FR2749844A1 - Compositions de cimentation et application de ces compositions pour la cimentation des puits petroliers ou analogues - Google Patents

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Abstract

La présente invention a pour objet une composition de cimentation pour puits pétrolier ou analogues à base d'un ciment hydraulique alumineux, de particules fines, de microsphères creuses et d'eau en quantité telle que la porosité est comprise entre 25% et 50%, d'un dispersant, d'un accélérateur de prise du ciment alumineux et d'éventuels autres additifs conventionnels. L'invention est utilisée notamment pour la cimentation de tubes conducteurs en zones arctiques ou dans des forages en eau profonde.

Description

Compositions de cimentation et application
de ces compositions pour la cimentation
des puits pétroliers ou analogues
La présente invention est relative aux techniques de forage de puits pétroliers, à gaz, à eau, géothermiques et analogues. Plus précisément, l'invention concerne des compositions de cimentation plus particulièrement adaptée aux basses températures.
Après le forage d'un puits pétrolier ou analogue, un tubage (casing) ou encore un tube enroulé (coiled tubing) est descendu dans le forage et cimenté sur tout ou partie de sa hauteur. La cimentation permet notamment de supprimer les échanges de fluides entre les différentes couches de formation traversées par le forage, prévenir des remontées de gaz par l'annulaire entourant le tubage ou encore limiter les entrées d'eau dans le puits de production. Elle a aussi bien sûr pour but principal d'assurer la tenue du tubage.
Dans le cas notamment des forages en mer, un soin tout particulier doit être apporté à la première partie du tubage dite tube conducteur (conductor pipe) descendue en tête de puits, dans ce cas au fond de l'eau, car cette colonne initiale sert de guide pour la suite du forage de sorte que la tolérance pour son inclinaison n'excède pas quelques degrés.
Peu profond, le tube conducteur est très sensible à la température en tête de puits.
Pour les forages en eau profonde, cette température est celle des fonds océaniques, 4"C. Dans les zones arctiques, elle peut être en dessous de 0 C. Or, les ciments pétroliers sont normalement conçus pour une température de plus de 50"C, avec un temps de prise d'autant plus long que la température est basse. A la limite, dans les zones arctiques, les coulis de ciment Portland ordinairement utilisés peuvent geler.
Différents additifs visant notamment à accélérer les temps de prise sont connus mais dans ces conditions extrêmes, ils atteignent leurs limites avec des effets négatifs rédhibitoires sur la qualité du coulis de ciment ainsi que sur celle du ciment durci. De ce fait, on a développé des formulations basées sur des ciments spécifiques essentiellement réparties selon deux classes : les formulations à base de plâtre et les formulations à base de ciments alumineux. Les formulations à base de plâtre, ou plus exactement de mélange plâtre/ciment Portland, sont préférées par de nombreux auteurs aux formulations à base de ciments alumineux car les ciments alumineux dégagent beaucoup de chaleur en laps de temps très court ce qui peut conduire en zone arctique au dégel de la formation entourant le trou de forage. (voir Fla 2 673 620; US 3 581 825; US 3 891 454; US 4 176 720; US 4 482 379;
US 5 346 550; US 5 447 198).
Néanmoins, les temps de prise restent longs. En particulier l'attente après cimentation (Waiting On Cement =WOC) c'est à dire la période qui s'écoule entre le pompage et le moment où le ciment développe une résistance suffisante pour supporter le tube conducteur, est d'une vingtaine d'heures voire beaucoup plus. Or pendant toute cette période, les opérations de forage sont interrompues et l'équipe de forage immobilisée, ce qui représente des coûts annexes très grands.
Par affleures, les fonds océaniques sont souvent de type sableux, mal consolidés. De ce fait, il faut utiliser des coulis de ciment de faible densité, généralement comprise entre 11 et 13 ppg (pounds per gallon soit de 1.32 g/cm3 à 1.56 g/cm3). De façon basique, l'allégement d'un coulis de ciment est obtenu en augmentant la quantité d'eau et pour éviter les phénomènes de séparation des phases liquides et solides - la viscosité de la phase liquide par l'ajout notamment de bentonite ou de silicate de sodium. Si pour un ciment ordinaire le rapport massique eau/solides est normalement compris entre 38 et 46%, pour des coulis d'aussi faible densité, ce rapport est couramment de plus de 50% ou même plus de 60%. De telles quantités d'eau ont pour conséquence un retard du développement de la résistance à la compression et donc un allongement de l'attente après cimentation.
I1 est aussi connu d'alléger le coulis par addition d'un gaz inerte (mousse de ciment; voir US 5 484 019) ou des matériaux légers tels que de la poussière de silice (FR 2 463 104), des billes creuses en céramique ou verre (US 3 804 058; US 3 902911 ou
US 4252 193). Ces matériaux permettent de réduire mais non de supprimer la quantité d'eau additionnelle ajoutée au coulis de ciment pour l'alléger de sorte que le développement de la résistance à la compression est moins retardé. Néanmoins, la quantité d'eau requise reste élevée et après 24 heures, la résistance à la compression reste très faible, n'excède généralement pas 600 psi (4136 kPa).
Une formulation de type ciment alumineux/eau/microsphères est connue du brevet des Etats Unis d'Amérique 4 234 344 relatif à des compositions de cimentation soumises à des températures élevées, en particulier pour un puits d'injection de vapeur. Pour un puits expérimental, ce brevet indique l'utilisation d'une formulation constituée de 100 parties (en poids) de Ciment Fondu (marque d'un ciment alumineux à 40% d'alumine commercialisé par la société Lafarge, France), 55,5 parties de billes de verre creuses, 65 parties de farine de silice, 0,5 parties de dispersant et 110 parties d'eau. Aucune donnée n'est fournie sur le temps de prise et la résistance à la compression.
La présente invention a pour but de nouvelles formulations de cimentation basse température, basse densité, capable d'un développement rapide de la résistance à la compression.
Ce but est atteint selon l'invention par une formulation basée sur un ciment hydraulique alumineux, qui se caractérise d'une part, par une très faible porosité, (la porosité est égale au rapport du volume d'eau sur le volume total du coulis) typiquement comprise entre 0,25 et 0,50 et de préférence entre 0,30 et 0,40 et d'autre part par l'addition d'un matériau léger et de particules fines.
De façon générale, un agent dispersant est ajouté à la composition ainsi qu'un agent accélérateur de prise du ciment, les agents dispersants connus de l'art ayant généralement un effet retardateur sur la prise du ciment qui doit être compensé. De façon paradoxale cet effet retardateur est d'ailleurs souhaité au moment de la préparation du coulis car le mélange est effectué en surface, donc à une température souvent voisine de 20"C de sorte que le coulis a plus tendance à prendre sur la plateforme d'exploitation que dans le puits. D'autres additifs conventionnels peuvent être ajoutés, citons en particulier des agents anti-mousse ou des agents de contrôle de filtrat ou de contrôle de la migration des gaz.
De préférence, les particules solides du mélange sont dans des proportions- respectives telles que la compacité du mélange est maximale. L'ajout de particules fines permet ainsi d'obtenir des valeurs de PVF (Packing volume fraction) de préférence supérieure à 0,75 et de préférence encore supérieure à 0,8. De cette façon, le mixage de la formulation ne pose pas de difficultés particulières même avec des porosités aussi basses que dans le cas de l'invention. D'autre part, on obtient ainsi des rhéologies très satisfaisantes favorables à des bonnes conditions de pompage avec, en particulier, une quasi absence de sédimentation.
La fraction du mélange constituée par des particules fines peut être constituée notamment par du quartz ou verre broyé, carbonate de calcium finement broyé, de la silice de taille micronique (micro-silice), du noir de carbone, des poussières d'oxyde de fer, des boues rouges ou cendres volantes tamisées. De façon générale, les produits qui conviennent sont les produits compatibles avec le ciment alumineux et dont le diamètre moyen est de l'ordre de 2 à 100 fois plus petits que le diamètre moyen des particules de ciment (c'est à dire entre 0,075 CL et 7,5 p). Le quartz, matériau cristallin peu réactif est plus particulièrement préféré.
Les ciments alumineux considérés dans le cadre de la présente invention sont des ciments dont la teneur en aluminate monocalcique (CA) est supérieure ou égale à 40%, avec par comparaison avec les ciments ordinaires notamment du type Portland, une teneur en silice tout particulièrement faible. Parmi les produits commerciaux susceptibles d'être utilisés dans le cas de la présente invention citons notamment le
Ciment Fondu, le Secar 51 (Lafarge), le ciment alumineux CA14M de la société
Alcoa ou la Lumnite.
Par hydratation, CA forme un composé hexagonal CAH10 qui correspond à un développement très rapide de la résistance à la compression. A 20"C, 80% de la résistance finale est atteinte en 24 heures alors que cela peut prendre plusieurs jours avec un ciment de type Portland. De ce fait, les ciments alumineux sont des candidats remarquables pour les applications ici envisagées. Toutefois, les ciments alumineux sont considérés comme très sensibles aux contaminants et sont de ce fait peu utilisés.
Comme mentionné plus haut, les formulations selon l'invention ont des porosités très faibles, et d'autant plus remarquables que des densités parmi les plus basses sont souhaitées. La faible densité requise est obtenue non pas en ajoutant des quantités plus importantes d'eau comme selon l'art mais par addition d'un matériau très léger constitué par exemple des microsphères creuses, de préférence d'une densité inférieure à 0,8. De préférence, les microsphères utilisées ont un diamètre moyen compris entre 2 et 20 fois le diamètre moyen des particules de ciment alumineux.
Conviennent tout particulièrement des silico-aluminate ou cénosphères, résidu obtenu lors de la combustion de charbon, dont le diamètre moyen est de l'ordre de 150 p (soit environ 10 fois le diamètre moyen du Ciment Fondu). Conviennent également des billes de verre creuses.
De préférence, la phase solide de la composition est constituée pour 35 à 65% (en volume) de cénosphères, pour 20 à 45% de ciment alumineux et pour 5 à 25% de particules fines. Dans une variante plus spécialement préférée, une partie du ciment alumineux est remplacée par de la farine de silice (ajoutée dans une quantité généralement comprise entre 5 et 30% en volume de la phase solide. Des cendres volantes ou du laitier résidu de hauts-fournaux (slag) peuvent être également utilisés comme matériau de substitution partielle du ciment alumineux. Avec l'ajout d'un tel agent 'diluant' - farine de silice, cendres volantes ou laitier -, le ciment alumineux ne représente qu'environ un tiers de la fraction solide de la formulation de sorte que la chaleur dégagée par la réaction d'hydratation du ciment est minimisée. Par ailleurs, comme enseigné dans le brevet US 3 581 825, la réaction d'hydratation peut être modulée par addition d'une petite quantité d'argile (notamment attapulgite ou de préférence bentonite).
Si les sédiments au travers desquels le puits est foré sont particulièrement instables la densité du coulis de ciment peut devoir être ajustée à une valeur inférieure à ce qui peut être réalisé avec des microsphères creuses. Dans ce cas on utilisera à titre de matériau des bulles d'azote ou d'air pour alléger le coulis de la façon souhaitée. La fabrication de ciment mousse est bien connue par les hommes de l'art et de nombreux puits de pétrole sont aujourd'hui traités avec de tels ciments. La quantité des gaz incluse dans le ciment ("qualité" de la mousse) varie entre 10 et 60 %, les meilleurs résultats sont généralement atteints entre 20 et 40 %. La formulation selon l'invention est donc constitue d'un coulis de base fait à partir d'un ciment alumineux pouvant être éventuellement mélange à d'autres particules minérales soit plus grosses, soit plus fines, comme cela est décrit ci-dessus.
D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description faite ci-après de tests établis pour différents exemples de compositions d'additifs, en référence aux figures qui représentent: e Figure 1 : une courbe caractéristique de la prise d'un ciment alumineux, dans des
conditions statiques, pour des températures comprises entre 20"C et 500C.
Figure 2 : une courbe caractéristique du développement de la résistance à la
compression d'un ciment alumineux placé à 10 C.
Figure 3 : une courbe caractéristique de la prise d'un ciment alumineux, dans des
conditions dynamiques, pour des températures comprises entre 10 C et 300C.
Figure 4 : une courbe illustrant l'effet retardateur d'un agent dispersant sur la prise
d'un ciment alumineux.
Figure 5 : une courbe illustrant l'effet accélérateur de prise obtenu avec du
carbonate de lithium.
Figure 6 : une courbe de distribution des particules du ciment alumineux utilisé
pour les tests reportés dans le présent document.
Figure 7 : une courbe de distribution de différentes particules fines convenant à
l'invention.
Les ciments alumineux considérés dans le cadre de la présente invention sont des ciments dont la teneur en aluminate monocalcique est supérieure ou égale à 40%,
avec pour phases minéralogiques secondaires essentiellement C12A7, C2S, des ferrites,
C4AF, ces phases minéralogiques étant données selon la nomenclature couramment
utilisée pour le ciment : C = CaO, A= Al2O3, S = SiO2, F = Fe203. Convient tout
particulièrement le ciment alumineux commercialisé par la société Lafarge sous la
dénomination Ciment Fondu qui est constitué de (pourcentages pondéraux: A1203
(37,5-41,5%), CaO (36,5-39,5), SiO2 (2,5-5,0) et Fe2O3+FeO (14,0-18,0) .
Pour le Ciment Fondu, l'analyse dans des conditions statiques de la prise, met en
évidence une croissance régulière des temps de prise quand la température décroît
jusqu'à environ 30"C et, de façon très caractéristique, une diminution des temps de
prise pour des températures plus basses. Ceci ressort par exemple des tests reportés
figure 1 obtenus avec un coulis simplement constitué de ciment fondu, d'eau (rapport 111 eau 0,46) et d'un agent anti-mousse à 0,05 gaysk (concentrations en
ciment
gallons par sac de ciment de 94 livres ; une concentration de 0,1gaUsk ou 0,1 gps
correspond ainsi à 0,90 litre de dispersant pour 100 kg de ciment). Le flux thermique
dégagé par la réaction d'hydratation est inscrit en ordonnées.
Pour de faibles porosités, les ciments alumineux présentent par ailleurs un
développement particulièrement rapide de la résistance à la compression. Ainsi avec
un coulis identique à celui utilisé pour le test précédent - mais avec un rapport
massique eau/ciment de 40% on peut constater sur la figure 2 qu'après 10 heures
seulement de prise à 10 C (sous une pression de 400 psi (2758 kPa), environ 80% de
la résistance finale est déjà atteinte.
A noter toutefois que dans des conditions dynamiques, c'est à dire dans les conditions
de mesure préconisées par 1'API (American Petroleum Institute) Spec. 10 pour la mesure du temps de prise ou "Thickening time", le comportement du coulis de ciment est très différent. La figure 3 représente l'évolution au cours du temps de la consistance d'un coulis préparé dans les conditions du test de la figure 1. La consistance est mesurée en unités BC standardisées. De façon générale, on ne pompe pas un coulis dont la consistance est supérieure à 100 BC. On constate que le coulis passe en quelques minutes d'une consistance inférieure à 10 BC à la consistance limite de 100 BC. D'autre part, et contrairement à ce que laissait prédire les tests en conditions statiques, le temps de prise augmente sensiblement entre 30"C et 100C.
Les formulations utilisées dans les tests précédents ne comportent pas d'agent dispersant. Or, si dans les conditions d'un laboratoire il est possible de préparer de telles formulations. en agitant très fortement au moment du malaxage, un agent dispersant est en pratique nécessaire dès que les quantités préparées deviennent importantes. Les agents dispersants conventionnels sont généralement compatibles avec les ciments alumineux. Citons en particulier l'acide citrique, les sels de sodium notamment le gluconate de sodium, des dérivés sulfonates tel que des polymélamine sulfonates ou des polynaphtalène sulfonates, notamment le polynaphtalène sulfonate de sodium/formaldehyde. Ces dispersants ont toutefois un effet retardateur important sur la prise du ciment. Ainsi, comme montré à la figure 4, à 20"C, avec un coulis constitué de Ciment Fondu et d'eau (46% en rapport massique), le temps de prise est presque doublé par l'addition de 0,01% de gluconate de sodium.
Cet effet retardateur de prise peut être compensé selon l'invention par l'addition de silicate de sodium, d'hydroxyde de calcium, d'hydroxyde de lithium ou encore d'un sel de lithium notamment du carbonate de lithium. Cet effet accélérateur sur la prise du ciment alumineux est montré figure 5 où on a reporté en fonction du temps le flux de chaleur dégagée par la réaction d'hydratation d'une formulation simplement constituée de Ciment Fondu et d'eau (46% d'eau par poids de ciment), à 20"C, en faisant varier la concentration en carbonate de lithium. De façon remarquable, l'effet est relativement progressif de sorte que le temps de prise peut être modulé pratiquement à volonté en fonction des besoins.
Avec des formulations de type ciment/microsphères/eau, comme dans le cas du brevet
US 4 234 344, des quantités importantes d'eau sont nécessaires pour pouvoir pomper le mélange ce qui a un effet très défavorable sur le développement de la résistance à la compression. Dans le cas de l'invention, les propriétés rhéologiques recherchées sont obtenues notamment grâce à l'ajout de particules fines qui permettent notamment d'augmenter la compacité du mélange de solides. Les formulations sont de préférence telles que le PVF du mélange est supérieur à 0,8 et de préférence encore à 0,85 autrement dit des taux de compacité extrêmement élevés. Ceci peut être obtenu notamment en se plaçant dans les conditions préconisées dans le brevet français
FR-2 704 218: au moins 3 espèces solides à granulométries disjointes dont au moins une est constituée par des particules fines, dans des proportions relatives maximisant la compaction (avec un PVF, ou fraction volumique des particules solides à la compaction, maximum ou proche de son maximum pour la combinaison choisie d'espèces solides), et une concentration en matières solides dans le coulis au-dessus du seuil de concentration où apparaît le régime dit de sédimentation collective.
La distribution granulométrique d'un ciment alumineux de type Ciment Fondu à 40% (Lafarge - France) est très voisine de celle d'un ciment Portland classe G comme on peut le constater à l'aide de la figure 6. Le diamètre moyen des particules est voisin de 15Cl. Les cénosphères ont un diamètre moyen d'environ 150CL.
A partir de ces deux matériaux, pour obtenir une compacité du mélange de solides élevée, la fraction fine du mélange doit être constituée de particules dont le diamètre moyen est compris entre 0,1 et 5 microns. Tel est notamment le cas avec des particules telles que celles dont la courbe de distribution granulométrique est représentée à la figure 7: boues rouges, noir de carbone, poussières d'oxyde de fer, cendres volantes passées au crible, carbonate de calcium fin ou quartz broyé fin. Tel est aussi le cas avec des latex styrène-butadiène tels que ceux décrits dans le brevet
EP-O 091 377 ou encore l'oxyde de titane fin utilisé comme pigment dans les peintures.
Les cendres volantes sont un produit résiduel de la combustion du charbon, notamment dans les centrales électriques thermiques. Dans les installations modernes, les brûleurs sont alimentés avec un charbon préalablement pulvérisé. La fraction imbrûlée est vaporisée dans les fumées et condense après refroidissement sous forme de particules finement divisées approximativement sphériques. Les électrofiltres des cheminées captent toutes les particules de moins de 200il de sorte que la distribution granulométrique des particules est à peu près la même que celle d'un ciment ordinaire. Après passage au crible, en particulier un crible de 50 microns, on obtient une majorité de particules dont le diamètre est compris entre 1 et 10 microns et qui peuvent notamment convenir à titre de particules fines pour des formulations conformes à l'invention.
Exemple 1:
On a préparé selon les normes API différents coulis de ciment à base de Ciment
Fondu (Lafarge). Pour toutes les formulations, la porosité a été fixée à 40%, la densité du coulis est de 1,56 g/cm3( 13 ppg). La fraction solide du mélange est constituée outre le Ciment Fondu (densité 3,23), de microsphères creuses de type Cénosphères (densité 0,75 ; référence D124 de la société Schlumberger Dowell) et de quartz finement broyé (densité 2,65 ; référence E600 de la société Sifraco, France) identique à celui utilisé pour la figure 6. Les proportions indiquées pour les constituants solides correspondent à des fractions volumiques de la fraction solide (BVOB= "by volume of blend").
Pour les additifs, dispersant et accélérateur, la quantité indiquée est la quantité ajoutée en grammes pour un volume standard de 600 ml de coulis de ciment. On a utilisé du carbonate de lithium comme accélérateur de la prise du ciment et comme dispersant, de l'acide citrique (référence D45 de la société Schlumberger Dowell).
Figure img00100001
<tb>
# <SEP> Ciment <SEP> Sphères <SEP> <SEP> creuses <SEP> Fines <SEP> Dispersant <SEP> Accélérateur
<tb> <SEP> Fondu <SEP> (% <SEP> volume) <SEP> (% <SEP> (g/600ml) <SEP> (gl600ml) <SEP>
<tb> <SEP> % <SEP> vol.) <SEP> volume) <SEP>
<tb> 1 <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> O <SEP> 0
<tb> 2 <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 0
<tb> 3 <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 0,01
<tb> 4 <SEP> 40 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 1 <SEP> 0,02
<tb>
Le tableau suivant rassemble les résultats obtenus en ce qui concerne la rhéologie du coulis (PV ':Viscosité plastique, Ty ii: : Seuil de cisaillement), le volume d'eau libre
FW "' (Free Water) et le temps de prise TT iv (Thickening Time). Les mesures ont été effectuées à 4"C, dans les conditions API.
Figure img00110001
<tb> <SEP> Pv <SEP> Ty1' <SEP> ii <SEP>
<tb> # <SEP> cP <SEP> Pa.s <SEP> lbf/100ft <SEP> Pa <SEP> ml <SEP> h:min
<tb> 1 <SEP> 210 <SEP> 0,21 <SEP> 23 <SEP> 11,01 <SEP> 0 <SEP> 06:12
<tb> 2 <SEP> 198 <SEP> 0,198 <SEP> 2,8 <SEP> 1,34 <SEP> <SEP> 0 <SEP> > 8:00 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 204 <SEP> 0,204 <SEP> 4,2 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 2,02 <SEP> 0 <SEP> 05:30
<tb> 4 <SEP> 216 <SEP> 0,216 <SEP> 7,1 <SEP> 3,41 <SEP> 0 <SEP> 03:08
<tb>
Les formulations testées sont parfaitement stables et on n'observe aucune tendance à
la sédimentation comme le montrent les volumes nuls d'eau libres. En l'absence de
dispersant (test #1) le seuil de cisaillement du mélange est un peu élevé. D'autre part,
le temps de prise reste long. Une telle formulation a de ce fait été écartée.
L'ajout d'un dispersant (test &num;2) permet d'abaisser le seuil de cisaillement mais le
coulis ne prend plus. Cet effet retardateur est largement compensé par l'ajout d'une
faible quantité de carbonate de lithium (test &num;3). Le temps de prise est de l'ordre de 3
heures avec une concentration en sel de lithium de 0,033 grammes par litre de coulis.
(test #4).
Exemple 2:
On a repris les formulations de l'exemple 1 - avec une porosité toujours fixée à 40% mais en remplaçant une partie du ciment alumineux par de la farine de silice (référence D66 de la société Schlumberger Dowell), une variété de silice dont la granulométrie est très voisine de celle du Ciment Fondu et d'une densité de 2,65. Les coulis &num;5, &num;6, &num;7 et &num;8 ont une densité de 1,52 g/cm3 (12,7 ppg), le coulis &num;9 de 1,50 glom3 (12,5 ppg).
Figure img00110002
<tb>
&num; <SEP> Ciment <SEP> Farine <SEP> de <SEP> silice <SEP> Sphères <SEP> creuses <SEP> Fines <SEP> Dispersant <SEP> Accélérateur <SEP>
<tb> <SEP> Fondu <SEP> (% <SEP> vol.) <SEP> (% <SEP> volume) <SEP> (% <SEP> ' <SEP> (g/600ml) <SEP> (g/600ml) <SEP>
<tb> <SEP> (8 <SEP> vol.) <SEP> volume) <SEP>
<tb> 5 <SEP> 30 <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 1,5 <SEP> 0
<tb> 6 <SEP> 30 <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 0,02
<tb> 7 <SEP> 30 <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 1,5 <SEP> 0,03
<tb> 8 <SEP> 30 <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 1,5 <SEP> 0,06
<tb> 9 <SEP> 25 <SEP> 15 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 1,5 <SEP> 0,03
<tb>
Les formulations ici testées correspondent à des fractions volumiques de compacité (PVF) élevés. Ainsi pour les tests &num;5 à &num;8, le PVF est de 0,836. Pour le dernier cas, il est de 0,834.
Les résultats obtenus à 4 C sont reportés dans le tableau suivant où on a indiqué de plus les valeurs de la résistance à la compression après 6 heures (V) et 24 heures (vi).
Figure img00120001
<tb>
<SEP> Pv <SEP> 5 <SEP> FW <SEP> rr <SEP> 6 <SEP> h <SEP> 9 <SEP> CS <SEP> 24hvt <SEP>
<tb> &num; <SEP> cP <SEP> Pa.s <SEP> lbf/100ft <SEP> Pa <SEP> ml <SEP> h:min <SEP> psi <SEP> N/cm <SEP> psi <SEP> N/cm <SEP>
<tb> 5 <SEP> 222 <SEP> 0,222 <SEP> 2,5 <SEP> 1,19 <SEP> O <SEP> > 8:00 <SEP> nulle <SEP> 4300 <SEP> 2967
<tb> 6 <SEP> 232 <SEP> 0,232 <SEP> 2,2 <SEP> 1,05 <SEP> 0 <SEP> 03:25 <SEP> 2833 <SEP> 1953 <SEP> 4120 <SEP> 2843
<tb> 7 <SEP> 230 <SEP> 0,230 <SEP> 3,8 <SEP> 1,82 <SEP> 0 <SEP> 02:50 <SEP> 3230 <SEP> 2229 <SEP> 3980 <SEP> 2746
<tb> 8 <SEP> 250 <SEP> 0,250 <SEP> 12 <SEP> 5,75 <SEP> 0 <SEP> 7 <SEP> 0450:45 <SEP> 3700 <SEP> 2553 <SEP> 4040 <SEP> 2788
<tb> 9 <SEP> 240 <SEP> 0,240 <SEP> 1,8 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 0,86 <SEP> 0 <SEP> 03:20 <SEP> 2540 <SEP> 1753 <SEP> 3120 <SEP> 2153
<tb>
A nouveau, on obtient avec les formulations comportant un sel de lithium des temps de prise très courts et des contraintes de compression très élevées pour de telles températures. En modulant la quantité d'accélérateur, le temps de prise peut être très facilement allongé ou au contraire retardé en fonction des besoins.
D'autre part, les valeurs de la résistance à la compression sont particulièrement élevées. Rappelons à cet égard que des valeurs supérieures à 500psi sont difficilement obtenues avec les compositions selon l'art pour des températures semblables.
Exemple 3:
Pour cet exemple, pour la fraction fine du mélange, on a remplacé le quartz fin par des cendres volantes passées au crible de 50,u (densité 2,3 g/cm3).
Figure img00120002
<tb>
# <SEP> <SEP> Ciment <SEP> Farine <SEP> de <SEP> silice <SEP> Sphères <SEP> creuses <SEP> Fines <SEP> Dispersant <SEP> Densité <SEP> du
<tb> <SEP> Fondu <SEP> (% <SEP> vol.) <SEP> (% <SEP> volume) <SEP> (% <SEP> <SEP> (g/600ml) <SEP> coulis
<tb> <SEP> (% <SEP> vol.) <SEP> volume <SEP> (R/cm3) <SEP>
<tb> 11 <SEP> 40 <SEP> 0 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 1,56
<tb> 12 <SEP> 30 <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 1,52
<tb> 13 <SEP> 25 <SEP> 15 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 1,50
<tb>
Les formulations ont été testées à 40C. Pour cet exemple 3, les mesures du temps de prise et de la résistance à la compression après 6 heures n'ont pas été réalisées. Pour cet exemple, la valeur de la résistance à la compression à 24 heures est significative des valeurs susceptibles d'être obtenues à court terme en présence de cendres volantes.
Figure img00130001
<tb>
<SEP> PV <SEP> Ty <SEP> FW <SEP> CS <SEP> 24 <SEP> h
<tb> # <SEP> cP <SEP> Pas <SEP> IbUlOOft2 <SEP> Pa <SEP> ml <SEP> psi <SEP> Nlcm2 <SEP>
<tb> il <SEP> 266 <SEP> <SEP> 0,266 <SEP> 9 <SEP> 4,31 <SEP> 0 <SEP> 4520 <SEP> 3119
<tb> 12 <SEP> 279 <SEP>
Figure img00140001
<tb> &num; <SEP> Ciment <SEP> Farine <SEP> de <SEP> silice <SEP> Sphères <SEP> creuses <SEP> Fines <SEP> Dispersant <SEP> Dispersant <SEP> Accélérateur
<tb> <SEP> Fondu <SEP> (% <SEP> vol.) <SEP> (% <SEP> volume) <SEP> (% <SEP> <SEP> (type) <SEP> (g/600ml) <SEP> (g/600ml)
<tb> <SEP> (% <SEP> vol.) <SEP> volume)
<tb> 14 <SEP> 30 <SEP> 10 <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> PNS <SEP> 3 <SEP> 0,03
<tb> 15 <SEP> 30 <SEP> 10 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 50 <SEP> 10 <SEP> PMS <SEP> 3 <SEP> 0,03
<tb>
Les formulations ont été testées à 4 C, avec des performances particulièrement satisfaisantes comme le montre le tableau de résultat ci-après:
Figure img00140002
<tb> <SEP> PV <SEP> Ty <SEP> FW <SEP> TT <SEP> CS <SEP> 6 <SEP> h <SEP> CS <SEP> 24 <SEP> h <SEP>
<tb> # <SEP> <SEP> cP <SEP> Pa.s <SEP> IbfllOOft2 <SEP> Pa <SEP> ml <SEP> h:min <SEP> psi <SEP> N/cm2 <SEP> psi <SEP> N/cm <SEP>
<tb> 14 <SEP> 235 <SEP> 2,35 <SEP> 12 <SEP> 5,76 <SEP> 0 <SEP> 2:20 <SEP> 2150 <SEP> 1482 <SEP> <SEP> 3980 <SEP> 1 <SEP> 2746 <SEP>
<tb> 15 <SEP> 243 <SEP> 0,243 <SEP> 17 <SEP> 8,16 <SEP> 0 <SEP> 1:50 <SEP> 2200 <SEP> 1517 <SEP> 3870 <SEP> 2670
<tb>
Exemple 5:
On a préparé deux nouvelles formulations en utilisant comme fraction fine une silice micronique (diamètre moyen des particules : 0,15 ). Le dispersant est un PMS (Référence D145A de la société Schlumberger Dowell). L'agent anti-mousse est la référence D047 de la société Schlumberger Dowell. Les coulis ont une densité de 1,56 g/cm3, correspondant à une porosité de 37,5% (test &num;16) et de 41,4% (test &num;17) pour un PVF respectivement égal à 0,875 et 0,857.
Figure img00140003
<tb>
# <SEP> Ciment <SEP> <SEP> Sphères <SEP> creuses <SEP> Micro-silice <SEP> Eau <SEP> Dispersant <SEP> Anti-mousse
<tb> <SEP> Fondu <SEP> (% <SEP> <SEP> volume) <SEP> (% <SEP> <SEP> volume) <SEP> (litreltonne) <SEP> (litre/tonne) <SEP> (litre/tonne) <SEP>
<tb> <SEP> (% <SEP> vol.)
<tb> 16 <SEP> 39,51 <SEP> 48,17 <SEP> 12,32 <SEP> 287,38 <SEP> 3 <SEP> 1
<tb> 17 <SEP> 33,94 <SEP> 41,38 <SEP> 24,68 <SEP> 328,33 <SEP> 3 <SEP> 1
<tb>
Les résultats des mesures à 4 C ont été rassemblés dans le tableau ci-après. Le temps de pompabilité correspond à une consistance de l00BC).
Figure img00150001
<tb> Propriétés <SEP> du <SEP> coulis <SEP> Test <SEP> Test
<tb> <SEP> &num;16 <SEP> &num;17
<tb> Viscosité <SEP> Plastique <SEP> cP <SEP> nd <SEP> 95,4
<tb> <SEP> [Pa.s] <SEP> [0,954]
<tb> Seuil <SEP> de <SEP> cisaillement <SEP> lbf/100ft2) <SEP> nd <SEP> 0,2
<tb> <SEP> [Pa] <SEP> [0,10]
<tb> Temps <SEP> pour <SEP> atteindre <SEP> une <SEP> résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> compression <SEP> de
<tb> <SEP> .50 <SEP> psi <SEP> [34 <SEP> N/cm2] <SEP> 3:16 <SEP> 13:58
<tb> <SEP> ...500 <SEP> psi <SEP> [848 <SEP> N/cm2] <SEP> 4: <SEP> 12 <SEP> 15: <SEP> lus <SEP>
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> compression <SEP> après... <SEP> 24 <SEP> heures <SEP> (psi) <SEP> 3760 <SEP> 3349
<tb> <SEP> [N/cm2] <SEP> [2593] <SEP> [2309]
<tb> <SEP> ... <SEP> 48 <SEP> heures <SEP> (psi) <SEP> 4203 <SEP> nd
<tb> <SEP> [N/cm2] <SEP> [2898]
<tb> Temps <SEP> de <SEP> pompabilité <SEP> 3:45
<tb> Eau <SEP> libre <SEP> (ml) <SEP> o <SEP>
<tb> Pertes <SEP> de <SEP> fluides <SEP> (mi/30 <SEP> min) <SEP> 40
<tb>
Les exemples reportés ci-dessus ne doivent pas être considérés comme limitatifs. En particulier, le principe de l'invention peut être appliqué à des compositions de cimentation de densité 'normale', voire même relativement élevée Pour ce faire, on remplacera les microsphères creuses par des particules sphériques de même taille mais de plus grande densité.
Exemple 6:
On a préparé des coulis particulièrement allégés en ajoutant un gaz. Le gaz est ici de l'azote et le volume (ou qualité de la mousse) correspond au volume de gaz dans le ciment moussé. Les quantités de surfactant, de dispersant et d'accélérateur sont données par tonne de ciment. Les pourcentages volumiques donnés pour le ciment fondu, l'additif complémentaire (sable ou micro-sphères), la micro-silice et la porosité se réfèrent au volume du coulis de base avant moussage. La porosité du coulis correspond à la fraction volumique d'eau dans le coulis de base, avant l'injection de gaz.
Figure img00160001
<tb>
<SEP> # <SEP> Ciment <SEP> <SEP> Autre <SEP> Azote <SEP> Micro-silice <SEP> Surfactant <SEP> Dispersant <SEP> Accélérateur <SEP> Porosité
<tb> <SEP> Fondu <SEP> (% <SEP> vol.) <SEP> (% <SEP> vol.) <SEP> (% <SEP> volume) <SEP> (litre/tonne) <SEP> (litre/tonne) <SEP> (litre/tonne) <SEP> (% <SEP> vol.)
<tb> <SEP> (% <SEP> vol.)
<tb> 18 <SEP> 70 <SEP> 0 <SEP> 30 <SEP> 0 <SEP> 25 <SEP> 2 <SEP> 0,03 <SEP> 58
<tb> 19 <SEP> 60 <SEP> 0 <SEP> 30 <SEP> 10 <SEP> 25 <SEP> 1,5 <SEP> 0,02 <SEP> 40
<tb> 20 <SEP> 62 <SEP> 0 <SEP> 25 <SEP> 13 <SEP> 20 <SEP> 1,5 <SEP> 0,02 <SEP> 45
<tb> 21 <SEP> 45 <SEP> 181 <SEP> 30 <SEP> 7 <SEP> 25 <SEP> 2 <SEP> 0,01 <SEP> 40
<tb> 22 <SEP> 45 <SEP> 182 <SEP> 15 <SEP> 13 <SEP> 20 <SEP> 1,5 <SEP> 0,02 <SEP> 40
<tb> sable 2 micro-sphères creuses
La résistance à la compression après 24 heures (à une température de 4"C) est de 820 psi [565 N/cm2] pour le test 18, 980 psi [676 N/cm2] pour le test 19, 1240 psi [855 N/cm2] pour le test 20 et 1120 psi [772 N/cm2] pour le test 21. Pour le dernier test, l'emploi de micro-sphères permet l'obtention d'un coulis de base plus léger, ce qui réduit d'autant la quantité de gaz. La résistance à la compression alors obtenue est de 1560 psi [1076 N/cm2]. Ces valeurs sont certes très inférieures à celles obtenues lorsque le matériau léger est constitué de microsphères creuses mais sont néanmoins remarquablement élevée pour un ciment mousse compte tenu de la température de 4"C.
Exemple 7:
On a préparé des coulis en utilisant pour la fraction des fines du latex styrène butadiène. Les formulations sont données dans le tableau ci-après, les pourcentages étant donnés selon les cas par volume du mélange solide (BVOB), par poids de ciment
Figure img00160002
<tb> <SEP> &num; <SEP> Ciment <SEP> Sphères <SEP> Micro- <SEP> Latex <SEP> Acide <SEP> Anti- <SEP> Anti- <SEP> Li2CO3
<tb> <SEP> Fondu <SEP> creuses <SEP> silice <SEP> (gps) <SEP> citrique <SEP> mousse <SEP> sédimentation <SEP> (%BWOC)
<tb> <SEP> (% <SEP> BVOB) <SEP> (% <SEP> BVOB) <SEP> (%BVOB) <SEP> (%BWOC) <SEP> (gaps) <SEP> (%BWOC)
<tb> 23 <SEP> 40 <SEP> 55 <SEP> 5 <SEP> - <SEP> 0,025 <SEP> 0,03 <SEP> - <SEP>
<tb> 24 <SEP> 40 <SEP> 55 <SEP> 5 <SEP> 3 <SEP> 0,1 <SEP> 0,05 <SEP> 0,2 <SEP> 0,008
<tb> 25 <SEP> 45 <SEP> 55 <SEP> - <SEP> 3 <SEP> 0,1 <SEP> 0,05 <SEP> 0,2 <SEP> 1 <SEP> 0,01
<tb> 26 <SEP> 45 <SEP> 55 <SEP> - <SEP> 2,2 <SEP> 0,025 <SEP> 0,05 <SEP> 0,2 <SEP>
<tb> 27 <SEP> 45 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 55 <SEP> - <SEP> <SEP> 1,8 <SEP> 0,025 <SEP> 0,05 <SEP> 0,2 <SEP>
Pour la formulation témoin n023 sans latex, on a utilisé un agent anti-mousse référence D47 (marque de la société Schlumberger Dowell). Avec du latex, l'agent anti-mousse utilisé est la référence D144 (marque de la société Schlumberger
Dowell).
Figure img00170001
<tb>
# <SEP> Porosité <SEP> <SEP> Densité <SEP> rapport <SEP> PV <SEP> à <SEP> 9 C <SEP> 5 <SEP> à <SEP> 90C <SEP> Pertes <SEP> de
<tb> <SEP> (g/cm3) <SEP> eau/ciment <SEP> cP <SEP> Pa.s <SEP> lb/1( > Oft2 <SEP> Pa <SEP> filtrat <SEP> à <SEP> 9 C <SEP>
<tb> 23 <SEP> 42,0 <SEP> 1,49 <SEP> 0,556 <SEP> 162 <SEP> 0,162 <SEP> 3,8 <SEP> 1,82 <SEP> > 1000 <SEP> ml
<tb> 24 <SEP> 36,1 <SEP> 1,46 <SEP> 0,506 <SEP> 132 <SEP> 0,132 <SEP> 1,9 <SEP> 0,91 <SEP> 16 <SEP> ml
<tb> 25 <SEP> 35,0 <SEP> 1,48 <SEP> 0,434 <SEP> 164 <SEP> 0,164 <SEP> 6,7 <SEP> 3,21 <SEP> 22 <SEP> ml
<tb> 26 <SEP> 37,6 <SEP> 1,48 <SEP> 0,467 <SEP> 131 <SEP> 0,131 <SEP> 3,4 <SEP> 1,63 <SEP> 24 <SEP> ml
<tb> 27 <SEP> 39,0 <SEP> 1,48 <SEP> 0,483 <SEP> 126 <SEP> 0,126 <SEP> 4,3 <SEP> 2 <SEP> 062,06 <SEP> 76 <SEP> ml <SEP>
<tb>
Les porosités tiennent compte de la fraction solide apportée par le latex. Le rapport eau/ciment est un rapport massique. Les pertes de filtrat ont été mesurées selon la norme API en 30 minutes.
Comme on peut le constater dans le tableau ci-dessus, on peut obtenir des coulis ayant de très bonnes rhéologies et des pertes de filtrat très faibles. Les résultat concernant la prise du ciment sont également excellents comme montré dans le tableau suivant (les mesures par ultrasons sont effectuées à une pression de 2068 kPa (3000 psi). Les temps sont exprimés en heures: minutes, les résistances à la compression en kiloPascals.
Figure img00170002
<tb>
Tr <SEP> TT <SEP> <SEP> TT <SEP> Mesures <SEP> par <SEP> ultrasons <SEP> à <SEP> 4 C <SEP>
<tb> <SEP> à <SEP> 9 C <SEP> à <SEP> 20 <SEP> C <SEP> 50 <SEP> psi <SEP> 500 <SEP> psi <SEP> 24 <SEP> heures <SEP> 48 <SEP> heures
<tb> 23 <SEP> 3:54 <SEP> 2:23 <SEP> 3:24 <SEP> 4:25 <SEP> 3806 <SEP> 4413
<tb> 24 <SEP> 3:52 <SEP> 0:53 <SEP> 7:35 <SEP> 9:33 <SEP> 1875 <SEP> 2206
<tb> 25 <SEP> 3:43 <SEP> 1:00 <SEP> 12:44 <SEP> 14:13 <SEP> 237 <SEP> 3420
<tb> 26 <SEP> > 8:00 <SEP> 2:10 <SEP> 15:30 <SEP> 16:43 <SEP> 2827 <SEP> 4247
<tb> 27 <SEP> > 7:00 <SEP> 1:14 <SEP> 12:20 <SEP> 13:29 <SEP> 3454 <SEP> 4144
<tb>

Claims (17)

  1. autres additifs conventionnels.
    - d'un dispersant, d'un accélérateur de prise du ciment alumineux et d'éventuels
    0,4);
    - d'eau, avec une porosité comprise entre 0,25 et 0,5 (de préférence entre 0,3 et
    léger;
    moins un ciment hydraulique alumineux, des particules fines, et un matériau
    - d'un mélange de solides comportant un composant médium comportant au
    constituée
    Revendications l. Composition de cimentation pour puits pétrolier ou analogues essentiellement
  2. 2. Composition de cimentation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les
    proportions relatives entre les différents constituants solides du mélange sont telles
    que sa compacité est maximale.
  3. 3. Composition de cimentation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que
    ledit ciment hydraulique alumineux est constitué pour au moins 40% d'aluminate
    monocalcique.
  4. 4. Composition de cimentation selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que le matériau léger est constitué par des microsphères creuses.
  5. 5. Composition de cimentation selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que le mélange de solides comporte, en volume,
    - 20 à 45 parties de composant médium,
    - 5 à 25 parties de particules fines,
    - 35 à 65 parties de microsphères creuses.
  6. 6. Composition de cimentation selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que ledit composant médium est un mélange de ciment
    alumineux et d'un agent 'diluant' de granulométrie voisine du type farine de silice,
    cendres volantes ou laitier de hauts-fournaux.
  7. 7. Composition de cimentation selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit
    agent 'diluant' est dans une proportion volumique comprise entre 5 et 30% du
    mélange de solides.
  8. 8. Composition de cimentation selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que lesdites particules fines ont un diamètre moyen compris
    entre 0,01 et 0,5 fois le diamètre moyen des particules de ciment alumineux.
  9. 9. Composition de cimentation selon la revendication 5, caractérisée en ce que
    lesdites particules fines sont du type quartz ou verre broyé, carbonate de calcium
    finement broyé, microsilice, noir de carbone, poussière d'oxyde de fer, boues
    rouges ou cendres volantes tamisées, latex styrène-butadiène.
  10. 10. Composition de cimentation selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que lesdites microsphères ont un diamètre moyen compris
    entre 2 et 20 fois le diamètre moyen des particules de ciment alumineux.
  11. 11. Composition de cimentation selon la revendication 10, caractérisée en ce que
    lesdites microsphères sont des cénosphères.
  12. 12. Composition de cimentation selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que le dispersant est du type acide citrique, dérivé sulfonate tel
    que des polymélamine sulfonates ou des polynaphtalène sulfonates, notamment
    le polynaphtalène sulfonate de sodium/formaldehyde.
  13. 13. Composition de cimentation selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisée en ce que l'accélérateur de prise du ciment est un sel de lithium
  14. 14. Composition de cimentation selon la revendication 13, caractérisée en ce
    l'accélérateur de prise du ciment est du carbonate de lithium.
  15. 15. Composition de cimentation selon l'une des revendications précédentes,
    caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un agent anti-mousse.
  16. 16. Composition de cimentation selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en
    ce qu'elle comporte des bulles de gaz, la quantité de gaz incluse dans le ciment
    étant comprise entre 10 et 60% et de préférence entre 20 et 40%
  17. 17. Application d'une composition de cimentation selon l'une des revendications
    précédentes à la cimentation du tube conducteur d'un puits pétrolier ou analogue
    situé dans une zone arctique ou un forage en eau profonde.
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