FR2768768A1 - Procede pour maintenir l'integrite d'une gaine formant joint d'etancheite, en particulier d'une gaine cimentaire de puits - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé pour maintenir l'intégrité d'une gaine, en particulier d'une gaine cimentaire d'un puits.Le procédé consiste à calculer ou faire une estimation des variations de pression et/ ou de température dans le puits et/ ou des variations des contraintes in-situ, qui seront susceptibles d'intervenir au cours de la vie du puits, à faire une évaluation des contraintes dans la gaine en fonction des variations précitées, à déterminer la nature de la contrainte qui sera susceptible de provoquer en premier lieu un risque de détérioration de la gaine, et à évaluer l'influence des propriétés élastiques de la gaine, de la roche et/ ou du tubage sur cette contrainte pour choisir une gaine permettant d'atténuer cette détérioration.L'invention s'applique notamment à des puits de pétrole, d'eau, de gaz et géothermiques.
Description
PROCEDE POUR MAINTENIR L'INTEGRITÉ D'UNE GAINE FORMANT
JOINT D'ETANCHEITE, EN PARTICULIER D'UNE GAINE CIMENTAIRE
DE PUITS
La présente invention concerne un procédé pour maintenir l'intégrité d'une gaine formant joint d'étanchéité, en particulier d'une gaine cimentaire, située autour du tubage métallique d'un puits de pétrole,
de gaz, d'eau, géothermique et analogue.
Le plus souvent, l'exploitation d'un gisement de pétrole, d'eau ou de gaz s'effectue au travers d'un puits dans lequel on a introduit un tubage métallique et mis en place une gaine de ciment pour combler l'espace ou annulaire situé entre le tubage et le trou de forage. La mise en place de la gaine ou opération de cimentation consiste à injecter un laitier de ciment dans le tubage pour faire remonter et évacuer notamment la boue de forage par l'annulaire qui va être ainsi progressivement comblé par le laitier. Après la prise et le durcissement du laitier, on obtient une gaine de ciment qui a pour fonction d'empêcher toute communication de fluide entre les différentes formations traversées par le puits, et de
servir de support pour le tubage métallique.
Cette opération de cimentation du puits est une opération très délicate car elle nécessite la prise en compte et le contrôle de nombreux paramètres. A titre d'exemple, un laitier de densité trop élevée peut entraîner une fracturation de la roche, alors qu'un laitier de faible densité pourrait entraîner une intrusion de fluides extérieurs. Si la densité du laitier est un paramètre relativement facile à maîtriser, il n'en est pas de même pour ses propriétés rhéologiques. Ces problèmes inhérents à l'opération de cimentation d'un puits sont bien connus de l'homme de métier, et les solutions consistent généralement à ajouter au laitier différents additifs dont la sélection n'est pas toujours
évidente et varie d'un puits à l'autre.
Cependant, même dans une situation o cette opération de cimentation est effectuée dans de bonnes conditions pour obtenir une gaine assurant ses fonctions d'étanchéité et de support après la prise et le durcissement du laitier, il n'en demeure pas moins que cette gaine va subir dans le temps des contraintes mécaniques et/ou thermiques qui sont de nature à entraîner une détérioration de la gaine pouvant aboutir à une remise en cause des conditions d'exploitation du puits. Ces problèmes liés à la détérioration de la gaine pendant la durée de vie du puits ne sont pas nouveaux en soi et bien connus de l'homme de métier, mais jusqu'à maintenant aucune approche concrète n'a été faite
pour tenter d'apporter une solution à ces problèmes.
Or, un but principal de l'invention est justement d'analyser plus précisément les contraintes mécaniques et/ou thermiques que la gaine peut subir au cours de la durée de vie du puits, les effets de ces contraintes et l'influence des paramètres mécaniques et/ou physiques du ciment, du tubage et/ou de la roche sur ces contraintes, pour aboutir à une solution capable de répondre concrètement à ces problèmes de détérioration
de la gaine.
A cet effet, l'invention propose un procédé qui est caractérisé en ce qu'il consiste: - à calculer ou faire une estimation des variations de pression et/ou de température dans le puits et/ou des variations des contraintes in-situ, qui seront susceptibles d'intervenir au cours de la vie du puits, - à faire une évaluation, pour une gaine donnée, des différentes contraintes qui seront appliquées à cette gaine en fonction notamment des variations précitées et en prenant en compte les caractéristiques géométriques du puits et du tubage, ainsi que les propriétés mécaniques de la roche, - à déterminer à partir de l'évaluation précitée des différentes contraintes, la nature de la contrainte qui sera susceptible de provoquer en premier lieu une détérioration de la gaine, à évaluer l'influence des propriétés mécaniques et/ou physiques de la gaine, de la roche et/ou du tubage sur la contrainte précitée, - à choisir une gaine dont les propriétés mécaniques et/ou physiques sont susceptibles d'atténuer les effets de la contrainte précitée, - et à mettre en place la gaine ainsi choisie
autour du tubage du puits.
D'une manière générale, l'analyse des données obtenues par modélisation et qui ont servi de base à la définition du procédé selon l'invention, a permis de répertorier trois types principaux de détérioration qui sont de nature à endommager la gaine, à savoir une fissuration par suite d'une rupture en traction ou en cisaillement, ou son décollement au niveau de ses
interfaces avec le tubage et la gaine.
Une analyse de l'influence des propriétés mécaniques et/ou physiques de la gaine, du tubage et/ou de la roche sur ces détériorations a permis d'affiner le procédé selon l'invention pour atténuer le risque
d'apparition de ces détériorations.
Ainsi, selon deux autres caractéristiques de l'invention, le procédé consiste: - à prendre en compte les propriétés élastiques de la gaine, et à choisir une gaine dont le rapport entre la valeur de sa résistance à la traction et la valeur de son module de Young, est le plus élevé possible, et/ou - à prendre également en compte les propriétés élastiques de la roche, et à choisir une gaine dont la valeur de son module de Young est inférieure à celle du
module de Young de la roche.
Avec de telles dispositions, le procédé permet d'atténuer le risque d'apparition d'une fissuration de la gaine, en particulier par suite d'une augmentation de la
pression et/ou de la température dans le puits.
Dans le cas d'une augmentation de la pression dans le puits, le procédé peut consister également à augmenter l'épaisseur du tubage pour limiter sa déformation. Dans le cas d'une augmentation de la température dans le puits, le procédé peut consister également à contrôler la montée en température pour
atténuer les effets sur la gaine.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le procédé consiste également à mettre la gaine sous compression lors de sa mise en place autour du
tubage du puits.
Avec une telle disposition, le procédé permet également d'atténuer le risque d'apparition d'un décollement de la gaine, en particulier par suite d'une
diminution de la pression au niveau de l'interface gaine-
roche. D'une manière générale, les données expérimentales, numériques et/ou mathématiques obtenues sur l'étude des risques de rupture de la gaine de ciment par traction ou par cisaillement et du risque de
décollement de la gaine au niveau des interfaces tubage-
gaine et gaine-roche par suite des contraintes mécaniques et thermiques auxquelles la gaine sera soumise au cours de la vie du puits, ont permis d'aboutir à la constatation que l'ensemble de ces risques peut être notablement atténué en jouant notamment sur les
propriétés élastiques du ciment.
Ainsi, ces données ont conduit à élaborer un procédé qui peut être utilisé pour définir les propriétés requises de la gaine, en particulier ses propriétés élastiques, avant de procéder à sa mise en place autour
du tubage d'un puits.
A l'heure actuelle, dans le cas d'une gaine cimentaire, on cherche surtout à obtenir un ciment ayant les propriétés requises après la prise et le durcissement du laitier de ciment, en jouant essentiellement sur les propriétés rhéologiques du laitier. On aboutit ainsi à la
définition de nombreuses compositions de laitiers.
Dans ces conditions, le procédé selon l'invention peut être également utilisé comme un outil permettant de pouvoir tester ces compositions de laitiers et de connaître, pour un puits donné, leurs aptitudes à résister aux sollicitations des différentes contraintes mécaniques et/ou thermiques auxquelles la gaine de cimentation sera soumise pendant la durée de vie du puits. Selon un avantage important de l'invention, la mise en oeuvre du procédé ne nécessite pas d'équiper le puits avec des moyens techniques supplémentaires pour
protéger la gaine de ciment.
D'autres caractéristiques, avantages et détails du procédé selon l'invention ressortiront du
complément de description qui va suivre, en référence aux
dessins annexés, donnés à titre d'exemple pour une gaine cimentaire et dans lesquels: - les figures 1 à 4 illustrent sous forme graphique les contraintes auxquelles la gaine de ciment est soumise lors d'une augmentation de la pression dans le puits, et l'influence des propriétés élastiques du ciment et de la roche sur la résistance à la traction requise pour le ciment afin d'éviter une rupture par traction de la gaine; - les figures 5 à 9 illustrent sous forme graphique les contraintes auxquelles la gaine de ciment est soumise lors d'une augmentation de la température dans le puits, et l'influence des propriétés élastiques du ciment sur la résistance à la traction requise pour le ciment afin d'éviter une rupture par traction de la gaine; - les figures 10 à 13 illustrent sous forme graphique les contraintes auxquelles la gaine de ciment est soumise lors d'une augmentation de la pression au niveau de l'interface gaine-roche, et l'influence des propriétés élastiques du ciment sur ces contraintes; et - les figures 14 à 16 illustrent sous forme graphique les contraintes auxquelles la gaine de ciment est soumise lors d'une diminution de la pression dans le puits, et l'influence des propriétés élastiques du ciment
sur ces contraintes.
D'une manière générale, la gaine de ciment d'un puits subit au cours du temps des contraintes mécaniques et/ou thermiques qui se décomposent en contraintes tangentielles axiales et radiales qui sont en
extension ou en compression.
Dans l'étude qui a été faite sur ces contraintes, on a émis l'hypothèse que les contraintes axiales sont pratiquement nulles, et on a pris essentiellement en compte les contraintes tangantielles et radiales dans un plan perpendiculaire à l'axe du puits. Comme indiqué en préambule, l'analyse de ces contraintes et des données recueillies au cours de l'étude ont permis d'identifier trois types principaux de détérioration qui sont de nature à endommager l'intégrité de la gaine de ciment au cours de la duré de vie du puits. I. Le premier type de détérioration est un risque de rupture en traction de la gaine avec apparition et propagation de fissures radiales dans le ciment qui peuvent notamment résulter d'une augmentation de la
pression ou de la température dans le puits.
Ce type de rupture en traction de la gaine est essentiellement provoqué par l'action des contraintes tangentielles qui sont en extension, alors que les contraintes radiales sont en compression. Or, comme un ciment présente toujours une valeur de résistance à la traction qui est notablement inférieure à la valeur de sa résistance à la compression, les contraintes tangentielles seront les premières à provoquer une
fissuration éventuelle du ciment.
A. Une augmentation de la pression dans le puits peut notamment intervenir lors des opérations de forage d'une nouvelle section du puits, de tests de fuite, de tests des sabots de tubage ("casing shoes"), de perforation du tubage et de stimulation de la formation ou du réservoir par fracturation hydraulique. Une telle augmentation de pression peut atteindre une valeur de 30
à 40 MPa.
On va examiner ci-après et en référence aux figures 1 à 4 établies sur la base des données de l'étude, l'état des contraintes dans le ciment pour une augmentation de l'ordre de 6,90 MPa de la valeur de la
pression dans le puits.
Soit un puits de forage ayant les caractéristiques suivantes: - diamètre du trou de forage: 215,9 mm - diamètre extérieur du tubage: 117,8 mm diamètre intérieur du tubage: 152,5 mm - poids nominal du tubage: 52 kg/m - module de Young du tubage 200 GPa, du ciment GPa et de la roche 10 GPa. Les tests ont été réalisé à partir d'un laitier formulé avec du ciment Holnam H C4474 selon les compositions suivantes (gal/sk = 3.78 1 par sac de 94 lb (42.6 kg) de ciment soit 1 gal/sk=0.088 1 d'additif par kg de ciment; 1 ppg= 0.1198 g/cm3. La quantité d'eau est indiquée en pourcentage massique par rapport à la masse
de ciment.
Latex Stabili- Disper- Retarda- Anti- eau Densité Poro-
D600 sant D135 sant D80 teur D801mousse sité (gal/sk) (gal/sk) (gal/sk) (gal/sk) D144 (%) (ppg) (gal/sk)
0 0 0,060 0,070 0,03 37,78 16,4 55,41
1 0,1 0,03 0,02 0,03 28,87 16,4 49,24
2 0,2 0,045 0,02 0,03 19,3 16,4 43,23
0,' 0,045
3 0,3 0,075 0,015 0,03 9,67 16,4 37,30
4 [0,4 0,l5 0 -0,03 1,45 16,2 33,19 D600, D135, D80, D801 et D144 sont des additifs de la
société Schlumberger Dowell.
L'état des contraintes dans le ciment est calculé en supposant que le ciment, l'acier du tubage et
la roche sont des matériaux ou thermoélastiques ou poro-
élastiques et que les liaisons interfaces ciment/roche et ciment/tubage sont complètes ou inexistantes. On a fait de plus l'hypothèse de l'absence de contraintes internes
dans le ciment une fois la prise achevée.
Le risque de rupture du ciment peut être analysé à partir du critère de Mohr-Coulomb qui exprime que la contrainte T tendant à provoquer la rupture est limitée par la cohésion du matériau et par une constante analogue au coefficient de friction interne multiplié par la contrainte normale On s'exerçant dans le plan
perpendiculaire au plan de rupture.
Sur les figures 1 et 2, on a représenté l'état des contraintes radiales (figure 1) et tangentielles (figure 2) dans la gaine en fonction de la distance de
l'axe du puits, c'est-à-dire entre l'interface tubage-
gaine et l'interface gaine-roche.
L'examen de ces deux figures 1 et 2 montre: - que les contraintes radiales sont en compression, - que les contraintes tangentielles sont en extension, et - que la valeur de la contrainte tangentielle en extension est la plus élevée au niveau de l'interface tubage-gaine. Ainsi, la valeur de la contrainte tangentielle en extension qui est appliquée au niveau de l'interface tubage-gaine va permettre de déterminer la valeur de la résistance à la traction du ciment qui est requise afin d'éviter l'apparition et la propagation de fissures radiales. On va étudier maintenant l'influence des propriétés élastiques de la gaine et de la roche sur la valeur de la résistance à la traction requise pour le ciment. Sur la figure 3, on a représenté les variations de la valeur de cette résistance à la traction en fonction de la valeur du module de Young du ciment
pour différentes valeurs du module de Young de la roche.
Concrètement, les courbes Cl à C5 correspondent à des valeurs du module de Young de la roche qui sont de l'ordre de 1 GPa, 5 GPa, 10 GPa, 20 GPa, et 30 GPa respectivement. L'examen de chacune des courbes C1-C5 montre que la valeur de la résistance à la traction requise pour
le ciment augmente avec la valeur de son module de Young.
Or, comme les données de l'étude montrent également que le ciment présente une valeur de résistance à la traction qui augmente avec la valeur de son module de Young, il ne faut pas pour autant en déduire qu'un ciment ayant une valeur de résistance élevée à la traction résistera mieux qu'un ciment plus flexible ayant
une valeur de résistance à la traction moins élevée.
En effet, les courbes C1-C5 montrent que la valeur de la résistance à la traction requise pour le ciment diminue avec la valeur du module de Young de la roche, c'est-à-dire lorsque que le ciment est plus flexible que la roche, cette dernière assurant une
fonction de support mécanique.
A titre d'exemple, un ciment obtenu à partir du laitier ayant la composition donnée précédemment présente un module de Young d'une valeur de l'ordre de 7800 MPa et une résistance à la traction d'une valeur de l'ordre de 4 MPa, ce qui est matérialisé par le point A sur la figure 3. En ajoutant à ce laitier de ciment un additif tel que du latex type styrène-butadiène dans les proportions suivantes 2gps (point B), 3gps (point C) et 4 gps (point D), on rend le ciment plus flexible et on 1l diminue les valeurs de son module de Young et de sa
résistance à la traction.
Concrètement, si on considère une roche ayant un module de Young d'une valeur de 10 GPa (courbe C3), les ciments A et B auront une valeur de résistance à la traction qui est insuffisante pour éviter une rupture par traction de la gaine pour une augmentation de la valeur de la pression dans le puits d'une valeur de l'ordre de 6,90 MPa. Par contre, les ciments C et D auront une résistance à la traction suffisante pour éviter une rupture par traction puisque les points C et D se situent
au-dessus de la courbe C3.
La figure 4 est analogue à la figure 3 mais avec un poids de tubage moins élevé. On constate que les courbes C1-C5 de la figure 4 ont une pente plus importante que les courbes correspondantes de la figure 3, c'est-à-dire que les résistances à la traction requises pour le ciment augmentent du fait que le tubage subit une déformation plus importante sous l'action d'une
augmentation de la pression dans le puits.
D'une manière générale, les données de l'étude montrent également que les résistances à la traction requises pour le ciment varient d'une façon sensiblement linéaire avec l'augmentation de la pression dans le puits, la valeur de ces résistances à la traction étant multipliée par deux lorsque la valeur de l'augmentation
de la pression est doublée.
L'examen des figures précédentes montre également que les contraintes tangentielles deviennent de plus en plus compressives lorsque la valeur du module de Young du ciment est très faible et que celle du module de Young de la roche est très élevée. Dans ces conditions particulières, on minimise d'une façon importante le
risque d'une rupture en traction de la gaine.
Concrètement, les données de l'étude ont permis de démontrer que le risque d'une rupture en traction de la gaine de ciment par suite d'une augmentation de la pression dans le puits est atténuée: - si le rapport entre la valeur de la résistance à la traction du ciment et la valeur de son module de Young est le plus élevé possible, et/ou - si la valeur du module de Young du ciment est inférieure à celle du module de Young de la roche, et/ou
- si on augmente l'épaisseur du tubage.
B. Une augmentation de la température dans le puits peut intervenir notamment pendant la production des fluides des formations et peut atteindre une valeur de l'ordre de 100 C, et pendant une injection de vapeur dans une formation pour stimuler la production et peut atteindre une valeur de l'ordre de 300 C. L'étude a été faite en prenant en compte les paramètres suivants: tubage ciment roche densité solide (kg/m3) 8000 1900 2100 chaleur spécifique (5Jkg-'lK-') 500 2100 1900 coefficient de dilatation 1.3x10-5 1.3x10-5 1.3x10-s thermique (K'1) conductivité thermique (W/mK) 15 1 1 On va examiner ci-après et en référence aux figures 5 à 9 établies à partir des données de l'étude, l'état des contraintes dans le ciment pour une augmentation de 55,6 C de la valeur de la température
dans le puits ayant les caractéristiques précitées.
Sur les figures 5 et 6, on a représenté l'état des contraintes radiales (figure 5) et tangentielles (figure 6) dans la gaine en fonction de la distance de l'axe du puits, les mesures ayant été effectuées 100 secondes après l'augmentation de la valeur de la
température dans le puits.
L'examen de ces deux figures montre: - que les contraintes radiales sont en compression (figure 5), - que les contraintes tangentielles sont en compression vers l'interface tubage-gaine et en extension vers l'interface gaine-roche (figure 6), et - que la valeur de la contrainte tangentielle en extension est la plus élevée au niveau de l'interface
gaine-roche.
Ainsi, la valeur de la contrainte tangentielle en extension qui se situe, dans la majorité des cas, au niveau de l'interface gaine-roche va déterminer la valeur de la résistance à la traction requise pour le ciment afin d'éviter l'apparition et la propagation de fissures radiales. On va examiner maintenant l'influence des propriétés élastiques de la gaine sur la valeur de la
résistance à la traction requise pour le ciment.
Sur les figures 7 et 8, on a représenté les variations de la valeur de cette contrainte tangentielle en traction au niveau de l'interface gaineroche en
fonction du temps après l'augmentation de la température.
Les courbes des figures 7 et 8 correspondent à des valeurs du module de Young du ciment égales à 10 GPa et 5
GPa, respectivement.
L'examen de ces deux figures 7 et 8 montre qu'un ciment ayant un module de Young faible résistera mieux qu'un ciment ayant un module de Young élevé. En effet, la contrainte tangentielle atteint une valeur de l'ordre de 8,97 MPa dans le cas de la figure 7 pour une valeur du module de Young de la roche de l'ordre de GPa, alors que cette contrainte tangentielle n'atteint qu'une valeur de l'ordre de 1,3 MPa dans le cas de la figure 8 pour une valeur du module de Young de l'ordre de GPa. Ces résultats sont similaires à ceux observés lors de l'étude d'une augmentation de la pression dans le puits, à savoir que la roche constitue un support mécanique pour la gaine lorsque la valeur du module de Young de la roche est supérieure à celle du module de
Young du ciment.
Sur la figure 9, on a représenté les variations de la valeur de la résistance à la traction requise pour le ciment afin de résister à une rupture en traction, en fonction de la valeur du module de Young du ciment et pour une augmentation de l'ordre de 111,2 C de la valeur de la température pour un puits donné, à une profondeur donnée et un type de roche donné. On a également matérialisé sur cette figure 9 sept points A à G qui correspondent à des ciments de plus en plus flexibles. L'examen de cette figure 9 montre que le ciment G qui est le plus flexible, est le seul à pouvoir éviter une rupture par traction de la gaine dans les
conditions envisagées précédemment.
Concrètement, les données ont permis de démontrer que le risque d'une rupture en traction de la gaine de ciment par suite d'une augmentation de la température dans le puits est atténuée: - si le rapport entre la valeur de la résistance à la traction du ciment et la valeur de son module de Young est le plus élevé possible, et/ou - si la valeur du module de Young du ciment
est inférieure à celle du module de Young de la roche.
En outre, ce risque de rupture en traction de la gaine peut être fortement réduit dans la mesure o l'on peut contrôler la montée en température, ce qui est possible lorsque l'on injecte de la vapeur dans la formation pour augmenter sa production, pour atténuer les
effets de la température sur la gaine.
D'une manière générale, on a démontré que les contraintes tangentielles en extension sont les premières à détériorer la gaine lors d'une augmentation de la pression ou de la température du puits. Cependant, cette détérioration de la gaine peut être suivie d'une autre détérioration provoquée par l'action des contraintes radiales qui sont en compression, notamment dans le cas o l'augmentation de la valeur de la pression dans le
puits persiste.
II. Le second type de détérioration est un risque de rupture en cisaillement de la gaine qui peut intervenir par suite du fluage ou de la compaction de la formation, ou d'une chute de pression de pore dans la formation qui peut résulter d'un état des contraintes
totales in-situ qui devient moins compressif.
D'une manière générale, tous ces phénomènes se traduisent notamment par une augmentation de la valeur de la pression, c'est-à-dire de la contrainte radiale au
niveau de l'interface gaine-roche.
On va examiner ci-après et en référence aux figures 10-13 établies à partir des données de l'étude, l'état des contraintes dans le ciment pour une augmentation de l'ordre de 6,90 MPa de la valeur de la pression au niveau de l'interface gaine-roche en considérant un puits de forage ayant les caractéristiques
géométriques précitées.
Sur les figures 10 et 11, on a représenté l'état des contraintes radiales (figure 10) et tangentielles (figure 11) dans la gaine en fonction de la distance de l'axe du puits, c'est-à-dire entre l'interface tubage-gaine et l'interface gaine-roche. L'examen de ces deux figures 10 et 11 montre: que les contraintes radiales et tangentielles sont en compression, et que le maximum de la valeur des contraintes tangentielles et le minimum de la valeur des contraintes
radiales se situent au niveau de l'interface tubage-
gaine, la gaine ayant la plus grande probabilité de se
rompre en cisaillement à cette interface.
On va examiner maintenant l'influence des propriétés élastiques de la gaine sur la valeur de la
résistance à la compression requise pour le ciment.
Sur la figure 12, on a représenté les variations de la valeur des contraintes radiales (courbe Cl) et tangentielles (courbe C2) dans la gaine en fonction de la valeur du module de Young du ciment, au
niveau de l'interface tubage-gaine.
L'examen de la figure 12 montre: - que la valeur des contraintes radiales diminue avec la valeur du module de Young du ciment, ces contraintes devenant de plus en plus compressives, - que la valeur des contraintes tangentielles augmente avec la valeur du module de Young du ciment et deviennent de moins en moins compressives, et - que, par conséquent, la gaine assure un support mécanique pour le tubage en diminuant la valeur
des contraintes qui s'exercent sur celui-ci.
Pour un puits ayant un diamètre plus élevé, c'est-à-dire si on augmente l'épaisseur de la gaine, les données montrent que cela n'a pas d'incidence notable sur la valeur des contraintes radiales qui s'exercent au
niveau de l'interface tubage-gaine.
Sur la figure 13, on a représenté les variations de la valeur de la résistance à la compression requise pour le ciment afin d'éviter une rupture en cisaillement, en fonction de la valeur du module de Young du ciment et pour une augmentation de l'ordre de 70 MPa de la valeur de la pression au niveau de l'interface gaine-roche. Le critère de rupture utilisé est de type Mohr-Coulomb, sachant que les ciments ont un angle de
friction interne de l'ordre de 30 .
A titre d'exemple, un ciment obtenu à partir du laitier ayant la composition donnée précédemment présente un module de Young d'une valeur de l'ordre de 7 800 MPa et une résistance à la compression d'une valeur de l'ordre de 35 MPa, ce qui est matérialisé par le point A su la figure 13. En ajoutant à ce laitier de ciment un additif tel que du latex type styrène-butadiène dans les proportions suivantes 2 gps (point B), 3 gps (point C) et 4 gps (point D), on rend le ciment plus flexible et on diminue les valeurs de son module de Young et de sa
résistance à la compression.
Ainsi, tous les ciments A, B, C et D auront une résistance à la compression qui est largement suffisante pour éviter une rupture en cisaillement de la
gaine dans les conditions précitées.
D'une manière générale, un ciment rigide résistera mieux à une contrainte en compression, mais un ciment ayant un rapport entre la valeur de sa résistance à la compression et la valeur de son module de Young soit
le plus élevé possible, donnera également satisfaction.
III. Le troisième type de détérioration est un risque de décollement de la gaine au niveau de son interface avec le tubage et/ou la roche.
Un tel décollement peut résulter: - d'une diminution de la pression à l'intérieur du puits lorsqu'on diminue la valeur de la densité de la boue de forage utilisée pour forer une nouvelle section du puits ou lorsque la pression de pore du réservoir augmente, ou - d'une diminution de la température dans le
puits ou de la pression au niveau de l'interface gaine-
roche lors de l'injection d'un fluide froid dans la formation lors d'une fracturation hydraulique, par
exemple.
D'une manière générale, les contraintes tangentielles deviennent compressives, alors que les contraintes radiales sont de plus en plus en extension et
peuvent provoquer un décollement de la gaine.
Une diminution de la pression dans le puits peut être assimilée à l'application d'une contrainte
radiale en extension au niveau de l'interface tubage-
gaine. Dans ces conditions, l'état des contraintes radiales et tangentielles est globalement similaire à celui représenté sur les figures 1 et 2 pour une augmentation de la pression dans le puits, mais avec un
signe inverse.
Autrement dit: - les contraintes radiales sont en extension
avec une valeur maximum au niveau de l'interface tubage-
gaine, ce qui peut entraîner un décollement de la gaine à ce niveau, et les contraintes radiales sont également en extension au niveau de l'interface gaine-roche, ce qui peut également entraîner un décollement de la gaine à ce niveau. Concrètement, un décollement de la gaine peut intervenir à l'une et/ou à l'autre des interfaces en
fonction du degré d'adhérence du ciment à ces interfaces.
On va examiner maintenant l'influence des propriétés élastiques de la gaine et de la roche sur la valeur de la résistance à la traction requise pour éviter un décollement de la gaine dans le cas d'une diminution
de la pression dans le puits.
Sur la figure 14, on a représenté les variations de la valeur de la résistance à la traction
requise pour le ciment au niveau de l'interface tubage-
ciment pour éviter un décollement de la gaine, en fonction de la valeur du module de Young du ciment et
pour différentes valeurs du module de Young de la roche.
On obtient ainsi les courbes CI à C5 qui correspondent aux valeurs 1 GPa, 5 GPa, 10 GPa, 20 GPa et 30 GPa du module de Young de la roche, respectivement, et pour une diminution de l'ordre de 6,9 MPa de la valeur de la
pression dans le puits.
L'examen de cette figure 14 montre, contrairement aux figures 3 et 4 concernant le cas d'une augmentation de la valeur de la pression dans le puits: - que la valeur de la résistance à la traction du ciment requise pour éviter un décollement de la gaine augmente avec la valeur du module de Young de la roche, car la présence d'une roche dure empêche la déformation de la gaine, et - que la valeur de la résistance à la traction du ciment requise pour éviter un décollement de la gaine augmente également avec la valeur du module de Young du ciment, mais que cette augmentation est moindre pour des
valeurs élevées du module de Young du ciment.
On pourrait en conclure qu'il est souhaitable d'avoir une gaine dont le ciment présente un module de Young de valeur élevée mais, en pratique, les contraintes en extension sont difficiles à évaluer aux deux interfaces de la gaine. En effet, l'adhérence du ciment peut notamment varier suivant la présence ou non d'un cake entre le ciment et la roche. Ce cake peut être un film de boue de forage qui s'est formé pendant l'opération de cimentation du puits au moment o l'on
évacue la boue de forage par l'annulaire.
Concrètement, l'étude a démontré que pour
éviter un décollement de la gaine aux interfaces, c'est-
à-dire l'apparition d'un micro-annulaire, la meilleure solution est de mettre le ciment sous compression lors de
sa mise en place autour du tubage.
Ainsi, le ciment va emmagasiner une certaine énergie élastique qu'il pourra restituer ensuite en s'expansant lors d'une contraction du tubage provoquée
par une diminution de la pression dans le puits.
Cependant, il peut se créer alors un micro-annulaire à l'une des interfaces si on ne prend pas la précaution de contrôler le degré de contraction du tubage et le degré
d'expansion du ciment.
Pour avoir un ciment en compression, on peut utiliser soit un ciment mousse, c'est-à-dire un ciment dans lequel on a injecté un gaz tel que de l'azote, soit un ciment qui présente une expansion lors de la prise
pour le mettre sous contrainte.
Sur la figure 15, on a représenté l'état des contraintes radiales dans le ciment en fonction de la distance de l'axe du puits, une fois que le ciment a subi une expansion de l'ordre de 0,5 % pour une valeur de son module de Young de l'ordre de 1 GPa et pour une valeur du
module de Young de la roche de l'ordre de 10 GPa.
L'examen de la figure 15 montre que les contraintes radiales sont en compression depuis l'interface tubage-gaine jusqu'à l'interface gaine-roche,
ce qui indique que le ciment est bien sous compression.
L'étude a également montré qu'une augmentation de la valeur du module de Young du ciment, augmente la valeur des contraintes radiales au niveau de l'interface tubage- gaine mais sans modifier sensiblement la valeur de ces
contraintes au niveau de l'interface gaine-roche.
Sur la figure 16, on a représenté l'état des contraintes radiales de la figure 15 après une diminution de la pression dans le puits d'une valeur de l'ordre de 6,90 MPa. L'examen de cette figure 16 montre que les
contraintes radiales sont toujours en compression, c'est-
à-dire que l'adhérence du ciment est maintenue aux deux interfaces. Autrement dit, avec un ciment sous compression, un examen comparatif entre les figures 14 et 16 montre que les contraintes radiales sont en
compression et non plus en extension.
Cependant, l'étude a également montré que dans le cas d'un puits de forme circulaire, une expansion du ciment peut conduire à un risque de décollement de la gaine au niveau de l'interface tubage-gaine, notamment si le ciment est plus rigide que la roche. Pour pallier ce risque de décollement et favoriser une expansion du ciment vers le tubage, il est souhaitable de choisir une valeur pour le module de Young du ciment qui soit inférieure à celle du module de Young de la roche. Il est aussi souhaitable de calculer la quantité d'expansion de la gaine de ciment en fonction de la variation du chargement. Une expansion trop limitée ne suffirait pas à éliminer le décollement de la gaine, alors qu'une expansion trop forte conduirait à l'endommagement de la gaine. Ainsi, l'étude a permis d'arriver à la conclusion qu'un risque de décollement de la gaine peut être évité: - si le rapport entre la valeur de la résistance à la traction de la gaine et la valeur de son module de Young, est le plus élevé possible, et/ou - si la valeur du module de Young du ciment est inférieure à celle du module de Young de la roche, et/ou - si le ciment présente une expansion lors de
la prise pour être mis en compression.
On retrouve globalement la même conclusion que celle à laquelle l'étude a abouti pour éviter un risque
de fissuration de la gaine.
D'une manière générale, l'étude a également démontré que les conditons pour pallier un risque de décollement de la gaine par suite d'une diminution de la pression dans le puits, étaient globalement les mêmes que dans le cas d'une augmentation de la pression dans le puits avec la condition supplémentaire d'avoir le ciment
en compression avec cette chute de pression.
Un risque de décollement de la gaine peut intervenir par suite d'une variation de la valeur des contraintes in-situ, notamment lors d'une augmentation de pression de pore dans le réservoir. Une augmentation de la valeur de ces contraintes peut atteindre une valeur de l'ordre de 30 MPa. Autrement dit, les contraintes in-situ deviennent plus compressives, mais les contraintes
effectives dans le ciment deviennent moins compressives.
La contrainte effective est la contrainte totale moins une fonction de la pression de pore. Cette contrainte effective est la contrainte qui contrôle la déformation
du matériau solide.
D'une manière générale, les données ont montré alors que les contraintes radiales et tangentielles sont en extension, mais que les contraintes radiales sont plus en extension que les contraintes tangentielles et que la valeur la plus élevée de ces contraintes radiales se
situe à l'interface tubage-gaine.
On se retrouve globalement dans des conditions semblables à celles correspondant à une diminution de pression dans le puits, c'est-à-dire avec un risque de décollement de la gaine qui est fonction de l'adhérence
du ciment sur le tubage et sur la roche.
Enfin, les données ont montré que l'influence de la pression de pore dans la formation sur l'état des contraintes dans la gaine sont globalement similaires à une augmentation de la pression, c'est- à-dire de la contrainte radiale à l'interface ciment-roche, si la pression de pore diminue, et sont globalement similaires
à une diminution de la pression à l'interface ciment-
roche si la pression de pore augmente.
L'étude précitée des principaux types de détérioration de la gaine cimentaire qui peuvent intervenir au cours de la durée de vie d'un puits, a permis de mettre au point un procédé qui peut être utilisé pour préparer un laitier de ciment susceptible d'éviter ces détériorations de la gaine pour un puits donné et, inversement, de déterminer si un laitier de ciment donné est susceptible d'éviter les détériorations
de la gaine pour un puits donné.
Ce procédé fait appel à des programmes informatiques qui prennent en compte les données concernant les caractéristiques du trou de forage et du tubage du puits, ainsi que les données sur les propriétés élastiques de la roche traversée par le puits, ces dernières données étant recueillies par un prélèvement d'échantillons, par exemple. Les programmes informatiques font ensuite une estimation des variations de pression et/ou de température dans le puits et/ou des variations des contraintes in-situ, qui seront susceptibles d'intervenir au cours de la durée du puits. D'une manière générale, les variations de pression et/ou de température dans le puits peuvent être calculées avec relativement de précision, alors que ce
n'est pas le cas pour les variations des contraintes in-
situ qui doivent être estimées sur la base de modèles mathématiques. Ensuite, les programmes informatiques déterminent l'état des contraintes dans la gaine résultant des variations précitées qui ont été calculées ou estimées, le risque de détérioration qui est susceptible d'intervenir en premier et l'influence des propriétés élastiques de la gaine, du tubage et/ou de la roche pour limiter ce risque de détérioration et choisir en conséquence les propriétés élastiques requises pour la
gaine et pour un puits donné.
Claims (7)
1. Procédé pour maintenir l'intégrité d'une gaine formant joint d'étanchéité, en particulier d'une gaine cimentaire, située autour du tubage métallique d'un puits de pétrole, de gaz, d'eau, géothermique et analogue foré dans une roche, cette gaine étant amenée à subir des contraintes mécaniques et/ou thermiques au cours de la vie du puits qui sont de nature à provoquer un risque de fissuration de la gaine par une rupture en traction ou en cisaillement, ou de décollement de la gaine au niveau des interfaces tubage-gaine et/ou gaine-roche, par exemple, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste: - à calculer ou faire une estimation des variations de pression et/ou de température dans le puits et/ou des variations des contraintes in-situ, qui seront susceptibles d'intervenir au cours de la vie du puits, - à faire une évaluation, pour une gaine donnée, des différentes contraintes qui seront appliquées à cette gaine en fonction notamment des variations précitées et en prenant en compte les caractéristiques géométriques du puits et du tubage, ainsi que les propriétés mécaniques de la roche, - à déterminer à partir de l'évaluation précitée des différentes contraintes, la nature de la contrainte qui sera susceptible de provoquer en premier lieu une détérioration de la gaine, - à évaluer l'influence des propriétés mécaniques et/ou physiques de la gaine, de la roche et/ou du tubage sur la contrainte précitée, - à choisir une gaine dont les propriétés mécaniques et/ou physiques sont susceptibles d'atténuer les effets de la contrainte précitée, - et à mettre en place la gaine ainsi choisie
autour du tubage du puits.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à prendre en compte les propriétés élastiques de la gaine, et à choisir une gaine dont le rapport entre la valeur de sa résistance à la traction et la valeur de son module de Young, est le plus
élevé possible.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à prendre également en compte les propriétés élastiques de la roche, et à choisir une gaine dont la valeur de son module de Young
est inférieure à celle du module de Young de la roche.
4. Procédé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il
consiste à mettre la gaine sous compression lors de sa
mise en place autour du tubage du puits.
5. Procédé selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à
calculer l'expansion de la gaine qui est nécessaire pour
éviter un décollement de la gaine aux interfaces gaine-
roche et/ou gaine-tubage.
6. Procédé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il
consiste également à augmenter l'épaisseur du tubage du puits pour limiter sa déformation dans le cas d'une
augmentation de la pression dans le puits.
7. Procédé selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il
consiste, lors d'une injection de vapeur de fluide dans une formation traversée par le puits pour stimuler la production, à contrôler l'augmentation de la température dans le puits pour atténuer les effets de la température
sur la gaine.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |