).
o Les nano-cristaux semi-conducteurs de type II- VI (en raison de leur structure électronique) sont intéressants du point de vue de leurs propriétés optiques et notamment de la fluorescence. Parmi ces semi-conducteurs (qui associent un ou des anions à un ou des cations), on trouve :
o le sulfure de zinc (ZnS), l'oxyde de zinc (ZnO) qui émettent dans l'ultra-violet, de même que le sulfure de cadmium (CdS).
o le séléniure de zinc (ZnSe), le sulfure de cadmium (CdS), le séléniure de cadmium (CdSe), le tellurure de cadmium (CdTe), le sulfure de plomb (PbS) qui émettent sur un spectre allant de l'ultraviolet jusqu'à l'infrarouge en passant par le visible.
o le tellurure de plomb (PbTe), le séléniure de plomb (PbSe) pour l'infra-rouge.
o Les nano-cristaux semi-conducteurs fluorescents peuvent aussi se présenter sous la forme d'un cœur semi-conducteur enrobé dans une coquille elle-même semi-conductrice. Cette coque permet de protéger le cœur (par exemple de l'oxydation, et/ou de la lixiviation engendrée par les fluides dans lesquels les nano-cristaux semi-conducteurs sont amenés à circuler ou à résider) et d'améliorer les rendements quantiques (i.e. la qualité de la fluorescence). Parmi ces nano-cristaux semi-conducteurs monocoques, on trouve principalement :
o un cœur en séléniure de cadmium (CdSe) enrobé dans une coquille de zinc (Zn) et de soufre (S) : CdSe/ZnS
o autres exemples possibles : CdSe/ZnSe, CdSe/CdS, InP/ZnS,... o Les nano-cristaux semi-conducteurs fluorescents existent également sous la forme d'un cœur enrobé de plusieurs coques : on parle de boites quantiques multicoques. Ces boîtes quantiques ont les avantages d'avoir une fragilité moindre de la coque (et donc une meilleure protection du cœur) et d'avoir les rendements quantiques les plus élevés (de l'ordre de 80 à 90%). Des exemples de telles boîtes quantiques sont par exemple :
o CdSe/CdS/Zns
o CdSe/ZnSe/Zns
o Les nano-cristaux semi-conducteurs fluorescents peuvent également être composés de trois éléments atomiques appartenant aux colonnes I, III et VI du tableau périodique. Des exemples de tels nano-cristaux semiconducteurs sont :
o CulnSe2
o CulnS2
o CdSeTe
o CdHgTe
o ZnS/Zn1-xCdxS
2. On distingue également les nano-cristaux semi-conducteurs phosphorescents (qui émettent un signal lumineux pendant une certaine durée après avoir étés éclairés par un rayonnement électromagnétique). On peut citer à titre d'exemples les nano-cristaux semi-conducteurs suivants :
o Le sulfure de zinc dopé avec du manganèse (ZnS:Mn)
o Le sulfure de zinc dopé avec de l'europium (ZnS:Eu)
o Le sulfure de calcium dopé avec de l'europium (CaS:Eu)
o Le sulfure de strontium dopé avec de l'europium (SrS:Eu)
o Le sulfure de strontium dopé avec de l'europium et du dysprosium (SrS:Eu,Dy)
o Le sulfure de strontium dopé avec de l'europium et du cuivre (SrS:Eu,Cu)
Selon un mode de réalisation de l'invention, les nano-cristaux semi-conducteurs phosphorescents peuvent être utilisés pour leur détection. De plus, les nano-cristaux luminescents peuvent être utilisés pour leur détection et leur mesure quantitative.
Les nano-cristaux semi-conducteurs luminescents n'existent pas uniquement sous forme sphérique. Il est possible de synthétiser des nano-cristaux semi-conducteurs se présentant sous forme de nano-cylindres, composé par exemple de CdSe ou de nano- plaquettes luminescentes. Par exemple, certains composés de la famille des oxysulfures de lanthanide, i.e. de formule générale Ln202S où Ln représente un élément de la famille des lanthanides (comme par exemple le lanthane (La), le gadolinium (Gd) etc .). Les composés de formule générale Ln202S présentent une structure lamellaire. Ainsi, il est possible de synthétiser des nano-plaquettes fluorescentes ayant des compostions telles que, par exemple, (Na,La)202S:Tb où le lanthanide utilisé est le Terbium (le pourcentage étant de 1 %), ou (Na, La)202S:Eu où le lanthanide utilisé est l'Europium (le pourcentage étant de 4%). Dans chacun de ces exemples, l'oxysulfure de lanthanide est dopé avec du sodium (Na).
Pour le procédé selon l'invention, toutes les familles de nano-cristaux semiconducteurs luminescents décrites ci-dessus conviennent.
De préférence, on utilise pour le procédé selon l'invention des nano-cristaux semi- conducteurs avec les meilleurs rendements quantiques comme les boîtes quantiques multicoques du type CdSe/CdS/Zns ou CdSe/ZnSe/Zns et les boîtes quantiques à coque(s) n'incorporant pas d'éléments toxiques (cadmium) comme les boîtes quantiques InP/ZnS.
Cette étape du procédé selon l'invention consiste à marquer au moins un additif par au moins un nano-cristal semi-conducteur luminescents, les additifs étant ceux utilisés dans l'industrie pétrolière et pouvant être de natures chimiques diverses. Ce marquage peut être réalisé soit par greffage (chimique) sur les additifs (par exemple dans le cas des polymères, des copolymères, des tensio-actifs -monocaténaires, bicaténaires-, des polymères ou tensio- actifs ou toute molécule organique greffée elle-même sur une argile ou tout autre minéral), soit par incorporation directement dans la structure des additifs (par exemple dans le cas d'additifs inorganiques comme la silice, les agents de soutènement (en anglais propants), la barytine,...) soit par enrobage des additifs et des nano-cristaux semi-conducteurs par un autre matériau (par exemple, enrobage de charges solides et des nano-cristaux semiconducteurs par une couche de silice, ou une couche de latex).
II existe différentes possibilités pour marquer les additifs avec des nano-cristaux semiconducteurs luminescents. Ces différentes techniques de marquage (décrites dans la littérature) et adaptées au procédé selon l'invention, sont listées ci-dessous de manière non exhaustive :
- couplage par une attraction électrostatique,
- couplage en bi-fonctionnalisant l'additif (polymère, tensio-actif,...) et la boîte quantique (QD). Par exemple : QD—S-CH2-CO-NH— Additif,
- couplage par attraction hydrophobique entre des groupes hydrophobes de l'additif et des groupes hydrophobes à la surface des boîtes quantiques,
- couplage par réaction d'oxolation entre deux groupes M-OH, l'un présent à la surface d'une boîte quantique (QD) et l'autre étant présent sur l'additif à marquer, où M est un métal
(par exemple, Al, Si,...) :
O SÎ-OHQD + Si-OHadditif → SlQD-O-Siadditif o AI-OHQD + AI-OHADDITIF→ AIQD-0-Aladditif
- couplage par réaction d'olation, qui peut se produire lorsque une molécule d'eau existe sur un groupe complexe de surface soit de la boîte quantique soit de l'additif :
o MQD-OH + MAddi1IF-OH2→ Mao-OH-Madditi, + H20
o Madditif-OH + MQD-OH2→ MQD-OH-Madditif + H20
o M désigne un métal (par exemple, Al, Si,...)
- couplage par réaction d'alkoxylation,
- couplage par des oligomères de polysialates dont les formules chimiques sont présentées ci-dessous. Ces oligomères de polysialates servent de pont entre un ou des boîtes quantiques et les additifs à marquer. -O-
Poly(sialate) Poly(sialate-siloxo) Poly(sialate-disiloxo)
Le couplage par les trois dernières réactions décrites ci-dessus sont notamment intéressantes pour greffer des boites quantiques sur des minéraux comme les argiles qui sont des alumino-silicates de taille colloïdale et dont on sait qu'il existe des groupes AI-OH et/ou Si-OH en périphérie des particules.
Pour « accrocher » des boîtes quantiques sur les additifs, on note que les méthodes les plus efficaces décrites ci-dessus impliquent de fonctionnaliser les boîtes quantiques ; la fonctionnalisation consiste à modifier l'état de surface des boîtes quantiques en greffant des groupes chimiques qui permettront d'établir une liaison avec les groupes chimiques de l'additif à marquer. Les méthodes de fonctionnalisation sont bien connues depuis la fin des années 1990. Les articles suivants décrivent ces méthodes :
- Bruchez Jr. M., Moronne M., Gin P., Weiss S., Alivisatos A.P., 1998, Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels, Science.
- Chan W.C.W., Nie S., 1998, Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic détection, Science.
La fonctionnalisation peut consister en un greffage de ligands organiques à la surface des boîtes quantiques, ou en un enrobage par une coque d'un polymère (ou copolymère) ayant les propriétés voulues (par exemple, hydrophilie pour des utilisations en milieux aqueux, ou, au contraire, hydrophobie pour des utilisations en solvants organiques). A titre d'exemple, les ligands peuvent être des groupements aminé, carboxyle, amide, thiol,...
En outre, le document : Bach L.G., Islam Md R., Hong S. S., Lim K.T., 2013, A simple préparation of a stable CdS-Polyacrylamide nanocomposite: Structure, thermal and optical properties, J. Nanosci. Nanotechnol, décrit une méthode pour greffer une boîte quantique sur un polyacrylamide.
Par ailleurs, le document : Jeong J., Kwon E.-K., Cheong T.-C, Park H., Cho N.-H., Kim W., 2014, Synthesis of multifunctional Fe304-CdSe/ZnS nanoclusters coated with lipid; A toward dendritic cell-based immunotherapy, Applied Materials and Interfaces montre qu'il est possible d'attacher des boîtes quantiques sur des composés autres que des composés organiques, par exemple des nano-particules d'oxyde de fer.
Les nano-cristaux semi-conducteurs fluorescents présentent une excellente émission de fluorescence : le rendement quantique (qui est égal au rapport du nombre de photons émis sur le nombre de photons absorbés) est important et plus élevé que les molécules organiques fluorescentes déjà connues. Aussi, des concentrations en nano-cristaux semiconducteurs aussi faibles que quelques parties par milliards (ppb) sont suffisantes pour mesurer un signal de fluorescence. Les mesures seront d'autant plus fiables pour des concentrations dépassant quelques partie par millions (ppm). Le nombre de nano-cristaux greffés sur l'additif dépend de plusieurs paramètres comme la nature chimique de l'additif (polymère, argile,...), de la concentration en additif dans le fluide injecté, les propriétés des fluides injectés ou des effluents. Aussi, en fonction de l'application visée, on peut greffer sur les additifs à détecter le nombre de nano-cristaux fluorescents de telle façon que la concentration finale en nano-cristaux soit correcte pour pouvoir mesurer un signal de fluorescence, et quantifier la teneur en additif dans le fluide complexe contrôlé. Dans le cas où l'on souhaite seulement détecter la présence d'un additif marqué par au moins un nano- cristal semi-conducteur phosphorescent, le niveau de de concentration nécessaire suit le même raisonnement que celui mentionné pour les nano-cristaux semi-conducteurs fluorescents.
Le fluide injecté peut comprendre un seul additif, qui est alors marqué. Alternativement, le fluide injecté peut comporter une pluralité d'additifs, pour lequel un seul additif est marqué, par exemple l'additif qui est le plus polluant et qui doit être surveillé, ou l'additif qui risque de se retrouver dans le fluide récupéré en premier. Pour le cas où le comportement de plusieurs additifs dans la formation souterraine doit être analysé, plusieurs additifs peuvent être marqués. Le marquage de ces différents additifs peut être réalisé en greffant des nano- cristaux semi-conducteurs fluorescents de tailles différentes qui fluorescent à des longueurs d'onde émises différentes, de manière à distinguer les différents additifs lors de l'analyse optique, et/ou en greffant des nano-cristaux semi-conducteurs phosphorescents. 2) Injection du fluide
Le fluide préparé avec l'additif marqué est injecté dans la formation souterraine. L'injection d'un fluide dans une formation souterraine peut être réalisée par toute méthode connue dans le domaine de l'industrie pétrolière. Il peut s'agir notamment d'une injection d'un fluide dans un puits injecteur au moyen d'un système de pompage.
3) Récupération d'un fluide
Cette étape consiste à récupérer un fluide, appelé fluide récupéré, de la formation souterraine, qui sert lors de l'étape suivante d'analyse. Le fluide récupéré comporte des fluides complexes comprenant seul ou en mélange au moins un des hydrocarbures produits par un puits producteur, ou l'eau produite par un puits producteur, ou l'eau prélevée dans la formation souterraine, notamment l'eau prélevée dans un aquifère de la formation souterraine, ou un fluide de forage remonté à la surface lors de l'opération de forage... 4) Analyse optique
Lors de cette étape le fluide récupéré est analysé de manière à déterminer la présence
(ou l'absence) et/ou la quantité des nano-cristaux semi-conducteurs luminescents dans le fluide récupéré. La présence, l'absence et/ou la quantité des nano-cristaux semi-conducteurs dans le fluide récupéré permet de déterminer la présence, l'absence et/ou la quantité des additifs dans le fluide récupéré. En effet, les additifs sont facilement détectables grâce aux propriétés de fluorescence et/ou de phosphorescence des nano-cristaux semi-conducteurs luminescents marquant l'additif.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la détection de la présence d'additifs peut être mise en œuvre au moyen de nano-cristaux semi-conducteurs phosphorescents.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la détection de la présence d'additifs et la mesure de la quantité d'additifs peut être mise en œuvre au moyen de nano-cristaux semiconducteurs luminescents.
L'analyse du fluide récupéré peut consister en une analyse optique, comme la spectroscopie de fluorescence, qui mesure la longueur émise par les nano-cristaux semi- conducteurs lorsque ceux-ci ont été excités par un rayonnement incident, ou tout appareil permettant de mesurer et quantifier la fluorescence. De cette longueur d'onde, on peut en déduire l'additif présent dans l'effluent.
L'analyse du fluide récupéré peut également consister en la détection de la phosphorescence des nano-cristaux semi-conducteurs phosphorescents après que ceux-ci aient été éclairés par un rayonnement électromagnétique. La phosphorescence peut être analysée par un spectrofluorimètre. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'analyse optique peut être mise en œuvre au moyen d'un éclairage (excitation par rayonnement lumineux) et d'une détection des longueurs d'onde émises par fluide récupéré éclairé.
Grâce à cette analyse, il est possible de déterminer en continu et en temps réel la présence et/ou la quantité d'additif(s) dans les fluides récupérés.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé d'exploitation comporte l'injection d'au moins un fluide avec un additif dans une formation souterraine au moyen d'au moins deux puits. Pour chaque puits, on marque l'additif utilisé par un nano-cristal semi- conducteur luminescent émettant dans une longueur d'onde distincte, pour déterminer la provenance de l'additif présent dans le fluide récupéré. Ainsi, dans un procédé de récupération assistée, selon un exemple de réalisation de l'invention, il est possible de déterminer quel est le chemin le plus direct entre un puits injecteur et un puits producteur. Dans un procédé de production d'huile et/ou de gaz de roche-mères, selon un exemple de réalisation de l'invention, il est possible de déterminer quel est le puits injecteur qui est à l'origine d'une fuite dans un aquifère.
Applications du procédé
Le procédé d'exploitation d'une formation souterraine selon l'invention peut être appliqué à tous les procédés pour lequel un fluide, qui comporte des additifs, est injecté dans une formation souterraine, notamment pour les procédés d'exploration et d'exploitation d'une formation souterraine. En particulier, le procédé d'exploitation selon l'invention peut être utilisé dans un procédé de récupération assistée des hydrocarbures, un procédé de traitement de l'eau produite, un procédé de forage, un procédé de production d'huiles et/ou de gaz de roche-mère...
Avant de décrire deux applications du procédé selon l'invention, on décrit brièvement les différents procédés d'exploration et d'exploitation d'une formation souterraine. Toutefois, le procédé selon l'invention ne se limite aux applications décrites. Procédé de récupération assistée d'hydrocarbures (EOR)
Au début de l'exploitation d'un réservoir pétrolier, la pression régnant dans le gisement suffit à produire les hydrocarbures en place. Cependant, au cours du temps, la pression dans le réservoir chute et n'est plus suffisante pour expulser le pétrole de la roche-réservoir. Après cette récupération primaire, il devient nécessaire de compenser cette chute de pression en injectant soit de l'eau soit du gaz dans le réservoir. Cette étape de la production porte le nom de récupération secondaire, mais le taux de récupération des hydrocarbures en place plafonne à 30%. L'industrie pétrolière a développé des techniques de récupération améliorée du pétrole (EOR). Ces techniques, dites de récupération tertiaire, vise à modifier la mobilité et/ou la saturation du pétrole en place dans la roche-réservoir. Parmi ces techniques de récupération améliorée, on distingue l'EOR-C02 qui consiste en l'injection de C02 dans le réservoir, et l'EOR Chimique qui consiste à injecter de solutions de tensio- actifs, de micro-émulsions, ou des solutions aqueuses de polymères, comme du polyacrylamide, du xanthane (l'injection de ces solutions de polymères porte le nom anglais de « polymer flooding »).
L'un des problèmes est l'optimisation des opérations d'EOR de manière à produire un maximum d'huile en place dans le réservoir.
Traitement de l'eau sur les champs avec EOR chimique
Lorsqu'on récupère des hydrocarbures, on produit également de l'eau, soit celle qui était initialement présente dans la formation souterraine, soit celle qui a été injectée. L'eau récupérée peut être polluée par les différents additifs injectés. Par conséquent, cette eau peut être impropre à une réutilisation ou un déversement dans l'environnement, dans une réserve naturelle d'eau. C'est pourquoi, des opérations de traitement de l'eau sont prévues pour dépolluer l'eau produite. Ces opérations sont complexes et coûteuses.
Procédé de production d'huile et de gaz de roches-mères
La production de ces pétroles non conventionnels nécessitent la fracturation de la roche-mère. La technique la plus communément utilisée est la fracturation hydraulique. La fracturation hydraulique consiste à pomper sous très forte pression un fluide contenant différents additifs (particules solides appelés propants, des polymères -polyacrylamide,... -, des argiles,...) de manière à fissurer la roche. Lors d'opérations de fracturation hydraulique mal maîtrisées, il est possible que des remontées des fluides utilisés pour la fracturation surviennent et engendrent une pollution.
Procédé de forage de puits
Pour le forage d'un puits, on injecte un fluide qui remplit quatre fonctions qui sont : la remontée des déblais de roches, le maintien en suspension des déblais lors d'arrêts de circulation, le maintien de la pression de pore au droit de la formation ainsi que le refroidissement et la lubrification de l'outil de forage. Le fluide de forage contient plusieurs additifs pour remplir ces quatre fonctions comme des viscosifiants, des lubrifiants, des agents anti-mousse, des réducteurs de filtrat, etc. Le dosage de chacun des additifs de la formulation du fluide de forage est optimisé pour que cette formulation ait les propriétés recherchées. Les additifs peuvent être soit des molécules organiques, telles que des polymères, des copolymères, des polymères associatifs, des tensio-actifs, soit des particules inorganiques (argiles, barytine, etc). Or, une variation de la concentration en additif(s) se traduit par le fait que le fluide de forage ne remplit plus les fonctions mentionnées ci-dessus. Sur la plate-forme de forage, une personne est chargée de contrôler en permanence que les propriétés du fluide de forage sont conformes au cahier des charges initial. Dans cet objectif, il peut être intéressant de disposer d'une méthode permettant de doser instantanément et en ligne la concentration de certains additifs contenus dans le fluide de forage une fois remonté à la surface.
Procédé de maintien de l'écoulement (en anglais flow assurance)
Un tel procédé permet le maintien de l'écoulement des hydrocarbures dans la formation souterraine, par injection d'un fluide comprenant des additifs optimisant l'écoulement, par exemple des additifs anti-dépôt (en anglais anti-scale), des additifs anticorrosion, et des additifs anti-hydrates. Des exemples d'additifs anti-dépôt sont des polymères (polyacrylates, polycarboxylates,...).
A) Première application - Détermination d'une propriété de la formation souterraine Selon une première application du procédé d'exploitation selon l'invention, le ou les additifs marqué(s) par au moins un nano-cristal semi-conducteur luminescent peut/peuvent être utilisé(s) comme traceur(s) pour le suivi de l'injection d'un fluide dans une formation souterraine afin d'en déduire les propriétés de cette formation géologique poreuse (en termes de perméabilité par exemple) dans le but d'en optimiser son exploitation. Ainsi, l'analyse optique effectuée permet de déterminer au moins une propriété de la formation souterraine. Les propriétés déterminées sont choisies notamment parmi les propriétés pétrophysiques (perméabilité, porosité), l'identification de chemins préférentiels, ou de connexions préférentielles... La connaissance de ces propriétés permet notamment d'adapter les procédés d'exploitation de la formation souterraine tels que les procédés de récupération assistée, et les procédés de production d'huile et/ou de gaz de roche-mères.
Selon un premier exemple, dans le cadre de la récupération assistée des hydrocarbures, l'injection des additifs (notamment des polymères) greffés de boîtes quantiques luminescentes qui servent de traceurs permet de connaître les chemins empruntés par les solutions de polymères dans le réservoir. Ceci permet de savoir, par exemple, si l'injection dans tel puits est efficace ou non, lors de leur détection en surface (lors de leur back-production). Les informations apportées par ces additifs marqués par des boîtes quantiques luminescentes permettent également l'optimisation des opérations d'injection des fluides : par exemple en modifiant les pressions d'injection, en transformant un puits injecteur en puits producteur ou inversement,... De plus, ces informations sur la productivité des différents puits peuvent permettre une remise à jour, et un recalage des modèles de réservoir de manière à optimiser le taux de récupération du champs en production au moyen de simulations de réservoir. Selon un deuxième exemple, le procédé de détermination d'une propriété de la formation souterraine est adapté à un procédé de production d'huile et de gaz de roches- mères, dans lequel on met en œuvre le procédé d'exploitation avec injection d'un fluide de fracturation. Dans le procédé selon l'invention, on récupère et on analyse un fluide récupéré dans un aquifère de la formation souterraine. Ainsi, on peut déterminer la présence et/ou la quantité d'additif polluant l'aquifère. En effet, dans la formulation des fluides de fracturation, l'utilisation d'additifs marqués par des nano-cristaux semi-conducteurs luminescents permet une détection facile de la présence de ces additifs dans des aquifères. Ainsi, il est possible de surveiller la qualité des aquifères et leur éventuelle pollution.
Pour la production d'huile et de gaz de roches-mères, l'invention permet aussi d'identifier le ou les puits responsables d'une fuite en injectant des additifs marqués avec des nano-cristaux semi-conducteurs luminescents émettant à une longueur d'onde caractéristique de chaque puits, voire avec un code couleur spécifique à chaque puits en greffant des nano-cristaux semi-conducteur luminescents de tailles différentes.
Par exemple, on peut imaginer d'identifier quel opérateur est à l'origine d'une fuite par injection d'additifs greffés de nano-cristaux semi-conducteurs avec un code couleur spécifique à chaque opérateur.
De plus, à titre de surveillance de l'intégrité des aquifères, et des nappes phréatiques situés au-dessus d'un réservoir d'hydrocarbures de roches-mères, les autorités de surveillance peuvent, au moyen du procédé selon l'invention, imposer l'utilisation de fluides de fracturation comportant au moins un additif (idéalement plusieurs additifs de différentes natures chimiques) marqué par des nano-cristaux semi-conducteurs luminescents de manière à être en mesure de détecter rapidement une pollution en identifiant le puits (et donc l'opérateur) responsable de la fuite.
Avantageusement, on peut également envisager d'inclure dans la formulation des fluides de fracturation des composés marqués par des nano-cristaux semi-conducteurs luminescents, dont on sait qu'ils diffuseront plus vite ou aussi vite que les autres composants : de tels composés permettront de détecter de manière précoce une fuite, et de mettre en évidence une rupture de l'intégrité du champs.
Un autre avantage de l'utilisation d'additifs comportant des nano-cristaux semi- conducteurs luminescents réside dans le fait que ces additifs peuvent être détectés in situ par des capteurs installés dans les aquifères, nappes phréatiques à surveiller : ces capteurs utilisent le fait que les nano-cristaux semi-conducteurs fluorescent ou phosphorescent lorsqu'ils sont excités par un rayonnement.
B) Deuxième application - Optimisation de l'exploitation
Selon une deuxième application du procédé d'exploitation selon l'invention, le ou les additif(s) marqué(s) par au moins un nano-cristal semi-conducteur luminescent est/sont utilisé(s) pour optimiser l'exploitation d'une formation souterraine. L'analyse des nano- cristaux semi-conducteurs permet de détecter et/ou de quantifier la présence d'additif dans le fluide récupéré. Ensuite, l'application pour l'optimisation de l'exploitation comporte au moins une étape supplémentaire qui peut être :
- une étape d'adaptation du fluide injecté, notamment par ajustement de la composition et/ou concentration et/ou du type et/ou de la nature et/ou du débit..., par exemple en additif, du fluide injecté en temps réel, et/ou
- une étape de traitement du fluide récupéré, qui peut être une étape de traitement de l'eau produite.
Cette étape supplémentaire est réalisée en fonction de la présence et/ou la quantité de nano-cristaux semi-conducteurs luminescents dans le fluide récupéré.
Selon un exemple de réalisation de l'invention, la présente invention peut être appliqué à un procédé de récupération assistée des hydrocarbures, mettant en œuvre le procédé d'exploitation tel que décrit précédemment pour déterminer la présence d'additif dans l'eau produite, et mettant en œuvre une étape de traitement de l'eau lorsque l'additif est présent dans l'eau produite. Ainsi, il est possible de mettre en œuvre les techniques de traitement de l'eau les mieux adaptées pour que l'eau traitée respecte les normes environnementales, ce qui permet de diminuer les coûts de traitement de l'eau et de contrôler la qualité du traitement de l'eau. De plus, cela permet de détecter, d'identifier et de doser les additifs dans l'eau traitée pour adapter les techniques de traitement de l'eau utilisées, et ainsi éviter de mettre en œuvre des techniques trop coûteuses et inutiles d'un point de vue technique et/ou environnemental.
Selon un exemple de réalisation relatif à un procédé de récupération assistée des hydrocarbures, le procédé d'optimisation selon l'invention peut permettre d'ajuster, en temps réel, la quantité, la nature... des additifs (polymères, tensioactifs...) dans le fluide de récupération assistée. En effet, en fonction de la présence et/ou de la quantité d'additifs dans le fluide récupéré, il est possible de déterminer les conditions de la récupération assistée de manière à optimiser la production d'hydrocarbures. Selon un exemple de réalisation relatif au forage d'un puits dans une formation souterraine, le procédé d'optimisation selon l'invention peut permettre d'ajuster en temps réel la quantité, la nature,... des additifs dans le fluide de forage. En effet, pour le procédé de forage de puits, on injecte un fluide de forage comprenant au moins un additif, notamment des viscosifiants, des réducteurs de filtrat... Par exemple, les additifs peuvent être des polymères (notamment, un polyacrylamide partiellement hydrolysé, noté HPAM), des tensioactifs, des molécules d'argiles organophiles, des particules d'argile (bentonite).... Au cours du forage, il est important de réajuster les concentrations en additifs pour avoir les bonnes propriétés des fluides de forage. Le procédé de forage selon l'invention met en œuvre le procédé d'exploitation tel que décrit précédemment. Le procédé d'exploitation de l'injection permet de déterminer la concentration de l'additif après retour en surface du fluide de forage. Ainsi, le procédé selon l'invention permet de doser la concentration des additifs du fluide de forage et de réajuster la concentration de ces additifs dans le fluide de forage. En outre, selon un exemple de réalisation relatif à la production d'huile et/ou de gaz de roche-mères, on peut récupérer et analyser le fluide produit dans le puits producteur. En effet, après fracturation hydraulique, lors de la mise en production du puits, une partie du fluide de fracturation est reproduite. L'utilisation d'additifs marqués par des nano-cristaux semi-conducteurs fluorescents, en particulier les polymères viscosifiants (Hydroxypropylguar HPG ou Carboxymethyl-hydroxypropyl-guar CMHPG), permet de les doser aisément dans l'eau reproduite. En outre, l'invention peut permettre de surveiller la qualité de l'eau de formations souterraines sus-jacentes à la roche-mère exploitée. Pour cela, on peut incorporer dans les fluides utilisés (comme les fluides de fracturation) des additifs marqués avec des nano-cristaux semi-conducteurs luminescents. L'utilisation de tels additifs permet de déterminer la présence et/ou la quantité d'additifs dans des formations souterraines (aquifères, nappes phréatiques) dans lesquelles ces additifs ne sont pas censés être présents. L'invention permet alors de détecter des fuites générées lors de la fracturation hydraulique de la roche-mère. Selon un exemple relatif au procédé de maintien de l'écoulement, par injection d'un fluide avec additif dans la formation souterraine, la présente invention permet de déterminer la présence et/ou la quantité de ces additifs dans l'effluent produit. Cette détermination permet ensuite d'ajuster en temps réel la quantité, la nature... des additifs ajoutés dans le fluide injecté.

Claims

Revendications
1 ) Procédé d'exploitation d'une formation souterraine, dans lequel on injecte au moins un fluide dans ladite formation souterraine, ledit fluide injecté comportant au moins un additif, caractérisé en ce qu'on réalise les étapes suivantes :
a) on marque au moins un additif par un nano-cristal semi-conducteur luminescent ; b) on injecte ledit fluide comprenant ledit additif marqué dans ladite formation souterraine ;
c) on récupère au moins un fluide de ladite formation souterraine ; et
d) on analyse optiquement la présence et/ou la quantité dudit additif marqué par ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent dans ledit fluide récupéré.
2) Procédé selon la revendication 1 , dans lequel on marque ledit additif par ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent par greffage dudit nano-cristal semi-conducteur luminescent sur ledit additif, ou par incorporation dudit nano-cristal semi-conducteur luminescent dans la structure dudit additif, ou par enrobage dudit additif avec ledit nano- cristal semi-conducteur luminescent dans une couche d'enrobage.
3) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit nano-cristal semiconducteur luminescent comprend un matériau choisi parmi le sulfure de zinc (ZnS), l'oxyde de zinc (ZnO), le sulfure de cadmium (CdS), le séléniure de zinc (ZnSe), le sulfure de cadmium (CdS), le séléniure de cadmium (CdSe), le tellurure de cadmium (CdTe), le sulfure de plomb (PbS), le tellurure de plomb (PbTe), le séléniure de plomb (PbSe), le CulnSe2, le CulnS2, le CdSeTe, le CdHgTe, et le ZnS/Zni-xCdxS, le sulfure de zinc dopé avec du manganèse (ZnS:Mn), le sulfure de zinc dopé avec de l'europium (ZnS:Eu), le sulfure de calcium dopé avec de l'europium (CaS:Eu), le sulfure de strontium dopé avec de l'europium (SrS:Eu), le sulfure de strontium dopé avec de l'europium et du dysprosium (SrS:Eu,Dy), le sulfure de strontium dopé avec de l'europium et du cuivre (SrS:Eu,Cu) 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit nano-cristal semiconducteur luminescent se présente sous la forme d'un cœur semi-conducteur enrobé dans au moins une coque semi-conductrice.
5) Procédé selon la revendication 4, dans lequel ledit nano-cristal semi-conducteur luminescent se présente sous la forme d'un nano-cristal multicoque dont la composition est choisie parmi le CdSe/CdS/ZnS, le CdSe/ZnSe/ZnS et le InP/ZnS. 6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit nano-cristal semiconducteur luminescent est composé de trois éléments atomiques appartenant aux colonnes I, III, et VI du tableau périodique. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit nano-cristal semiconducteur luminescent dont la composition est choisie parmi le sulfure de zinc dopé avec du manganèse (ZnS:Mn), le sulfure de zinc dopé avec de l'europium (ZnS:Eu)
8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit nano-cristal semi- conducteur luminescent a sensiblement une forme sphérique, de nano-cylindre, ou de nano-plaquette.
9) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit additif est un composé organique tel qu'un polymère, un copolymère, ou un tensioactif.
10) Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel ledit additif est un composé inorganique tel qu'un minéral argileux, de la barytine, ou un oxyde métallique.
1 1 ) Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel ledit additif est un additif anti- dépôt, ou un additif anticorrosion ou un additif anti-hydrates.
12) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide récupéré est un effluent de production de ladite formation souterraine comportant des hydrocarbures. 13) Procédé selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel ledit fluide récupéré est un fluide prélevé dans un aquifère de ladite formation souterraine.
14) Procédé selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel ledit fluide récupéré est un fluide de forage.
15) Procédé d'exploitation d'une formation souterraine selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on injecte au moins un fluide avec un additif dans une formation souterraine au moyen d'au moins deux puits, et dans lequel, pour chaque puits, on marque ledit additif utilisé par un nano-cristal semi-conducteur luminescent émettant dans une longueur d'onde distincte, pour déterminer la provenance de l'additif présent dans ledit fluide récupéré. 16) Procédé de détermination d'au moins une propriété d'une formation souterraine, dans lequel on met en œuvre le procédé d'exploitation selon l'une des revendications précédentes et on détermine ladite propriété de la formation souterraine au moyen de ladite analyse.
17) Procédé selon la revendication 16, dans lequel le procédé d'exploitation est un procédé de récupération assistée des hydrocarbures ou un procédé de production d'huile et/ou de gaz de roches-mères. 18) Procédé selon l'une des revendications 16 ou 17, dans lequel ladite propriété de la formation souterraine est choisie parmi une propriété pétrophysique, une identification de chemins préférentiels, une identification de connexions préférentielles entre des puits de ladite formation souterraine, la détection d'une fuite lors d'une exploitation d'huiles et/ou de gaz de roches-mères.
19) Procédé d'optimisation de l'exploitation d'une formation souterraine, pour lequel on met en œuvre le procédé d'exploitation selon l'une des revendications 1 à 15 pour détecter et/ou quantifier la présence d'additif dans ledit fluide récupéré, ledit procédé comprenant une étape d'adaptation dudit fluide injecté et/ou une étape de traitement dudit fluide récupéré en fonction de la présence et/ou de la quantité d'additif dans ledit fluide récupéré.
20) Procédé selon la revendication 19, dans lequel l'étape de traitement est une étape de traitement de l'eau produite par un procédé de récupération assistée d'hydrocarbures en fonction de la quantité d'additif présent dans l'eau produite.
21 ) Procédé selon la revendication 19, dans lequel l'étape d'adaptation est une étape d'ajustement des additifs dans un fluide de forage injecté dans ladite formation souterraine, l'ajustement étant fonction de la quantité d'additif présent dans le fluide de surface remonté en surface.
22) Procédé selon la revendication 19, dans lequel l'étape d'adaptation est une étape d'ajustement des additifs dans un fluide de fracturation injecté dans ladite formation souterraine, l'ajustement étant fonction de la quantité d'additif présent dans le fluide produit. 23) Procédé selon la revendication 19, dans lequel l'étape d'adaptation est une étape d'ajustement des additifs anti-dépôts et/ou anti-hydrates et/ou anticorrosion dans un fluide injecté, l'ajustement étant fonction de la quantité d'additif présent dans le fluide produit.
24) Procédé selon la revendication 19, dans lequel l'étape d'adaptation est une étape d'ajustement des additifs dans un fluide de récupération assistée des hydrocarbures, l'ajustement étant fonction de la quantité d'additif présent dans le fluide produit.
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