un Lundi par mois à 18 h30

Lundi 24 Janvier 2005

Cimentation 10km sous la terre – les défis des puits pétroliers

par Bernard Montaron
Dominique Guillot

Société Schlumberger

Introduction – la cimentation d’un puits

Lors du forage d’un puits de pétrole, le puits va traverser plusieurs couches de roche. Ces roches peuvent avoir des propriétés différentes et peuvent contenir des fluides différents, par exemple de l’eau douce, de l’eau saline ou des hydrocarbures sous forme liquide or gazeuse. Il est essentiel que pendant toute l’étape du forage les parois du puits soient soutenues et les zones qui contiennent des fluides soient bien isolées les unes des autres. Pour éviter que les parois du puits ne s’effondrent et pour isoler les zones perméables, le puits doit être cuvelé. Ceci signifie la pose d’un tube d’acier robuste dans le puits suivi par sa cimentation. Le ciment est d’abord pompé vers le bas à l’intérieur du cuvelage et ensuite il passe dans l’espace annulaire entre le cuvelage et le trou ouvert. Cette procédure est répétée plusieurs fois pendant la construction du puits et à chaque fois le diamètre du trou et du cuvelage diminue. (Figure 1).

Figure 1 Les cuvelages utilis�s pendant la cimentation d�un puits.

Dans les cas extrêmes un ciment peut être placé jusqu’à 10 km de la surface au moyen d’un tubage de diamètre inférieur à 20 cm avec un espace annulaire entre le tubage et la roche d’environ 2cm. Tout cela à une température qui peut atteindre 200°C. Ceci nécessite un contrôle parfait du coulis du ciment, en particulier de la rhéologie et du temps de prise, ainsi qu’un contrôle des propriétés du ciment pris pour assurer que le puits fonctionnera correctement pendant sa vie.

Placement du ciment

Il y a deux propri�t�s cl�s du ciment qui doivent �tre contr�l�es pour la bonne mise en place du ciment. La rh�ologie du laitier est contr�l�e avec des additifs appel�s �dispersants� qui modifient les interactions entre les grains de ciment et les autres additifs solides. Si la viscosit� est trop �lev�e soit-on ne peux pas pomper le ciment soit la pression de pompage va fracturer la roche. Si la viscosit� est trop basse le d�placement de la boue de forage ne sera pas parfait et entra�nera peut �tre la s�paration des solides dans le coulis du ciment. Le temps que le ciment reste liquide (le temps de prise) est aussi critique. On doit �tre capable de placer le ciment dans le puits avant que le ciment prenne, mais on ne doit pas attendre longtemps pour la prise non plus. Ce probl�me est particuli�rement difficile � r�soudre � haute temp�rature et il faut utiliser des additifs (retardateur) avec une chimie qui r�agisse avec les diff�rentes phases du ciment.

Contr�le de densit�

Pendant le placement d�un ciment, il y aura une pression hydrostatique exerc�e sur les parois du puits qui sera fonction de la profondeur et de la densit� du ciment. Cette pression doit �tre sup�rieure � la pression dans les zones perm�ables, pour �viter l�entr�e de fluides dans le puits. Cependant, si la pression est trop importante les parois du puits seront fractur�es et le ciment va partir dans la roche plut�t que remplir l�espace annulaire. Il y a plusieurs m�thodes pour diminuer la densit� d�un coulis de ciment, par exemple on peut ajouter plus d�eau mais cela entra�nera une d�gradation des propri�t�s du ciment pris. Pour r�soudre ce probl�me, Schlumberger a d�velopp� le concept d�optimisation de la taille des particules (Figure 2). Ceci permet d�ajouter beaucoup plus de solides tout en gardant les bonnes propri�t�s du coulis de ciment. Ces solides seront du ciment m�lang� avec des autres solides. En utilisant des solides comme l�oxyde de fer on peut augmenter la densit� du coulis et avec des solides comme les billes de verre creuses, on peut diminuer la densit� du coulis. En effet on peut g�n�rer un ciment solide avec une densit� inf�rieure � celle de l�eau (Figure 3).

Finalement, nous ne devons pas oublier que les propri�t�s du ciment pris sont critiques pour maintenir le bon fonctionnement du puits. Le ciment doit r�sister aux temp�ratures �lev�es, � l�environnement chimique du puits et aussi aux contraintes exerc�es pendant la production du puits et tout au long de la vie du puits. On peut inclure d�autres solides, comme des polym�res pour modifier les propri�t�s du ciment pris. Ces ciments �flexibles� avec un bas module d�Young r�sistent aux contraintes mieux qu�un ciment conventionnel.

Figure 3 Un ciment pris qui flotte.

Figure 2 Optimisation de tailles de particules.