FR2796935A1 - Coulis de cimentation des puits petroliers ou analogues a basse densite et basse porosite - Google Patents

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Abstract

L'invention a pour objet des coulis pour la cimentation d'un puits pétrolier ou analogues d'une densité comprise entre 0, 9 g/ cm3 et 1, 3g/ cm3, constitué d'une fraction solide et d'une fraction liquide, ayant une porosité (rapport volumique des fractions liquide sur solide) comprise entre 38% et 50%. De tels ciments présentent des propriétés mécaniques remarquables dues à leur très faible porosité malgré une très faible densité.

Description

Coulis de cimentation des puits pétroliers ou analogues à basse densité et basse porosité La présente invention est relative aux techniques de forage de puits pétroliers, à gaz, à eau, géothermiques et analogues. Plus précisément, l'invention a pour objet des coulis de cimentation à basses densités et basses porosités.
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 sùr pour but principal d'assurer la consolidation du forage et la protection du tubage.
Au moment de sa préparation puis de son injection dans le puits et son placement dans la zone à cimenter, le coulis de cimentation doit présenter une viscosité relativement faible et des propriétés rhéologiques pratiquement constantes. Par contre dès que le placement est achevé, le ciment idéal devrait développer rapidement une résistance à la compression élevée de façon à permettre la reprise rapide d'autres interventions sur le puits en cours de construction, et notamment la poursuite du forage.
La densité du ciment doit être ajustée de façon à ce que la pression au fond du puits compense au moins la pression de pore des formations géologiques traversées pour éviter tout risque d'éruption. A côté de cette limitation inférieure, il existe également une limite supérieure à la densité. Cette limite est telle que la pression hydrostatique générée par la colonne de ciment plus les pertes de charge dues à la circulation des fluides au cours du pompage soit inférieure à la pression de fracturation des roches dans la section cimentée. Certaines formations géologiques sont très fragiles et nécessitent des densités voisines de celle de l'eau ou même inférieure.
Le risque d'éruption diminue avec la hauteur de la colonne de sorte que la densité nécessaire pour compenser la pression de pores est alors faible. Par ailleurs, cimenter sur une grande hauteur de colonne est avantageux car cela permet de réduire le nombre de sections cimentées. En effet, après avoir cimenté une section, le forage doit reprendre avec un diamètre plus petit de sorte qu'un nombre élevé de sections impose de forer un large trou près de la surface, d'où des surcoûts dus au grand volume de roche à forer et au grand poids d'acier des sections de cuvelage par suite de leurs grands diamètres.
Tous ces facteurs plaident en faveur de coulis de ciments de très basse densité.
Les coulis de ciments les plus usités ont des densités de l'ordre de 1900kg/m3 soit près de deux fois la densité souhaitée pour certains gisements. Pour les alléger, le moyen le plus simple est d'augmenter la quantité d'eau, tout en en ajoutant aux coulis des additifs stabilisants (appelés "extenders") qui visent à éviter la sédimentation des particules et/ou la formation d'eau libre à la surface des coulis. A l'évidence cette technique ne permet pas de d'atteindre une densité voisine de 1000kg/m3. Par ailleurs, les ciments pris formés à partir de tels coulis présentent une résistance à la compression très réduite, une grande perméabilité et une faible capacité d'adhésion. Pour ces raisons, on ne peut pas descendre avec cette technique en dessous de densités de l'ordre de 1300 kg/m3 tout en conservant un bon isolement entre les couches géologiques, ainsi qu'un renforcement suffisant du cuvelage.
Un autre moyen consiste à alléger le coulis de ciment en y introduisant un gaz (en général de l'air ou de l'azote) avant sa prise. La quantité d'air ou d'azote ajoutée est telle que l'on atteigne la densité requise. Elle peut être telle que l'on forme des mousses de ciment. Cette technique est un peu plus performante que la précédente, car la densité du gaz est plus faible que celle de l'eau et l'on a donc moins à en rajouter. Cependant, la densité reste pratiquement limitée à des densités supérieures à 1100 kg/m3 dans les applications pétrolières, même en partant de coulis préalablement allégés à l'eau. En effet, au dessus d'une certaine "qualité de mousse", c'est à dire d'un certain rapport du volume de gaz au volume de laitier moussé, la stabilité de la mousse se dégrade très rapidement, la résistance à la compression de la mousse prise devient trop basse et la perméabilité trop élevée, ce qui compromet la durabilité en milieu aqueux chaud incluant des ions plus ou moins agressifs pour le ciment.
La présente invention a pour but des coulis de cimentation plus particulièrement adaptés pour la cimentation de puits pétroliers ou analogues, ayant à la fois une basse densité et une faible porosité, et obtenus sans introduction de gaz.
Ce but est atteint selon l'invention par un coulis de ciment adapté à la cimentation d'un puits pétrolier ou analogue et ayant une densité comprise entre 0,9 g/em3 et 1,3g/em3, notamment comprise entre 0,9 et 1,1 g/cm3 constitué d'une fraction solide et d'une fraction liquide, ayant une porosité (rapport volumique des fractions liquide sur solide) comprise entre 38% et 50% et de préférence inférieure à 45%.
La fraction solide est de préférence constituée par un mélange comportant de: 60 à 90% (en volume) de particules légères dont la taille moyenne est comprise entre 20pm et 350pm; 10 à 30% (en volume) de micro-ciment dont le diamètre moyen des particules est compris entre 0,5 et 5pm; 0 à 20% (en volume) de ciment Portland, pour dont le diamètre moyen des particules est compris entre 20 et 50pm et 0 à 30% (en volume) de gypse.
Les faibles porosités atteintes permettent d'optimiser les propriétés mécaniques et la perméabilité. Présentant des. propriétés mécaniques bien supérieures à celles des systèmes allégés traditionnels, et des perméabilités plus faibles, les propriétés d'imperméabilité et d'adhésion des ciments ultra-légers et de résistance aux attaques chimiques de ces formulations sont donc bien meilleures que celle des systèmes actuellement utilisés pour des faibles densités, alors même que l'invention permet d'atteindre des densités exceptionnellement basses et en particulier inférieures à la densité de l'eau. De plus, les coulis selon l'invention ne nécessitent pas de gaz, ce qui permet d'éviter toute la logistique nécessaire a la fabrication de ciments moussés.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on incorpore au laitier de ciment des additifs particulaires dont la combinaison, entre eux et les autres composants particulaires du laitier, notamment avec les particules de micro-ciment (ou un liant hydraulique comparable), va créer une répartition granulométrique qui va modifier sensiblement les propriétés du laitier. Lesdits additifs particulaires seront organiques ou minéraux et seront choisis pour leur faible densité.
La faible densité est obtenue grâce à la combinaison de particules légères et de ciment (ou un liant hydraulique comparable). Les propriétés de rhéologie et mécaniques ne peuvent cependant être acceptables que si la taille et la distribution en volume de ces particules est choisie de manière à maximiser la compacité du mélange solide.
Dans le cas d'un mélange solide à deux constituants (les particules légères et le micro-ciment), cette compacité maximale sera obtenue en général avec un rapport volumique particules légères: micro-ciment compris entre 70:30 et 85:l5 et de préférence compris entre 75:25 et 80:20, en choisissant pour les particules légères des particules dont la taille est d'au moins environ 100 fois celle des particules de micro-ciment, soit en général des particules de plus de 100pm. Ces valeurs peuvent varier notamment en fonction de la plus ou moins grande dispersion de la distribution granulométrique des particules légères. Des particules de taille moyenne supérieure à 20 microns peuvent également être utilisées mais avec des performances inférieures. Des particules de plus de 350 microns ne sont généralement pas utilisées en raison de l'étroitesse des annulaires à cimenter.
Les mélanges comportant 3 constituants ou plus sont préférés car ils permettent d'obtenir une plus grande compacité si les tailles moyennes des différents constituants sont significativement différentes. On pourra par exemple utiliser un mélange de particules légères de taille moyenne 150 microns, de particules légères de taille moyenne 30 microns et de micro-ciment, dans un rapport volumique compris voisin de 55:35:10 ou en s'écartant un peu de ces proportions optimales, un mélange constitué (en volume) pour 50 à 60% de premières particules légères dont le diamètre moyen est compris entre 100 et 400pm, 30-45% de secondes particules légères dont le diamètre moyen est compris entre 20 et 40pm et 5-20% de micro-ciment. Selon les applications, une fraction des particules légères de taille intermédiaire pourra être remplacée par du ciment Portland de taille ordinaire, notamment du ciment Portland Classe G.
Le terme micro-ciment désigne selon l'invention tout liant hydraulique formé de particules dont la taille moyenne est d'environ 3pm et ne comportant pas, ou de moins pas en nombre significatif de particules dont la taille excède l0pm. Leur surface spécifique par unité de poids, déterntinée par le test de perméabilité à l'air est généralement de l'ordre de 0,8 mz/g.
Ce micro-ciment peut être essentiellement constitué de ciment Portland, notamment un ciment Portland Classe G comportent typiquement environ 65% de chaux, 22% de silice, 4% d'alumine, 4% d'oxydes de fer et moins de 1% d'oxyde de manganèse ou également d'un mélange de micro-ciment Portland et de micro-slag, c'est à dire d'un mélange faisant essentiellement appel à des composés formés à partir de scories qui comportent 45% de chaux, 30% de silice, 10% d'alumine, 1% d'oxydes de fer et 5-6% d'oxyde de manganèse (seuls les oxydes principaux sont ici mentionnés; ces teneurs pouvant bien sflr légèrement variées en fonction du fournisseur). Pour les applications a très basses températures ( < 30 C), on préférera le micro-ciment Portland au mélange micro-ciment/slag pour sa réactivité. Si une prise a angle droit est requise, du plâtre (gypse) pourra être utilisé comme tout ou partie des particules moyennes. Les particules légères ont typiquement une densité inférieure à 2 g/cm3 et en général inférieure à 0,8 g/cm3. On pourra utiliser par exemple des micro-sphères creuses notamment des silico- aluminate ou cénosphères, résidu obtenu lors de la combustion de charbon, dont le diamètre moyen est de l'ordre de 150 pm. On pourra également utiliser des matériaux synthétiques tels que des billes de verre creuses, et plus particulièrement préférées les billes en verre sodocalcique-borosilicate présentant une résistance à la compression élevée ou encore des micro-sphères en céramique, par exemple du type silice-alumine. Ces particules légères peuvent être également des particules en matière plastique telles que des billes de polypropylène.
De façon générale, la densité du laitier est ajustée essentiellement en fonction du choix des particules légères mais on pourra également faire varier le rapport eau sur solide (en le maintenant entre 38% et 50% volume), la quantité de micro-ciment ou du liant hydraulique comparable (entre 10 et 30%) et l'ajout de ciment Portland de taille ordinaire en substitution d'une partie des particules légères.
Il va de soi que le coulis peut également comporter un ou plusieurs additifs du type dispersants, antigel, rétenteurs d'eau, accélérateurs ou retardateurs de prise du ciment, stabilisateurs de mousse qui seront le plus souvent ajoutés à la phase liquide ou le cas échéant, incorporés à la phase solide.
Les formulations réalisées selon l'invention présentent des propriétés mécaniques significativement supérieures aux ciments moussés de même densité. Les résistances a la compression sont très élevées et les porosités très basses. Il s'en suit que les perméabilités sont plus faibles de plusieurs ordres de grandeur par rapport a des ciment moussés de même densité ce qui confère a ces systèmes des propriétés de durabilité remarquables.
La méthode dont fait l'objet l'invention simplifie considérablement la mise en oeuvre de la cimentation car elle évite toute la logistique nécessaire au moussage.
Les laitiers préparés selon l'invention offrent de plus l'intérêt de déterminer a l'avance toutes les caractéristiques du laitier (rhéologie, temps de prise, résistance a la compression. . . .), sur le laitier tel qu'il sera placé dans le puits, contrairement aux laitiers moussés ou certains paramètres ne peuvent être mesurés que sur le laitier avant introduction de gaz ( temps de prise). Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée.
EXEMPLE <U>1</U> '" Des coulis de basses densités et basses porosités peuvent être obtenus a partir de mélanges de 2 ou 3 (ou plus) particules de tailles différentes tant que le PVF est optimisé.
Les propriétés de trois coulis préparés selon l'invention sont présentés et comparées avec celles d'un coulis étendu basse densité conventionnel et d'un systeme moussé: <B>.C</B>oulis _A : Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 55% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne 150 microns (densité 0,75) ; 35% volume de micro- sphères de verres de taille moyenne de 30 microns et 10% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns.
Les micro-sphères utilisées sont commercialisées par la société 3" sous la dénomination Scotchlite S60/10,000; ces micro-sphères ont une densité de 0,6 g/cm3 et une distribution granulométrique telle que 10% des particules (en volume) ont une taille inférieure à 15pm, 50% à 30pm et 90% à 70pm; ces particules ont été plus particulièrement sélectionnées en raison de leur grande résistance à la compression (90% des particules supportent une compression isostatique de 68,9MPa ou 10000 psi).
De l'eau et des additifs (rétenteur d'eau à base de polymère d'acide 2-acrylamido 2- méthylpropane sulfonique ou AMPS à raison de 0,2% (pourcentage par poids de poudres, c'est à dire de l'ensemble des particules solides (micro-ciment, micro-sphères et cénosphères pour ce coulis A) un anti-mousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalène sulfonate à raison de 0,07 gallons par sac de poudres de poudres sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%.A noter qu'un sac de poudres est défini par analogie avec les sacs de ciments comme un sac de 45,359 kg de mélange, autrement dit, lgps= 0,08341 d'additif par kg de mélange).
.Coulis-.B. : Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 78% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne 150 microns et d'une densité de 0,63g/cm3, et 22% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns. De l'eau et des additifs (rétenteur d'eau à base de polymère AMPS raison de 0,2% par poids de poudres, un anti-mousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalène sulfonate à raison de 0,1 gallons par sac de poudres de poudres sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%.
ëoulis_C : Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 78% volume de micro-sphères de verres Scotchlite de taille moyenne de 30 microns, et 22% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns.
De l'eau et des additifs (rétenteur d'eau à base de polymère AMPS à raison de 0,2% par poids de poudres , un anti-mousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalène sulfonate = à raison de 0,145 gallons par sac de poudres de poudres) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 45%.
Coulis-D: Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 78,4% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne 150 microns (densité de 0,72 g/cc) et 21,6% volume de ciment portland classe G.
De l'eau et des additifs (un anti-mousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres de poudres) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 57%.
Coulis_ E : Un coulis conventionnel de densité 1900 kg/m3 est préparé a base d'un ciment Portland classe G, Ce coulis est moussé avec une qualité de mousse de 50% de maniere a obtenir un coulis de densité finale de 950 kg/m3.
Figure img00080001
Coulis <SEP> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D <SEP> E
<tb> Densité <SEP> <B>924(7,7)</B> <SEP> 1068 <SEP> (8,9) <SEP> 1056 <SEP> (8,8) <SEP> 1130 <SEP> (9,4) <SEP> <B><U>950(7,9)</U></B>
<tb> Porosité <SEP> 42% <SEP> 42% <SEP> 45% <SEP> 57% <SEP> 78%*
<tb> PV <SEP> 87 <SEP> 68 <SEP> 65
<tb> Ty <SEP> <B>3,7(7,7) <SEP> <U>8,6(18)</U></B><U> <SEP> 3,4(7,2)</U>
<tb> <U>CS <SEP> 11,7 <SEP> (1700) <SEP> 19,3 <SEP> (</U>2800) <SEP> 14,5 <SEP> (2100) <SEP> 2,48 <SEP> (360) <SEP> 4,62 <SEP> (670) Les densités sont exprimées en kg/m3 et en livres par gallon entre parenthèses. La rhéologie est exprimée par le seuil d'écoulement Ty en Pascal et en livres par 100 pieds carrés entre parenthèses et par la viscosité plastique PV en mPa.s ou centiPoises, selon le modèle de fluides de Bingham. Ces paramètres ont été déterminés à température ambiante. CS signifie résistance à la compression à 24 heures du ciment pris à 60 C (140 F) sous 6,9 MPa (1000 psi), exprimée en MPa et livres par pieds carré entre parenthèses.
* La porosité est calculée dans ce cas comme le volume du gaz + eau sur le volume total du coulis.
On voit que pour les coulis préparés selon l'invention, la résistance à la compression est particulièrement élevée pour de si faibles densités et que ces laitiers présentent une rhéologie excellente malgré leur faible porosité.
<U>EXEMPLE 2</U> Pour les coulis de densité supérieure à 8ppg, une partie des particules légères peut être substituée par du ciment de classe G.
Coulis-A.: Un mélange de poudres est préparé. 11 comporte 55% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne 150 microns, 35% volume de micro-sphères de verres Scotchlite de taille moyenne de 30 microns, et 10% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns.
De l'eau et des additifs (rétenteur d'eau à base de polymère AMPS â raison de 0,2% par poids de poudres , un anti-mousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalène sulfonate à raison de 0,07 gallons par sac de poudres) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%. Coulis_B : Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 55% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne 150 microns, 25% volume de micro-sphères de verres Scotchlite de taille moyenne de 30 microns, 10% volume d'un ciment Portland classe G et 10% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns.
De l'eau et des additifs (rétenteur d'eau à base de polymère d'AMPS à raison de 0,2% par poids de poudres, un anti-mousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalènesulfonate à raison de 0,1 gallons par sac de poudres) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%.
<B>Coulis. C</B> : Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 55% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne 150 microns, 20% volume de micro-sphères de verres Scotchlite de taille moyenne de 30 microns, 15% volume d'un ciment Portland classe G et 10% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns.
De l'eau et des additifs (rétenteur d'eau à base de polymère d'AMPS à raison de 0,2% par poids de poudres , un anti-mousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalènesulfonate à raison de 0,1 gallons par sac de poudres) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%.
Coulis_D : Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 55% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne 150 microns, 15% volume de micro-sphères de verres Scotchlite de taille moyenne de 30 microns, 20% volume d'un ciment Portland classe G et 10% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns.
De l'eau et des additifs (rétenteur d'eau à base de polymère d'AMPS à raison de 0,2% par poids de poudres , un anti-mousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalènesulfonate à raison de 0,1 gallons par) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%.
Les densités sont exprimées en kg/m3 et en livres par gallon entre parenthèses. La rhéologie est exprimée par le seuil d'écoulement Ty en Pascal et en livres par 100 pieds carrés entre parenthèses et par la viscosité plastique PV en mPa.s ou centiPoises, selon le modèle de fluides de Bingham. Ces paramètres ont été déterminés à température ambiante. CS signifie résistance à la compression à 24 et 48 heures du ciment pris à 60 C sous 6,9 MPa (1000 psi), exprimée en MPa et livres par pieds carré entre parenthèses.
Figure img00100003
Coulis <SEP> A <SEP> B <SEP> C <SEP> D
<tb> Densité <SEP> <B><U>924(7,7)</U></B> <SEP> 1068 <SEP> (8,9) <SEP> 1140 <SEP> (9,5) <SEP> 1218 <SEP> (10,15)
<tb> Porosité <SEP> 42% <SEP> 42% <SEP> 42% <SEP> 42%
<tb> PV <SEP> 87 <SEP> 90 <SEP> 100 <SEP> 109
<tb> Ty <SEP> 7,7 <SEP> 8,8 <SEP> 9,0 <SEP> 11,2
<tb> CS <SEP> (24h) <SEP> 7,58 <SEP> (1100) <SEP> 18,3 <SEP> (2650) <SEP> 19,7 <SEP> (2850) <SEP> 20,7 <SEP> (3000)
<tb> <U>CS <SEP> (48h) <SEP> <B>9,0(1300)</B> <SEP> 19,0 <SEP> (2750) <SEP> 29,7 <SEP> (4300) <SEP> 28,3 <SEP> (4100)</U> L'ajout de ciment Portland comme partie des particules `moyennes' permet de couvrir toute la gamme de densité entre 8 et l lppg et améliore significativement la résistance à la compression. Cet ajout ne perturbe en rien les bonnes propriétés rhéologiques.
<U>EXEMPLE 3</U> Pour les coulis de densité supérieure à 8ppg, une partie des particules légères peut être substituée par du micro-ciment ou par un mélange micro-ciment/slag.
Coulis-. : Un mélange de poudres est préparé. II comporte 55% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne<B>150</B> microns, 30% volume de micro-sphères de verres Scotchlite de taille moyenne de 30 microns et 15% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns.
De l'eau et des additifs (rétenteur d'eau à base de polymère d'AMPS à raison de 0,2% par poids de poudres , un antimousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalènesulfonate â raison de 0,07 gallons par sac de poudres) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%.
Coulis_B : Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 55% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne 150 microns, 25% volume de micro-sphères de verres Scotchlite de taille moyenne de 30 microns et 20% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns. De l'eau et des additifs (rétenteur d'eau à base de polymère d'AMPS à raison de 0,2% par poids de poudres , un antimousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalènesulfonate à raison de 0,07 gallons par sac de poudres) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%.
Figure img00110006
Coulis <SEP> A <SEP> B
<tb> Densité <SEP> <B>990(8,25)</B> <SEP> 1056 <SEP> (8,8)
<tb> Porosité <SEP> 42% <SEP> 42%
<tb> CS <SEP> (24h) <SEP> 11,2 <SEP> (1630) <SEP> 21,4 <SEP> (3100)
<tb> <U>CS <SEP> (48h) <SEP> 11,7 <SEP> (1700)</U> <SEP> 22,1 <SEP> (3200) Les densités sont exprimées en kg/m3 et en livres par gallon entre parenthèses. CS signifie résistance à la compression à 24 et 48 heures du ciment pris à 60 C sous 6,9 MPa (1000 psi), exprimée en MPa et livres par pieds carré entre parenthèses.
L'augmentation du taux de micro-cimentlslag se traduit par des performances exceptionnelles en résistance à la compression des 9ppg.
<U>EXEMPLE 4</U> Suivant les propriétés mécaniques recherchées (flexibilité, résistance aux hautes pressions), diverses particules légères peuvent être utilisées tant que le PVF est optimisé.
Coulis-A.: Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 55% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne 150 microns, 30% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne de 45 microns et 15% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns.
De l'eau et des additifs (rétenteur d'eau à base de polymère AMPS à raison de 0,2% par poids de poudres, un anti-mousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalène sulfonate à raison de 0,07 gallons par sac de poudres) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%. Coulis--B.: Un mélange de poudres est préparé. II comporte 55% volume de particules de polypropylène de taille moyenne de 300 microns, 30% volume de micro-sphères de verres Scotchlite de taille moyenne de 30 microns et 15% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns.
De l'eau et des additifs (retardateur à base de lignosulfonates purifiés â raison de 0,22% par poids de poudres, rétenteur d'eau à base de polymère AMPS à raison de 0,2% par poids de poudres et un super plastifiant à base de polynaphtalène sulfonate à raison de 0,05 gallons par sac de poudres) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%.
Figure img00120014
Coulis <SEP> A <SEP> B
<tb> Densité <SEP> <B><U>990(8,25)</U></B> <SEP> 1068 <SEP> (8,9)
<tb> Porosité <SEP> 42% <SEP> 42%
<tb> PV <SEP> 93 <SEP> 116
<tb> Ty <SEP> 20 <SEP> 9,3
<tb> CS <SEP> (24h) <SEP> 18,3 <SEP> (2640) <SEP> <B><U>10,3</U></B> <SEP> (1500)*
<tb> CS <SEP> (48h) <SEP> 18,7 <SEP> (2700) <SEP> 22,1 <SEP> (3200)* Les densités sont exprimées en kg/m3 et en livres par gallon entre parenthèses. La rhéologie est exprimée par le seuil d'écoulement Ty en Pascal et en livres par 100 pieds carrés entre parenthèses et par la viscosité plastique PV en mPa.s ou centiPoises, selon le modèle de fluides de Bingham. Ces paramètres ont été déterminés à température ambiante. CS signifie résistance à la compression à 24 et 48 heures du ciment pris à 60 C sous 6,9 MPa (1000 psi), exprimée en MPa et livres par pieds carré entre parenthèses.
* Résistance à la compression à 24 heures du ciment pris à 104 C (220 F) sous 20,7 MPa (3000 psi)" exprimée en MPa et PSI entre parenthèses. <U>EXEMPLES</U> Pour les applications basse température, le mélange micro-ciment/slag peut être substitué par du pure micro-ciment Portland ou un ajout de plâtre peut être effectué en substitution des particules de taille moyenne.
Nous avons comparé une formulation selon l'invention à une formulation au plâtre moussée. Coulis.A : Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 42,7% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne 150 microns, 20% volume de sphères creuses issues de cénosphères de taille moyenne de 45 microns, 27,3% volume de gypse et 10% volume d'un mélange micro-ciment Portland/Slag de taille moyenne d'environ 3 microns.
De l'eau et des additifs (retardateur à base de lignosulfonates purifiés à raison de 0,05 gallons par sac de poudres, un rétenteur d'eau conforme à l'exemple à raison de 0,4 gallons par sac de poudres et un anti-mousse à raison de 0,03 gallons par sac de poudres) sont mélangés à cette poudre de façon à ce que le pour-cent volume de liquide dans le coulis soit de 42%.
Coulis_B (référence) : Ce coulis correspond à la technologie actuelle. Un mélange de poudres est préparé. Il comporte 40% volume de ciment classe G et 60% volume de plâtre. De l'eau et des additifs sont mélangés à cette poudre de façon à ce que la densité du laitier soit de 1900 Kg/m3 (15,8 ppg).
Pour mousser ce coulis, on rajoute des tensioactifs très classiques : D139 et F052.1 dans les proportions 1 :1. La quantité dépend de la qualité de mousse. Cette dernière est ajustée de manière à obtenir un coulis d'une densité de<B>1320</B> kg/m3 (11 livres par gallon).
Figure img00140001
Densités <SEP> 1320 <SEP> (11) <SEP> 1218 <SEP> (10,15)
<tb> Coulis <SEP> A <SEP> Q <SEP> 0
<tb> (selon <SEP> PV <SEP> 112
<tb> invention) <SEP> T
<tb> y <SEP> 6,7
<tb> CS <SEP> (à <SEP> 12 <SEP> heures <SEP> du <SEP> ciment <SEP> 2,41 <SEP> (350)
<tb> pris <SEP> à <SEP> 4 C <SEP> sous <SEP> 6,9 <SEP> MPa
<tb> CS <SEP> (à <SEP> 48 <SEP> heures <SEP> du <SEP> ciment <SEP> 14,8 <SEP> (2150)
<tb> pris <SEP> à <SEP> 25 C <SEP> sous <SEP> 6,9 <SEP> MPa
<tb> Coulis <SEP> B <SEP> Q <SEP> 30%
<tb> (référence) <SEP> CS <SEP> (à <SEP> 24 <SEP> heures <SEP> du <SEP> ciment <SEP> 2,96 <SEP> (430)
<tb> pris <SEP> à <SEP> 18 C <SEP> sous <SEP> pression
<tb> atmosphérique)
<tb> CS <SEP> (à <SEP> 48 <SEP> heures <SEP> du <SEP> ciment <SEP> 4,55 <SEP> (660)
<tb> pris <SEP> à <SEP> 18 C <SEP> sous <SEP> pression
<tb> atmosphérique) Les densités sont exprimées en kg/m3 et en livres par gallon entre parenthèses..
Les densités sont exprimées en kg/m3 et en livres par gallon entre parenthèses. La rhéologie est exprimée parle seuil d'écoulement Ty en Pascal et en livres par 100 pieds carrés entre parenthèses et par la viscosité plastique PV en mPa.s ou centiPoises, selon le modèle de fluides de Bingham. Ces paramètres ont été déterminés à température ambiante. CS signifie résistance

Claims (9)

Revendications
1. Coulis de ciment pour la cimentation d'un puits pétrolier ou analogues d'une densité comprise entre 0,9 g/cm3 et 1,3g/cm3, constitué d'une fraction solide et d'une fraction liquide, ayant une porosité (rapport volumique des fractions liquide sur solide) comprise entre 38% et 50%.
2. Coulis de ciment selon la revendication 1, caractérisé constituée par une porosité inférieure à 45%.
3. Coulis de ciment selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fraction solide est constituée par - 60 à 90% (en volume) de particules légères dont la taille moyenne est comprise entre 20pm et 350pm; - 10 à 30% (en volume) de micro-ciment dont le diamètre moyen des particules est compris entre 0,5 et 5; - 0 à 20% (en volume) de ciment Portland, pour dont le diamètre moyen des particules est compris entre 20 et 50pm; - 0 à 30% (en volume) de gypse.
4. Coulis de ciment selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites particules légères ont une densité inférieure à 2 g/cm3 et de préférence inférieure à 0,8 g/cm3.
5. Coulis de ciment selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites particules légères sont choisies parmi des micro-sphères creuses notamment des silico-aluminate ou cénosphères, des matériaux synthétiques tels que des billes de verre creuses, et plus particulièrement préférées les billes en verre sodocalcique-borosilicate, des micro-sphères en céramique, par exemple du type silice-alumine ou des billes en matière plastique telles que des billes de polypropylène
6. Coulis de ciment selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coulis comporte un ou plusieurs additifs du type dispersants, antigel, rétenteurs d'eau, accélérateurs ou retardateurs de prise du ciment, stabilisateurs de mousse.
7. Coulis de ciment selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fraction solide du coulis est constituée de particules légères dont le diamètre est compris entre 100 et 350pm et de particules micro-ciment, dans un rapport particules légèresmicro-ciment compris entre pour 70:30 et 85:15..
8. Coulis<B>de</B> ciment selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qttë la fraction solide des mélange est constituée (en volume) pour 50 à 60% de premières particules légères dont le diamètre moyen est compris entre<B>100</B> et 400pm, 30-45% de secondes particulm légères dont le diamètre moyen est compris entre 20 et 40pm et 5-20% de micro-cénent.
9. Application du coulis selon une quelconque des revendications précédentes à la cimentation de puits pétroliers, à gaz ou analogues.
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