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 utilisés 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 propriétés clés du ciment qui doivent être contrôlées pour la bonne mise en place du ciment. La rhéologie du laitier est contrôlée avec des additifs appelés “dispersants” qui modifient les interactions entre les grains de ciment et les autres additifs solides. Si la viscosité est trop élevée soit-on ne peux pas pomper le ciment soit la pression de pompage va fracturer la roche. Si la viscosité est trop basse le déplacement de la boue de forage ne sera pas parfait et entraînera peut être la séparation des solides dans le coulis du ciment. Le temps que le ciment reste liquide (le temps de prise) est aussi critique. On doit être 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 problème est particulièrement difficile à résoudre à haute température et il faut utiliser des additifs (retardateur) avec une chimie qui réagisse avec les différentes phases du ciment.

Contrôle de densité

Pendant le placement d’un ciment, il y aura une pression hydrostatique exercée sur les parois du puits qui sera fonction de la profondeur et de la densité du ciment. Cette pression doit être supérieure à la pression dans les zones perméables, pour éviter l’entrée de fluides dans le puits. Cependant, si la pression est trop importante les parois du puits seront fracturées et le ciment va partir dans la roche plutôt que remplir l’espace annulaire. Il y a plusieurs méthodes pour diminuer la densité d’un coulis de ciment, par exemple on peut ajouter plus d’eau mais cela entraînera une dégradation des propriétés du ciment pris. Pour résoudre ce problème, Schlumberger a développé le concept d’optimisation de la taille des particules (Figure 2). Ceci permet d’ajouter beaucoup plus de solides tout en gardant les bonnes propriétés du coulis de ciment. Ces solides seront du ciment mélangé avec des autres solides. En utilisant des solides comme l’oxyde de fer on peut augmenter la densité du coulis et avec des solides comme les billes de verre creuses, on peut diminuer la densité du coulis. En effet on peut générer un ciment solide avec une densité inférieure à celle de l’eau (Figure 3).

Finalement, nous ne devons pas oublier que les propriétés du ciment pris sont critiques pour maintenir le bon fonctionnement du puits. Le ciment doit résister aux températures élevées, à l’environnement chimique du puits et aussi aux contraintes exercées pendant la production du puits et tout au long de la vie du puits. On peut inclure d’autres solides, comme des polymères pour modifier les propriétés du ciment pris. Ces ciments “flexibles” avec un bas module d’Young résistent aux contraintes mieux qu’un ciment conventionnel.



Figure 3 Un ciment pris qui flotte.


Figure 2 Optimisation de tailles de particules.

 

Programme 2005