FR2753963A1 - Coulis de cimentation et methode de conception d'une formulation - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet une composition de cimentation pour puits pétrolier ou analogues essentiellement constituée d'une fraction solide en suspension dans un médium liquide. La fraction solide est constituée d'une fraction "grossière", d'une fraction volumique à la compaction PHI, maximisée selon l'invention et d'une fraction fine x, d'une fraction volumique à la compaction PHI2 , inférieure ou égale à la fraction volumique xo telle que (CF DESSIN DANS BOPI) . L'invention propose également une méthode pour maximiser la valeur de PHI1 . L'invention permet de minimiser les pertes de filtrat quels que soient les matériaux choisis pour une composition de cimentation.
Description
Coulis de cimentation et méthode de conception d'une formulation La
présente invention a trait à des coulis de cimentation destinés notamment à la cimentation de puits tels que des puits pétroliers, à gaz, à eau, géothermiques et analogues. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé permettant de formuler de manière simple
des formulations de coulis très peu sensibles aux pertes de filtrat ou "fluid loss".
Les puits traversant des formations souterraines, tels par exemple les puits pétroliers, sont le plus souvent étayés par un tubage métallique cimenté à la paroi du trou. Après avoir descendu le tubage, un coulis de ciment propulsé par un fluide inerte est pompé par l'intérieur du tubage vers le fond du puits et remonte vers la surface repoussant la boue de forage pour venir remplir l'espace annulaire entre le tubage et la paroi. En prenant et durcissant, le ciment assure à la fois le support mécanique du tubage et l'étanchéité entre les différentes zones
souterraines traversées.
Le coulis peut être exposé à des cycles de températures et de pression extrêmes; ainsi, il peut
geler en surface alors que la température au fond du puits est de plusieurs centaines de degrés.
La formulation du coulis doit également tenir compte de toute une série de critères au nombre desquels figurent la géométrie du puits, les caractéristiques de la boue de forage et d'éventuels autres fluides de forage, les caractéristiques géologiques des formations
traversées, etc. afin d'optimiser notamment la rhéologie du coulis.
Ce problème - en soi d'autant plus mal aisé que certaines de ces caractéristiques ne sont pas toujours connues avec toute la précision qui serait souhaitable - est encore compliqué lorsque la composition du coulis évolue en cours d'opération. Or, tel est notamment le cas lorsque le coulis perd une partie de son eau notamment au contact d'un matériau perméable comme une
formation sableuse.
Ce phénomène dit de "perte de filtrat" ou "fluid loss" a des effets négatifs non seulement sur les propriétés rhéologiques du coulis avec notamment une réduction de sa fluidité; ce qui entraîne des difficultés de pompage et peut même conduire à un bouchage. Mais surtout, ce phénomène est directement associé à une incapacité du ciment à s'opposer à la migration de gaz au moment de la prise du ciment, c'est-à-dire pendant le laps de temps o le coulis de ciment ne se comporte plus comme un liquide qui s'oppose à la migration des gaz par la
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pression hydraulique exercée par la colonne de coulis n'est plus suffisante pour s'opposer à cette migration tandis que la prise du ciment est encore inachevée et que de ce fait, le ciment
en cours de prise ne forme pas encore une barrière étanche.
De façon générale, si un problème de migration de gaz se pose, la cimentation est effectuée avec un coulis dont les pertes de filtrat sont inférieures à 50 ml/30 min, mesurées dans les conditions recommandées par P'API ("American Petroleum Institute"). De telles pertes de filtrat sont environ 10 à 15 fois plus faibles que celles mesurées avec un coulis de ciment ordinaire', en l'absence de tout additif spécifique visant à diminuer les pertes de filtrat. Ces additifs dits de contrôle du filtrat ("fluid loss control agent") ont été proposés en grand nombre mais la plupart ont des inconvénients notamment une influence sur le temps de prise et la viscosité du coulis. D'autre part, les additifs de différentes natures ajoutés aux coulis de
ciment ont souvent des effets antagonistes.
Par ailleurs, il a été montré dans le brevet français 2 704 218 que l'on peut fortement réduire les quantités d'additifs nécessaires en choisissant des espèces solides dans des rapport en quantités et en taille correspondant à des critères bien définis, en l'occurrence au moins trois espèces solides dont les courbes granulométriques sont disjointes, un rapport entre ces différentes espèces solides correspondant à une maximun de la fraction volumique des particules solides à la compaction ("Packing Volume Fraction") et un volume de liquide ajouté pour former le coulis tel que le coulis est placé en régime dit de sédimentation collective ("hindered settling"), régime o les particules solides se comportent collectivement
comme un matériau solide poreux.
Le concept exposé dans le brevet susmentionné conduit à l'obtention de laitiers dont notamment les propriétés rhéologiques sont particulièrement remarquables et qui, même avec des quantités de fluide de mélange très faibles, sont faciles à mélanger et à pomper. Les coulis ainsi obtenus présentent des pertes de filtrat relativement faibles, même en l'absence
de tout additif spécifique.
Pour autant, il est apparu que les compositions formulées selon ce concept peuvent être encore améliorées du point du vue des pertes de filtrat. Par ailleurs, ce concept ne peut s'appliquer que dans la mesure o les matériaux choisis pour constituer la phase solide
présentent bien des granulométries disjointes ce qui est loin d'être toujours le cas.
-3- Les auteurs de la présente invention se sont donné pour but un moyen permettant de déterminer la composition théorique présentant les pertes de filtrat les plus faibles possibles
pour toute sélection de matériaux.
Ce but est atteint selon l'invention en maximisant la fraction volumique à la compaction >,du mélange constitué par l'ensemble de toutes les espèces solides du mélange, à l'exception de l'espèce constituée des particules les plus fines, et en choisissant une fraction de volume solide des particules les plus fines inférieures ou égales à la fraction volumique xo telle que xo = - + 2( -)) o O I2 est la fraction volumique à la compaction de l'espèce (D + 02(1- o
constituée uniquement des particules les plus fines.
Les auteurs de la présente invention sont partis de la considération que tout coulis de ciment est en fait une suspension dans un liquide d'un mélange de différentes espèces solides de particules de différentes tailles et que ce mélange peut toujours être ramené à un ensemble dit bimodal formé d'une part de l'espèce la plus petite (fraction des 'fines') et d'autre part de l'espèce artificielle formée par l'ensemble des autres espèces solides (fraction des
grossières'), considéree comme un tout indivisible.
En considérant que l'espèce la plus petite est constituée de particules toutes de rayon r et en utilisant un modèle de pertes de filtrat basé un réseau de capillaires entre les particules, on peut alors montrer sur la base des équations de Poiseuille que le volume V des pertes de fluide peut s'exprimer sous la forme d'une équation du type:
- - ' / (1)
V = K l{x[ 1 - (1 - x))]} (1) Dans cette équation (1), K est une constante qui ne dépend que de facteurs extrinsèques au coulis, l>s la fraction de volume solide dans le coulis, < la fraction de volume solide à la compaction (PVF) du mélange et x, la fraction de volume solide occupé par les 'fines'. Les calculs basés sur l'hypothèse bimodale permettent de plus d'exprimer le PVF D du mélange solide de 'grossières' et de 'fines' selon les équations suivantes (Di (2) c =- pour x <xo ou encore 1-x c>2 (3) = >2 + (1- 2)x pour x > xo avec -4- (4) xo= 2(1 - <) (Di + 02(1 - O,.) dans lesquelles (i et 02correspondent respectivement à la fraction de volume solide à la compaction des 'grossières' et des 'fines'. La valeur xo est la valeur pour laquelle le PVF du mélange de 'grossières' et de 'fines' est maximal, ou autrement dit, l'arrangement le plus compact possible toujours en supposant que les 'grossières' constituent une seule et même
espèce indivisible.
Les particules les plus fines étant de façon générale les particules les plus onéreuses, il est plus particulièrement avantageux de se placer dans le cas o les 'grossières' sont en excès (x < xo). Dans ce cas, l'équation (1) peut être réduite à une équation qui ne dépend plus que
de K, r, x, (D et ODs.
Si la fraction 'fine' peut être assimilée à un ensemble de particules sphériques d'un même diamètre, la valeur de (12 est alors celle d'un arrangement de sphères homogènes en taille soit 0,64 (et ceci quel que soit le diamètre des particules). Pour des fractions moins homogènes mais encore généralement sphériques, la valeur de <D2 est en général un peu
supérieure; les valeurs expérimentales sont dans ce cas généralement voisines de 0,70.
Il est à noter que si la valeur de 12 intervient dans le calcul de xo, cette valeur n'intervient pas dans le volume de pertes de filtrat. De même, il ne s'agit pas de maximiser (>(le PVF du mélange de toutes les particules solides, 'fine' ou 'grossière'). Par contre, le volume de pertes de filtrat est proportionnelle à la taille des 'fines'. 1l ressort de cette analyse que dans la mesure o Test optimisée, dès lors que la quantité 'fines' dépasse un certain seuil, c'est à dire est relativement proche de xo pour des fractions de fines x inférieures à xo ou est supérieure à xo, des variations de x jouent peu sur le volume de perte de filtrat pas. Par contre, ces 'fines' se doivent d'être le plus fine possible. De façon préférée, la fraction 'fine' du mélange solide est ainsi constituée de particules solides dont le diamètre moyen est inférieur à li, de préférence à 0,5 p et de préférence encore à 0,2 P. De préférence encore, cette fraction fine ne comporte pas de particules dont la taille excède les valeurs indiquées plus haut. Des particules dont le diamètre moyen est d'environ 0,15 g sont plus
particulièrement préférées.
Pour formuler un coulis de ciment selon l'invention, on choisit d'abord différentes espèces solides dont on se procure les courbes de distribution granulométriques correspondantes. En excluant l'espèce la plus fine, on détermine ensuite quelles doivent être les proportions de chacune de ces différentes espèces pour obtenir la fraction volumique solide à la compaction
maximale. Ayant optimisé <Il et estimé I)2, le calcul de xo est éléementaire.
De préférence, les espèces constituant la fraction 'grossière' du mélange sont choisies telles que ce que la fraction volumique à la compaction 4(l peut être optimisée jusqu'à une valeur supérieure à 0, 80, de préférence à 0,85, et de préférence encore à 0,90. En général, cette condition n'est remplie que si la fraction 'grossière' est constituée d'au moins deux, et de
préférence d'au moins 3 espèces distinctes du point de vue granulométriques.
L'optimisation de Os, autrement dit la détermination des fractions volumiques optimales pour chacune des espèces de la fraction 'grossière' du mélange peut être efffectuée au moyen de diférentes méthodes connues de calcul qui ne nécessitent que la connaissance de la
distribution granulométrique de chacune des espèces du mélange.
Lorsque ces différentes espèces ont des distributions granulométriques bien disjointes, ce qui est le cas notamment lorsque les diamètres moyens des différentes espèces different d'un facteur 10 et qu'il n'y a pratiquement pas de recouvrement entre les différentes courbes granulométriques, il est possible dans une première approche de ne pas tenir compte des interactions entre les particules. De ce fait, la valeur de la fraction volumique à la compaction du mélange de 'grossières' peut être calculée de manière relativement simple en imaginant que l'empilement est constmruit tout d'abord en plaçant les particules de plus grandes tailles jusqu'à ce qu'elles forment un réseau continu puis en remplissant les interstices avec les particules de la taille inférieure, et ainsi de suite en remplissant chaque fois les interstices laissés entre les particules de plus grande taille par des particules plus petites. On trouvera des détails sur ce mode de calcul et les limites de validité de ce modèle notamment dans Do Ik
Lee, "Packing of Spheres and its Effect on the Viscosity of Suspensions", J. Paint Technol.
(JPTYAX); 70; Vol.42 (550); pp.579-87.
Lorsque ce modèle dit 'multi-modal' ne peut pas s'appliquer, en particulier lorsque les courbes de distribution granulométrique des différentes espèces du mélange se recouvrent, des modèles plus complexes doivent être considérés comme celui décrit par Richard D.
Sudduth, "A generalized model to predict the viscosity of solutions with suspended particles.
IV. Determination of optimum particle-by-particle volume fractions", J. Appl. Polym. Sci.
(JAPNAB,00218995); 94; Vol.52 (7); pp.985-96.
-6- 2753963
Plus simplement, il est aussi possible de se baser sur le modèle dit d'Andreassen décrit notamment dans A. H.M. Andreassen et J. Andersen, "Ueber die Beziehung zwischen Kornabstufung und Zwischenraum in Produkten aus losen Kôrnemrn (mit einigen Experimenten)", Kolloid Z. 50 (1930) 217-228. Selon ce modèle, la compaction optimale est obtenue lorsque la distribution des tailles de particules d'un mélange peut être décrite par l'équation (5) F= (d/ DM)q, o F est le pourcentage cumulé (en volume) des particules plus petites que d et DM la taille maximale des particules du mélange. L'exposant q, ou coefficient
de distribution, est d'autant plus petit que le mélange est pauvre en particules très fines.
Théoriquement ce modèle suppose une continuité des distribution des particules à partir d'une taille nulle. En pratique, les auteurs de la présente invention ont trouvé qu'il convient si l'équation (5) est vérifiée avec une valeur du coefficient de distribution comprise entre 0, 2 et 0,5 - et de préférence entre 0,3 et 0,4 - pour des valeurs de d comprises entre DM et dm (taille
des plus petites particules du mélange).
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: * Figure 1: une courbe illustrant la variation du volume de pertes de filtrat (en ml) pour différentes valeurs de D et selon le volume de noir de carbone ajouté à titre de 'fines'; * Figure 2: une courbe illustrant la variation du volume de pertes de filtrat (en ml) pour différentes valeurs de (D et selon le volume de latex ajouté à titre de 'fines'; * Figure 3: une représentation graphique de la valeur de F en fonction de la taille des particules (en double coordonnées logarithmiques) permettant de déterminer la valeur du coefficient de distribution; * Figure 4: une représentation graphique donnant la valeur de la fraction volumique à la
compaction en fonction du coefficient de distribution du mélange.
L'équation (1) a été utilisée pour prédire la valeur du volume de pertes de filtrat (en ml) pour deux types de fraction 'fine' dans l'hypothèse d'une porosité de 60% (autrement dit une valeur de Os égale à 40%), en fonction de la valeur de x, le pourcentage (en volume) de fines dans la fraction solide du coulis. Dans le premier cas (figure 1), la fraction 'fine' est constituée par des particules de noir de carbone, d'un diamètre moyen de 2 p; la fraction volumique à la compaction cD2 de ces particules est estimée égale à 0,70. Dans le second cas (figure 2), la fraction fine est constituée par des micro-billes de latex, d'un diamètre moyen
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de 0,15 p; s'agissant de particules de taille très uniforme, la fraction volumique à la
compaction I)>2 pour le latex est estimée à 0,64.
Cette fraction 'fine' est ajoutée à différents type de fraction 'grossière', ce terme signifiant simplement que toutes les espèces solides utilisées pour constituer une telle fraction sont
d'une plus grande taille que les particules de noir de carbone.
L'équation (1) n'est pas applicable pour des concentration en 'fines' proches de zéro, de ce fait, les courbes n'ont été tracées que pour des fractions volumiques de 'fines' supérieures ou
égales à 1%.
Pour des fractions volumiques supérieures à xo, l'équation (1) ne dépend plus de (1, mais uniquement de 1>2. Le volume des pertes de filtrat ne dépend pratiquement plus de la valeur de x, avec simplement une légerement dégradation des performances du coulis au fur et à
mesure que x croit.
Pour des fractions volumiques de fines inférieures à xo, on constate que les pertes de filtrat diminuent très sensiblement quand on augmente la quantité de 'fines' ajoutées, et que cette diminution est d'autant plus rapide que la fraction 'grossière' est dans un arrangement plus compact. Ainsi, dans le cas de la figure 1, pour une fraction 'grossière' dont la fraction volumique à la compaction 1D est de 0,70 (ce qui correspondrait par exemple à un coulis constitué uniquement de particules de ciment et de 'fines'), les pertes de filtrat minimales sont obtenues pour une fraction xo de 23%. Si l'on augmente la valeur de D2, les pertes minimales sont obtenues pour des concentrations plus faibles. De plus, le volume de pertes de filtrat est légèrement diminué. Avec du noir de carbone, en faisant passer la valeur de <>2 de 0,70 à 0,90, on peut diminuer les pertes de filtrat d'environ 100 ml, et surtout, en utilisant une
quantité de 'fines' trois fois moindre.
Comme on peut de plus le constater à l'aide de la figure 2, la tendance reste exactement la même avec des particules plus fines comme le latex, mais avec alors des volumes de pertes
de filtrat considérablement réduits en raison de la plus petite taille.
Dans une deuxième étape, on a cherché à vérifier la validité du modèle théorique à la base de l'invention.
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Exemple 1: fraction fine = 'latex' La première série d'essai a été réalisée avec un coulis dont la fraction 'grossière' comprend un ciment Portland de classe G (densité 3,23; diamètre moyen des particules=20 I) et, selon le cas, un sable A, essentiellement constitué de silice, (densité 2,65; diamètre moyen des particules= 200 I), un sable riche en oxyde de chrome (densité 4,5; diamètre moyen des particules=300 p) et un quartz finement broyé (densité 2,65; diamètre moyen des particules
7 i; référence E600 de la société Sifraco, France).
La fraction fine est formée d'un latex styrène-butadiène (densité 1, en solution à 50% en poids; diamètre moyen des particules 0,15 t; référence D600 de la société Schlumberger
Dowell). La fraction solide à la compaction (2 correspondante est de 0, 64.
Un dispersant de type du type polynaphtalène sulfonate (référence D80 de Schlumberger
Dowell) a été ajouté pour faciliter le mélange.
Les quatre formulations testées sont indiquées au tableau I. Les quantités de latex et de dispersants ajoutées (indiquées en gramme) correspondent à 600 ml de coulis, préparé avec un volume de fraction grossière et de l'eau (la porosité est égale au rapport du volume d'eau sur le volume total de coulis, soit 600 ml); ce qui correspond à une fraction volumique de latex solide x. D, correspond à la fraction volumique à la compaction de la fraction grossière', xo a été calculé au moyen de la formule (4), Ps et Pc respectivement à la masse
volumique du mélange solide et du coulis.
Formulations (I) # Fraction 'grossière' (), Latex x xo Dispersant Porosité Ps Pc (% volumique) g % % g % vol. g/cm3 g/cm3 Ciment Sable Sable Quartz A B broyé
1 100 - - 0,74 100 16,5 18 2 58 3,2 1,93
2 35 55 10 0,87 40 5,3 9 5 40 2,9 2,11
3 100 - - 0,74 32 11,3 18 2 58 3,2 1,93
4 35 55 10 0,87 16 2,1 9 5 40 2,9 2,11
30 15 45 10 0,92 40 5,3 5 4 40 3, 9 2,71
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Les coulis 1 et 3 correspondent à des coulis selon l'art décrit notamment dans le brevet
européen 0 273 471.
On a mesuré dans les conditions API (American Petroleum Institut) la rhéologie du coulis (PV:Viscosité plastique, Ty: Seuil de cisaillement), le volume des pertes de filtrat à 85 C en
minutes, le temps de prise, et la résistances à la compression après 24 heures.
Les mesures rhéologiques et de pertes de filtrat ont été effectuées à une température de 85 C, correspondant à une température moyenne de circulation dans un puits (ou BottomHole Circulation Temperature BHCT). Les mesures de compression ont été réalisée à la la
température statique de fond de puits (Bottom Hole Static temperature BHST).
Par ailleurs, pour chaque coulis testé, on a indiqué si le coulis est ou n'est pas étanche au gaz et peut donc (ou ne peut pas) être utilisé dans un puits présentant des problèmes de migration
de gaz.
Résultats (I) # PV Ty FL TT BHST CS4 Etanche (Pa.s) (Pa) (ml/30 min) (h:min) (O C) (MPa) aux gaz i 0,252 12,0 32 6:25 85 16 oui 2 0,230 7,2 28 2:50 85 26 oui 3 0,210 5,7 108 0:45 160 33 non 4 0,240 8,6 66 3:20 160 50 non 0,287 9,1 32 5:25 99 28 oui Pour une même fraction grossière (mêmes valeurs du PVF CD, de la fraction 'grossière' du mélange), le volume de pertes de filtrat est directement lié au volume de latex ajouté. Par contre, comme la comparaison des tests 1 et 2 le démontrent clairement, il est possible de maintenir un niveau de pertes de filtrats très faibles [la différence de 4 ml entre les deux valeurs des volumes de pertes est en fait inférieure à l'incertitude expérimentale dans ce type de mesure] en utilisant une quantité de latex bien plus faible, à la condition d'optimiser le
PVF (Di de la fraction 'grossière'.
En minimisant ainsi la quantité de latex nécessaire, on s'affranchit de plus pour une large part des effets indésirés liés à l'ajout de grandes quantités d'additifs comme en particulier un
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retard du temps de prise (qui doit selon l'art être lui-même compensé par l'addition d'un accélérateur de temps de prise qui à son tour entraîne une modification de certaines propriétés du coulis). La rhéologie du coulis est de plus un peu améliorée. Plus encore, des résistances à la compression sensiblement plus grandes sont alors obtenues, ce qui signifie une meilleure qualité de ciment (pour des coulis de densité moyenne, on recherche une résistance à la
compression à 24 heures d'au moins 2000-3000 psi c'est-à-dire d'environ 15 à 20 MPa).
Comme le montre le test 5, lorsque le volume de 'fines' est supérieur à la valeur xo, les pertes
de filtrat ne sont plus améliorées.
Exemple 2: fraction fine = 'noir de carbone' Pour cette seconde série de tests, la fraction fine utilisée est du noir de carbone (densité 1,99; diamètre moyen des particules 1 p, La fraction solide à la compaction (> 2 correspondante est
de 0,70.
Pour la fraction grossière, on a utilisé pour le coulis # 8 des microsphères creuses de type Cénosphères - désignées dans le tableau ciaprès et pour les autres séries d'essais par le terme de billes - (densité 0,75; référence D124 de la société Schlumberger Dowell). Le but est l'obtention d'un coulis très léger pour la cimentation de formation facilement fracturable par
exemple.
Formulations (II) # Fraction 'grossière' (I) Xo x Dispersant Porosité Ps Pc (% volumique) %vol (g) (% vol.) g/cm3 g/cm3 Ciment Sable A Quartz billes broyé
6 35 55 - 0,83 13 10 10 40 2,8 2,05
7 35 55 7 0,86 10 3 20 40 2,7 2,04
8i 35 - 55 0,83 13 10 30 40 1,8 1,46
i Pour ce test, on a de plus ajouté au 600 ml de coulis 5.0 g d'un retardateur à base de lignosulfate.
Les mesures ont été effectuées dans les mêmes conditions que pour l'exemple 1.
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Résultats (II) # PV Ty FL BHST CS24 Etanche (Pa.s) (Pa) (ml/30 min) (O C) (MPa) aux gaz 6 0,243 16,3 97 85 non oui mesurée 7 0,203 3, 8 106 160 40 non 8 0,196 8,6 48 160 16 oui Avec du noir de carbone formé de particules bien moins fines que le latex, on obtient une dégradation sensible des performances mais pour autant les pertes de filtrat sont considérablement améliorées par rapport à des compositions sans aucun additif de contrôle du filtrat. Il est clair que ces compositions peuvent être encore améliorées par l'addition d'un
agent de contrôle de filtrat notamment un polymère anionique dérivés de l'acrylamide.
Il est à noter que pour des coulis d'aussi faible densité que les coulis 8, des résistances à la
compression de l'ordre de 1000 psi (690 N/cm2) sont déjà considérées comme satisfaisante.
Les compositions selon l'invention sont donc sur ce point tout à fait remarquables.
Exemple 3: fraction fine = 'boue rouge' Pour cet exemple, la fraction fine est constituée par des boues rouges, Par boues rouges, il est entendu le produit résidu du procédé Bayer de préparation de l'alumine à partir de la bauxite.La composition des boues rouges dépend du minerai de bauxite utilisé et des conditions de traitement, les principaux constituants étant l'alumine [18-25%], la silice [15-20%], l'oxyde ferrique [30%-40%] auquel la boue doit sa coloration brun-rouge. Le diamètre moyen des particules est d'environ 1 p, avec une valeur de <> 2de 0,70. A noter toutefois qu'une fraction relativement importante des particules de boue rouge a un diamètre bien supérieur au diamètre moyen et devrait donc en toute rigueur, être incorporée à la fraction 'grossière' pour le calcul, avec pour conséquence une diminution de fait de la valeur
de (l.
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Formulations (IHI) # Fraction 'grossière' (i xo x Dispersant Porosité Ps Pc (% volumique) (%) (%vol) (g) (% vol.) (g/cm3) (g/cm3) Ciment Sable A billes
9 30 55 0,80 15 15 15 40 1,9 1,53
i 35 55 - 0,78 16 10 20 40 2,9 2,14 i Pour ce test, on a de plus ajouté à 600 ml de coulis, 5.0 g d'un retardateur à base de lignosulfate. Par ailleurs,
on a utilisé un dispersant comportant du chlorure de magnésium et du polynaphtalène sulfonate.
Tous les mesures ont été réalisées à 85 C.
Résultats (III) # PV Ty FL TT Etanche (Pa. s) (Pa) (ml/30 min) (h:min) aux gaz 9 0,244 2,4 88 n/m non 0,159 2,4 130 5:45 non Exemple 4: Autres fractions fines Pour cette nouvelle série de tests, on a utilisé 3 nouveaux types de fraction fines. Pour les 3 matériaux, la fraction solide à la compaction D2 est estimée voisine de 0,70. Les types de fractions fines ici testés sont: - de la micro-silice - notée pisilice, (densité 2,4; diamètre moyen des particules 0,15 p), - du quartz fin broyé, identique à celui utilisé pour les tests précédents mais dans avec une formulation du mélange solide telle que cette fraction constitue la fraction fine dans le cas considéré. - des cendres volantes 'filtrées' à 50 p- notées cendres, (densité 2,4; diamètre moyen des particules 21i) 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
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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 200 p 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. Formulations (IV) # Fraction 'grossière' <> Fines % xo Dispersant Porosité Ps Pc (% volumique) (g) (% vol.) (g/cm3) (g/cm3) ]_ _ billes 11 23 43 13 0,85 psilice 21 50 39 2,0 1,58 pciment 12 33 52 - 0,80 quartz 15 15 3 40 1,9 1,51 13 130 153 1 2 0,78 cendres 15 16 15 45 1,8 1,44 sable A k Le dispersant utilisé est ici une solution à 40% de polymélamine
sulfonate.
Toutes les mesures ont été réalisées à 85 C, sauf pour l'essai 11 testé dans les conditions de la cimentation de la tête d'un puits sous-marin en grande profondeur température de
circulation du coulis et température statique en fond de puits égales à 4,4 C.
Résultats (IV) # PV Ty FL TT 500 psi CS24 Etanche (Pa.s) (Pa) (ml/30 min) (h:min) (h:min) (MPa) aux gaz 11 0,149 1,4 28 8:18 12:00 36 oui 12 0,165 2,9 558 non non non non mesuré mesuré mesurée 13 0,209 5,3 81 non 3:54 32 non mesuré
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Les exemples reportés ci-dessus montrent clairement qu'il est toujours possible de minimiser les pertes de filtrat à la condition d'optimiser la fraction volumique à la compaction des grossières'. Le calcul exact de la fraction volumique à la compaction peut s'avérer très lourd dans le cas o les interactions entre les différentes particules ne sont pas négligeables. Pour autant, il a été trouvé que le modèle d'Andreassen pouvait fournir une base très simple pour optimiser la valeur de (Dl lorsque la fraction grossière est constituée d'un ensemble de particules qui
forment un continium de distribution des tailles.
Dans ce cas, si on represente le pourcentage (cumulatif) de particules plus petites qu'une taille donnée, en double ordonnées logarithmiques, on obtient une courbe dont l'allure est donnée par la figure 3: à partir d'une taille donnée de particules, ou taille pivot, la courbe est du type F= (d/D)q conformément à l'équation d'Andreassen. La taille pivot est à rapprocher de l'existence d'une taille minimale de particules dans le mélange. Sur cette figure 3, le
coefficient de distribution q est donné par la pente de la droite.
En calculant la valeur de la fraction volumique à la compaction <> pour divers mélanges, les auteurs de la présente invention ont constaté empiriquement l'existence d'une relation entre q et <). Comme on peut le constater à l'aide de la figure 4, il apparait que toute valeur de q entre 0,3 et 0,4 conduit à une optimisation de c>, le maximum étant obtenu pour q=0,37. A noter que si le continuum de distribution des particules n'est pas obtenu dans le cas du mélange choisi, on obtient une courbe en escalier et non une seule droite. Cette représentation permet donc de vérifier aisément si les conditions d'application du modèle sont ou non
remplies dans chaque cas particulier.
Il a été de plus constaté que l'étendue de la plage des q favorables est d'autant plus étroite que la taille maximale des particules est grande. En pratique, la plage 0,3 - 0,4 convient si la taille des plus grande particules du mélange solide est voisine de 300 Ii. Si la taille maximale est de l'ordre de 500 p, il est préférable de sélectionner les mélanges dont le q est compris
entre 0,34 et 0,39.
Pour empiriques qu'ils soient, ces critères offrent un moyen rustique mais fiable d'optimiser la valeur de <Jl de tout mélange pouvant constituer la fraction 'grossière' car il existe des utilitaires pour ordinateurs de bureau capable de 'sommer' différentes courbes granulométriques et de prédire l'allure de la courbe de distribution de tout mélange
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simplement en entrant les fractions volumiques et les courbes de distribution granulométrique
de chacun des constituants.
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Claims (6)
1. Composition de cimentation pour puits pétrolier ou analogues essentiellement constituée d'une fraction solide en suspension dans un médium liquide caractérisée en ce que la fraction volumique à la compaction (DIde la fraction 'grossière' du mélange constituée par l'ensemble de toutes les espèces solides du mélange, à l'exception de l'espèce ayant les particules les plus fines est maximisée et en ce que la fraction x de volume solide des particules les plus fines est inférieure ou égale à la fraction volumique xo telle que xo =
<P2(1-<,)
-<+ <- (1 -) _ o h 2 est la fraction volumique à la compaction de l'espèce constituée
(D,+ 2( 1- (0
uniquement des particules les plus fines.
2. Composition de cimentation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la fraction fine est constituée de particules solides dont le diamètre moyen est inférieur à lpj, de préférence à 0,5 p et de préférence encore à 0,2 p.
3. Composition de cimentation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la fraction fine ne comporte pas de particules solides dont le diamètre est supérieur à l1, de préférence à 0,5 1i et de préférence encore à 0,2 p.
4. Composition de cimentation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en
ce que la fraction volumique à la compaction (Di est supérieure à 0,80, de préférence à
0,85, et de préférence encore à 0,90.
5. Méthode de formulation d'une composition selon l'une des revendications précédentes,
caractérisée par les étapes suivantes: a) on choisit les constituents de la fraction 'grossière'; b) on obtient les courbes de distribution granulométriques de chacun des constituants choisis; c) on choisit une fraction volumique pour chaque constituant; d) on calcule et trace la courbe log(F) en fonction de log(d); e) on mesure le coefficient q de la pente de la partie substantiellement droite de la courbe tracée; -17- f) on répète les étapes c) à e) jusqu'à l'obtention d'une valeur de q comprise ente
0,2 et 0, 5.
6. Méthode de formulation d'un composition de cimentation selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'on sélectionne les mélanges pour lesquels q est compris entre
0,3 et 0,4.
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