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LE TITRE DE DOCTEUR DE LINSTITUT NATIONAL

POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE

cole doctorale : Science des Procds

Spcialit : Gnie des Procds et de lEnvironnement

Par

KHODJA MohamedIngnieur en Gnie des procds chimiques lUniversit des sciences et de Technologie Houari Boumediene dAlger Algrie

Master Gosciences Environnement et Risque, Universit Louis Pasteur Strasbourg - France

LES FLUIDES DE FORAGE : ETUDE DES PERFORMANCES

ET CONSIDERATIONS ENVIRONNEMENTALES

Soutenue le Vendredi 15 Fvrier 2008 devant le jury compos de :

BOURGEOIS Florent Prsident LGC/ENSIACET-INP ToulouseDALMAZZONE Christine Rapporteur IFP Rueil-Malmaison ParisVAN DAMME Henri Rapporteur ESPCI ParisBERGAYA Faza Co-Directrice de thse CRMD/OrlansCANSELIER Jean Paul Directeur de thse LGC/ ENSIACET-INP ToulouseDUPLAY Jolle Examinatrice CGS/ULP StrasbourgCOHAUT Nathalie Invite CRMD/OrlansFERFERA Fethi Invit Sonatrach/CRD Boumerds Algrie

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RESUME

Les fluides de forage :Etude des performances et Considrations environnementales

Rsum

Lors des forages ptroliers, la traverse des formations argileuses pose des problmesdont la rsolution est troitement lie la comprhension des interactions argile -fluide deforage. Vu les imperfections des fluides base d'eau (WBM) face aux problmes desargiles, les systmes de fluides mulsionns base d'huile (OBM) ont apport desamliorations significatives. Cependant, la pollution quils engendrent rend indispensableun traitement des boues usages. Au cours de ce travail, nous avons voulu confronter lemaximum de donnes de laboratoire des donnes effectives de chantier et ce, danslespoir dapporter une contribution la rsolution des problmes rels.

Trois systmes modles de fluides du type WBM on t slectionns : ils conti ennent, enplus des polymres conventionnels (xanthane et cellulose polyanionique), des inhibiteursde gonflement et de dispersion des argiles (polyacrylamide partiellement hydrolys,silicates de sodium, polyalkylneglycols). La comparaison de leurs perfo rmances, grce l'utilisation d'une nouvelle mthode base sur la filtration sur pastilles compactes, a tdiscute :

- du point de vue macroscopique par l'analyse de leurs caractristiquesrhologiques et de f iltration, le suivi des interactions argile -fluide par l'tude desproprits lectrocintiques, granulomtriques et de rtention des polymres,

- et l'chelle microscopique par diffraction X in-situ (wet cell) et par diffraction de lalumire.

Les caractristiques rhologiques et de filtration ont t corrles aux propritslectrocintiques et compltes par l'tude des proprits interfaciales et de mouillage. Lesystme aux silicates prsente les meilleures performances en termes d'inhibition.

L'tude de la stabilit des systmes mulsionns (OBM) a port sur l'influence du type etde la concentration des tensioactifs, de la proportion de phase disperse et de la prsencedautres additifs. La concentration optimale est celle donnant un compromis entre une

stabilit lectrique acceptable, un pourcentage dmulsion lev et une meilleurersistance la centrifugation. Le suivi de la variation de la phase mulsionne, de lastabilit lectrique et de la distribution granulomtrique a permis de classer les diffrentsmulsifiants. Paralllement aux mesures rhologiques, l'analyse des structures formes(mulsion-argile organophile) par diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) apermis d'expliquer les mcanismes de stabilisation. Une nouvelle formulationd'mulsifiants, propose pour un essa i sur chantier, a donn des rsultats encourageantspar rapport aux formulations commerciales.

Au niveau du rservoir, limpact des fluides de forage est apprhend par ltude desprocessus dendommagement de la roche. Un de nos objectifs tait de corrl er lesrsultats globaux obtenus pour la formulation complte avec l'endommagement induit parles additifs seuls. Les essais raliss ont montr l'influence de la nature, de la compositionchimique, et de la granulomtrie des additifs. Vu la complexit des phnomnes mis enjeu, la prvision de l'endommagement par une tentative de modlisation a dcel desliens entre les proprits des fluides utiliss, les caractristiques de la roche etl'importance de l'endommagement induit. La filtration statique favor ise la formation du"cake" alors que la filtration dynamique contribue l'invasion du filtrat.

Sur le plan environnemental, en plus des pertes de circulation des fluides pendant etaprs le forage, le bourbier, en tant que collecteur des produits liquide s et solides issus duforage, reprsente une grande source de pollution et de danger. Le diagnostic destechniques de traitement utilises a montr des imperfections majeures pouvant induire

des nuisances pour la sant humaine, l'cosystme et l'environnement. Le prsent travailsest focalis sur quelques lments de rponse l'quation performance -cot-environnement, en proposant un traitement biologique.

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RESUME


Abstract

In petroleum drilling operations, crossing shale formations poses problems whose solutio nis strongly related to the understanding of shale-drilling fluid interactions. Due to the lack ofperformances of water-based fluids (WBM) faced with shale problems, emulsified oil-based fluids (OBM) afforded significant improvements. However, the main t echnicaldifficulty lies in the treatment of the pollution generated by these emulsions. The presentwork intends to compare a maximum of laboratory data with actual field data and,hopefully, will bring a contribution to resolve practical problems.

Three WBM model systems were chosen: to conventional polymers (xanthan andpolyanionic cellulose) shale swelling and dispersion inhibitors (partially hydrolyzedpolyacrylamide, sodium silicates, polyalkyleneglycols) were added. Thanks to the use of anew compacted pellet-based filtration technique, their performances were discussed:

- from the macroscopic point of view, through the analysis of their rheological andfiltration characteristics and the consideration of shale-fluid interactions by thestudy of electrokinetic properties, particle size distribution and polymer retention,

- and, on the microscopic scale, by in situ X-ray diffraction (wet cell) and lightdiffraction.Rheological and filtration parameters were correlated with electrokinetic properties andconfirmed by the variations of interfacial and wetting characteristics. The silicate systemshows the best inhibition performances.

The study of OBM stability concerned the influence of surfactant type and concentration,dispersed phase ratio and other additives. The optimum surfactant concentration is thatyielding a compromise between high electrical stability, high emulsion ratio and goodresistance to centrifugation. The various emulsifiers were classified according to thevariation of emulsion volume, electrical stability and drop size distribution. Parallel torheological measurements, the analysis of the structures appearing in emulsion-

organoclay mixtures by small angle neutron scattering (SANS) allowed to explain themechanisms of emulsion stabilization. A new emulsifier mixture, proposed for a full-scalefield test, yielded encouraging results, compared with those of commercial formulations.

In the reservoir, the effect of drilling fluids was apprehended by a formation damage study.Our objective was to correlate the global results obtained by a whole drilling fluid systemwith the damage generated by individual components. The tests showed the influence ofthe nature, composition and particle size of additives used in fluids. Due to the complexityof the phenomena involved, an attempt to model and predict damage showed some linksbetween fluid properties, porous medium characteristics and induced damage ratio. Staticfiltration favors cake formation whereas dynamic filtration contributes to filtrate invasion.

As regards environment, in addition to circulation fluid loss during and after drilling, the pit,as a collector of liquid and solid products coming from drilling, is a big source of pollutionand danger. The diagnosis of the treatment techniques used showed major imperfectionsable to induce hazards for human health, ecosystems and environment. With the proposalof a biological treatment, the present works approach a solution of performance -cost-environment equation.

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DEDICACES


Ddicaces

A la mmoire de mon pre "Ahmed"

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REMERCIEMENTS


Remerciements

Ce travail est le fruit dune collaboration entre la socit Sonatrach/Division Centre deRecherche et Dveloppement (CRD), le Laboratoire de Gnie chimique (Institut NationalPolytechnique de Toulouse) et le Centre de Recherche sur la Matire Divise (CNRS- UniversitdOrlans).

Je tiens remercier Mr Rabah Siaci, Directeur de la Division CRD/Sonatrach, davoiraccept la prise en charge de cette thse.

Sans les facilits accordes par la Direction Gisements, le prsent travail naura it pu treralis. Que Monsieur Fethi Ferfera, Directeur Gisements, trouve ici le tmoignage de mareconnaissance et mes remerciements pour sa prsence en tant que membre invit du jury.

M Jol Bertrand, Directeur du Laboratoire de Gnie Chimique, ma ac cueilli parmi lesdoctorants de cette Unit Mixte de Recherche, associe au CNRS : quil en soit ici remerci. Et,

je ne saurai oublier de remercier Mme Marie-Louise Saboungi, Directrice du CRMD Orlanspour son accueil au laboratoire.

Jai t trs sensible lhonneur que ma fait Monsieur Florent Bourgeois, Professeur lENSIACET, en acceptant de prsider le jury de cette thse.

Mes remerciements vont aussi Mme Christine Dalmazonne, de la Division Chimie etPhysico-Chimie Appliques de lInstitut Franais du Ptrole, pour avoir bien voulu trerapporteur de cette thse malgr ses multiples tches.

Je tiens exprimer ma plus vive gratitude M. Henri Van Damme, professeur lEcoleSuprieure de Physique et Chimie Industrielle de Paris, davoir accept dtre rapporteur decette thse et dy avoir consacr du temps en dpit de ses multiples engagements.

Ctait autour dune table dans le cadre dun dner , au 2me Congrs Mondial delmulsion Lyon que jai eu lhonneur et le plaisir de connatre M. Jean Paul Canselier duLaboratoire de Gnie Chimique (LGC/INP Toulouse). J'prouve aujourdhui une grandesatisfaction travers la rdaction de cette thse le remercier davoir accept dencadrer et desuivre ce travail. J'exprime ici ma profonde reconnaissance pour sa disponibilit et son accueilchaleureux et familial. Jai eu beaucoup de plaisir travailler avec M. Canselier en qui jai trouvun rservoir de connaissances scientifiques et culturelles. Mes sjours Toulouse ont toujoursts couronns davancement et remplis de bons souvenirs. Je vous remercie, Chef, pour vosqualits humaines et votre gentillesse.Un grand merci Mme Christiane Canselier : avec elle, Toulouse ctait lAlgrie.

Travailler dans le domaine ptrolier, traiter un sujet sur le forage ptrolier et les fluides de

forage, cest aussi devoir connatre la nature minralogique et physico -chimique des formationstraverses qui souvent contiennent des argiles. De plus, le grand problme des puits de foragese pose au niveau de lutilisation des argiles comme boues de forage et en tant que problmesrencontrs. La rsolution de ces questions passe en partie, par ltude des interactions argile -eau. Il aurait t impossible pour moi de mener ce travail sans la guidance c laire de MmeFaza Bergaya, Directeur de Recherche au CNRS. Suite mon premier contact avec elle en2001 au CRMD Orlans, et ensuite en 2002 au CRD Boumerds, elle sut veiller macuriosit envers les argiles et me poussa aborder le sujet sous des aspects plus physico-chimiques et plus varis.

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REMERCIEMENTS


En plus du savoir scientifique acquis auprs de Mme Bergaya, mes passages Orlans ontaussi aiguis mon besoin de connaissances. Permettez -moi, Madame, de vous exprimer, magratitude pour votre apport scientifique et ma grande reconnaissance pour vos qualitshumaines, votre accueil familial, et votre soutien inestimable.Je ne saurais oublier de remercier M. Bergaya pour sa gentillesse et ses conseils amicaux aucours de mes sjours orlanais.

Les fluides de forage sont souvent considrs comme un bon exemple dun milieudispers et dtude des interfaces. Dans cette thse co -dirige par Mme Bergaya et M.Canselier, jai tent de me positionner linterface entre une comptence reconnueinternationale des argiles et un expert des tensioactifs et des mulsions. Avec ces deux co -encadrements, le temps ma sembl trop court et je me dis toujours que je nai pas su profiter etbnficier pleinement de leurs expertises respectives, surtout un moment si proche de leursretraites. Encore une fois un grand merci eux deux.

Mes sjours Orlans taient toujours des moments de travail et de dtente. Jeremercie particulirement Nathalie Cohaut, invite ce jury, pour son accueil, sa disponibilit,son aide et son soutien. Sans sa prsence je naurais pas pu raliser les essais de diffusion de

neutrons Saclay. Je tiens remercier aussi, Mr Lapp au CEA, pour son aide et son assistancedans la ralisation des expriences de SANS.

En parallle, de mes sjours Toulouse et Orlans, jai eu le grand plaisir de connatreMme Jolle Duplay et lquipe du Centre de Gochimie de la Surface de Strasbourg. Cela mapermis de lancer dautres projets danalyse dans le cadre de ma thse et d'aboutir audmarrage dun projet de collaboration Franco-Algrien. Je remercie Mme Duplay de m'avoirdonn l'occasion de travailler avec elle et davoir accept de faire partie du jury de cette thse.Mes vifs remerciements pour mavoir accueilli chaleureusement. Jai le sentiment de lavoirtoujours compte parmi mes meilleurs amis.

Au terme de ma thse, je tiens adresser mes remerciements tous ceux qui ont

contribu de prs ou de loin laboutissement de ce travail, donc tout le personnel desLaboratoires CRD, LGC, CRMD et CGS. Jai une pense toute particulire pour la mmoire demon collgue et frre H. Demri. Et je remercie tout particulirement :- au CRD en Algrie, mes collgues des directions Gisements, Gologie et TRH ainsi que lesstructures de soutien.- Toulouse, Mohamed Hadjkali, Jean-Luc Trompette, Karim, Hichem, Ilyes, Amel, Hakima,Lynda, Fahima, Malek, Abdullay et notre secrtaire, Dany.- au CRMD Orlans, je noublie pas mes amis : Aouad, Toma, Tri et Jos. - Strasbourg,o jtais en famille avec lquipe du Laboratoire, en plus de Jolle, je remercie vivementLaurence, Malika, Tania, Fabienne, Franoise,Amlie, Jean Luc, Radja, Julia, Nicolas, Giles, etYves. Je n'oublie pas mes chers amis Said, Salah, Mounir et Stphane qui ont rendu messjours agrables.

Une thse est une priode avec de bons moments et dautres qui le sont moins. Ce sontdans ces derniers que lon reconnat le vritable soutien.

Ma chre pouse Malika, mes chers enfants, Rhyad et Adel, toutes mes excuses devous avoir dlaisss. Je vous remercie du fond du cur davoir support mes absencesrptes. Merci davoir t toujours l ct de moi et au fond de mon cur.

Je ne saurais terminer sans remercier mon pre, ma mre et tous mes frres et sursainsi que toute ma belle-famille de mavoir soutenu et aid pendant ces annes.

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SOMMAIRE

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SOMMAIRE


Sommaire

Rsum

DdicacesRemerciementsListe des figuresListe des tableauxNomenclatureAbrviations utilises

INTRODUCTION

CHAPITRE I : Bibliographie sur le forage et les fluides de forage

I.1 Les fluides de forage.. 2I.1.1 Dfinition.. 2I.1.2 Fonctions.. 3I.1.3 Compositions des diffrents types 3I.1.4 Proprits des fluides de forage.. 6

I.2 Les problmes des argiles au cours du forage ... 11I.2.1 Classification des formations argileuses................... 11I.2.2 Approches dveloppes pour rsoudre les problmes poss . 13I.2.3 Additifs utiliss pour inhiber le gonflement des argiles et la dispersion des argiles . 16

I.

2.4 Techniques dvaluation de linhibition des argiles 21

I.3 Evolution des familles de polymres utiliss dans les fluides de forage 22I.3.1 Les polymres utiliss dans les fluides de forage.. 24I.3.2 Les principaux polymres utiliss dans les formulations tudies .. 25

I.3.2.1 La gomme de xanthane (xanthane). 25I.3.2.2 Les celluloses polyanioniques (PAC) et le carboxymthylcellulose .. 26I.3.2.3 Le polyacrylamide partiellement hydrolys (PHPA)..... 27I.3.2.4 Les glycols 28I.3.2.5 Les silicates de sodium.. 28

I.4 Agents tensioactifs et mulsions dans les fluides de forage. 30I.4.1 Les agents tensioactifs...... 30I.4.1.1 Classification des agents de surface..... 31I.4.1.2 Proprits des agents tensioactifs. 32

I.4.2 Les mulsions. 34I

.4.2.1 Types dmulsion. 34I.4.2.2 Notion de HLB et sa dtermination 35I.4.2.3 Aspect des mulsions. 36I.4.2.4 Formation des mulsions 36I.4.2.5 Caractrisation des mulsions.. 37I.4.2.6 Stabilit des mulsions 38

I.4.2.7 Dstabilisation des mulsions. 41I.4.2.8 Mthodes exprimentales pour ltude de la stabilit des mulsions . 42I.4.3 Les applications des agents de surface dans l 'industrie ptrolire 44

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SOMMAIRE


I.5 Filtration et Endommagement par les fluides de forage... 45I.5.1 Filtration. 45

I.5.1.1 Filtration statique. 46I.5.1.2 Filtration dynamique 46

I.5.2 Endommagement par les fluides de forage. 47

I.5.2.1 Endommagement et mode de filtration 48I.5.2.2 Endommagement et type de fluide de forage.... 48I.5.2.3 Endommagement et mthodes de laboratoire utilises 49I.5.2.4 Endommagement par les fines. 50

I.5.3 Modlisation de lEndommagement.. 51I.5.4 Synthse sur la filtration et lendommagement 53

I.6 Pollution par les fluides de forage et techniques de traitement. 54I.6.1 Gnralits sur lenvironnement. 54I.6.2 Les diffrentes approches d 'intgration de l'environnement.. 55I.6.3 Concepts managriaux de l 'environnement dans l'activit du forage.. 57I.6.4 Evolution de la technologie des fluides de forage 58I.6.5 Pollution par les hydrocarbures et effets sur la sant . 59I.6.6 Mthodes de traitement de la pollution. 60

I.7 Synthse 63

CHAPITRE II : Interactions Argiles-Polymres et proprits de filtration

II.1 Gnralits sur les argiles prsentes au niveau des champs algriens. 65

II.2 Caractrisation des argiles du champ de Hassi Messaoud .. 66

II.2.1 Composition minralogique.. 68II.2.2 Traitement prliminaire des cuttings dargiles 68

II.2.2.1 Lavage des cuttings par diffrents solvants.. 69II.2.2.2 Traitement thermique 70

II.2.3 Ractivit et Morphologie des cuttings dargiles.. 71

II.3 Les solutions de polymres. 73II.3.1 Influence de la concentration et de la nature des polymres sur la rhologie .. 73II.3.2 Influence de la concentration en KCl sur la rhologie...... 76II.3.3 Influence de laddition de bentonite sur la rhologie. 77II.3.4 Influence de la concentration en polymres sur le potentiel Zta et sur

la transmission de lumire. 79II.3.5 Influence de la nature des polymres sur la tension superficielle... ...... 79

II.4 Les fluides de forage.. 80II.4.1 Influence des additifs sur les proprits rhologiques et de filtration 80II.4.

2 Influence des additifs sur les proprits lectrocintiques . 83II.

4.3 Etude comparative des performances des fluides de forage.. 84

II.5 Essais de filtration sur pastilles......... 87II.5.1 Prparation et caractrisation des pastilles... 87II.5.2 Caractrisation des fluides utiliss 88II.5.3 Influence de la force de compaction 89II.5.4 Influence de la concentration en KCl et en silicate de sodium ... 90II.5.5 Influence de la temprature sur les proprits de filtration . 92

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II.6 Etude du pouvoir inhibiteur des fluides de forage 93II.6.1 Analyse des rsultats laboratoire. 93II.6.2 Analyse des tests raliss sur chantier par le systme au silicate. 97

II.7 Evaluation des performances des interactions polymre minral 100II.7.1 Analyse par Wet-cell X ray Diffraction.... 100II.7.2 Granulomtrie des mlanges Bentonite-Polymre 102

II.8 Discussion et synthse.... 105

CHAPITRE III : Les Tensioactifs et les Emulsions dans les fluides de forage

III.1 Mthodologie exprimentale.. 107

III.2 Caractrisation destensioactifs .. 108III.2.1 Analyses prliminaires des tensioactifs. 108III.2

.2 Analyse par spectroscopie IRouge et RMN............ 109

III.3 Proprits des mulsifiants 111III.3.1 Le caractre hydrophile-lipophile (HLB).. 111III.3.2 Concentration Micellaire Critique (cmc) :

dtermination par fluorescence molculaire. 112

III.4 Emulsions : mthodes de prparation et stabilit.. 115

III.5 Effets des additifs sur le comportement des mulsions 116III.5.1 Comportement des mulsions en prsence dun seul type de tensioactif . 116

III.5.2 Comportement des mulsions en prsence du couple de tensioactifs .. 119III.5.3 Influence de la teneur en phase disperse. 123III.5.4 Influence de largile organophile et du rducteur de filtrat 125III.5.5 Influence de la Barite et de la Chaux 127

III.6 Etude systmatique de la stabilit des mulsions.. 128III.6.1 Systmes gazole/eau/tensioactifs: influence d'une centrifugation applique la

partie mulsionne 128III.6.2 Systmes gazole/saumure/tensioactifs: Influence de la dure et de la temprature

de centrifugation... 131III.6.3 Dosage de leau dans la phase continue aprs centrifugation .. 131III.6.4 Rhologie et stabilit des mulsions.. 132

III.7 Essais pilote avec les nouveaux mulsifiants proposs.. 136

III.8 Synthse des rsultats . 138

CHAPITRE IV : Endommagement de la roche rservoir et Modlisation

IV.

1 Essais de dplacement par les fluides de forage . 143

IV.2 Caractrisations minralogique et ptrophysique de la roche . 144

IV.3 Essais d'endommagement par les OBM. 144

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SOMMAIRE


IV.3.1 Endommagement par les fluides de forage formuls. 144IV.3.2 Endommagement par les tensioactifs.. 147IV.3.3 Endommagement par les autres additifs. 151

IV.4 Analyse de l'endommagement par les systmes mulsion-argile organophile :Etude par diffusion petits angles des neutrons 154

IV.5 Endommagement par les fluides WBM 160

IV.6 Modlisation de l'endommagement . 161IV.6

.1 Problmes de production au niveau du champ de Hassi Messaoud .. 161IV.6

.2 Filtration et modlisation de l'endommagement.. 162

IV.7 Discussion et synthse 169

CHAPITRE V : Pollution par les fluides de forage et traitement

V.1 Analyse des sources de pollution. 172

V.2 Diagnostic des traitements de la pollution.. 174V.2.1 Traitement par stabilisation/solidification.. 174V.2.2 Traitement thermique....... 175V.2.3 Traitement biologique 175

V.3 Problmes de pertes des fluides au cours du forage et contamination du sol. 176V.3.1 Cas des fluides de forage base d'eau. 176V.3.2 Cas des fluides mulsionns...... 176

V.4 Mthodologie d'valuation de la pollution. 177

V.5 Etude de la biodgradation des additifs et des systmes de fluides.. 182V.5.1 Etude prliminaire.. 182V.5.2 Dtermination de la biodgradabilit.. 184

V.6 Etude de lactivit microbiologique vis--vis du gazole.. 185V.6.1 Identification 185V.6.2 Suivi de la cintique de croissance des souches isoles 188

V.7 Perspectives pour la proposition de nouveaux additifs.. 190

V.8 Synthse 192

CONCLUSIONS et RECOMMANDATIONS. 195

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

ANNEXES

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des figuresListe

Les fluides de forage :Etude des performances et considrations environnementales

Liste des figures

Chapitre I

Figure I.1: Cycle du fluide sur le site de forage

..2Figure I.2: Structure primaire de la gomme xanthane

.25Figure I.3: Structure secondaire de la gomme xanthane ltat solide

...25Figure I.4 : Structure chimique de la CMC

...............26Figure I.5 : Diminution des dimensions des chanes du CMC dans un milieu salin

27Figure I.6 : Polyacrylamide partiellement hydrolys (sel de sodium)

...........27Figure I.7 :Structure des anions silicate

29Figure I.8: La polymrisation du silicate monomre et la formation de la barrire physique etchimique l'invasion de filtrat et de particules

..30Figure I.9 :Schma reprsentatif dune molcule amphiphile...31Figure I.10: Comportement du tensioactif entre linterface et la solution

...........33Figure I.11 : Evolution de quelques proprits physiques en fonction de la concentration entensioactif

.34 Figure I.12: Formation du cake interne et du cake externe

...45

Chapitre II

Figure II.1 : Effet du nombre de lavages par le gazole (1) et du mode de traitement (2) sur lacontamination de largile

....69 Figure II.2

: Photos ESEM (chantillon 8) lavs lhexane et schs 105C

..70

Figure II.3 : Photos ESEM sur des cuttings (chantillon 8) lavs au dichloromthane et leau oxygne

70Figure

II.4: Effet de la temprature sur (a) la dcontamination et sur (b) la minralogie del'chantillon de rfrence ..70Figure II.5 : Influence de la granulomtrie et de la contamination des cuttings de l'chantillon21 de rfrence sur la variation de (a) la CEC et de (b) lhumidit

....70Figure II.6 : Evolution du volume dazote cumul travers les pores pour diffrentschantillons

..72 Figure II.7 : Diffractogramme et MEB de lcha

ntillon 21...73Figure II.8 : Rhogrammes des solutions du xanthane (a) et du PAC (b)

74Figure II.9 : Variation de la viscosit des solutions de la gomme xanthane (a) et du PAC (b)en fonction de la vitesse de cisaillement pour diffrentes concentrations

....74

Figure II.10 : Viscosit du PHPA en fonction du gradient de cisaillement.

.75Figure II.11 : Variation du pH en fonction de la concentration en polymres.

.75Figure II

.12 : Viscosit du (a) xanthane (0,2%) et (b) PAC (0,5%) en fonction du gradient decisaillement pour diffrentes concentrations en KCl.

76Fig. II.13: Variation du pH et du potentiel Zta en fonction du vieillissement (a et b) et enfonct

ion de la concentration en KCl pour 30 g/L de Bentonite (c)

..77Figure II.14

: Rhogrammes des suspensions de bentonite 2% en prsence de xanthane(a), PAC (b) et KCl (c)

...78 Figure II.15: Evolution du (a) Potentiel zta, (b) Transmission et (c) Transmission-viscositen fonction de la concentration en polymres 79Figure II.16: Evolution de la tension de surface avec la concentration en PHPA ..79Figure II.17: Variation du volume de filtrat du systme au PHPA, en fonction de laconcentration en PHPA (a), en KCl (b) et la variation de la viscosit du filtrat en fonction dutemps (c)

..81

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des figuresListe


Fig. II.18: Evolution de la viscosit du filtrat en fonction de la c oncentration initiale enpolymres (a) et du volume de filtrat des systmes en fonction du temps (b) ..84Fig. II.19: Rhogrammes des fluides de forage (a) et de leurs filtrats (b)....85Figure II.20 :Montage et mode opratoire de prparation des pastilles pour filtration..88Figure II.21: Evolution du volume de filtrat pour les diffrents systmes diffrentes forcesde compaction

.89 Figure II.22: Evolution du volume du filtrat en fonction de la concentration en (a) KCl (1.37%Silicate, F=60 kN) et (b) Silicate de sodium (2.82% en KCl, F=60 kN

..91Figure II.23: Variation du volume de filtrat en fonction de la concentration en KCl (a) et enNaCl (b) pour un systme 2.71% en silicate

...92Figure II.24

: Evolution (a) du volume de filtrat (systme au silicate 1.37 %) et (b) de laviscosit des solutions de polymres en fonction de la temprature

.92Figure II.25: Pourcentage de rcupration (a) argile A et Bentonite par le glycol et PHPA et(b) diffrentes argiles par le systme au silicate

...96Figure II.26 : Pourcentage d'inhibition (a) avec les diffrents systmes de fluides et (b) pourdiffrentes granulomtries

.97 Figure II

.27: Principe de la technique wet cell

...100

Figure II.28 : Cintique d'adsorption des solutions de polymres sur les cuttings

...101Figure II.29

: Diffractogrammes obtenus sur lchantillon de rfrence n 21, travers parune solution de PHPA

..101 Figure II.31: Evolution de la granulomtrie des mlanges Bentonite-Polymre

..102Figure II.3

2 : Evolution du diamtre des particules en fonction du temps : (a) silicate et (b)PHPA

..104

Chapitre III

Figure III.1: Evolution des spectres de fluorescence molculaire des tensioactifs (a) Cp et(b) Dp en fonction de leur concentration dans le cyclohexane

.....113

Figure III.2: Dtermination de la CMC des tensioactifs par fluorescence molculaire....113Figure III.3: Evolution de la stabilit des mulsions base du tensioactif primaire seul aprs24 h (H/E : 90/10)

.....117 Figure III.4: Evolution de la stabilit des mulsions base du tensioactif secondaire seulaprs 24h (H/E : 90/10)

...118 Figure III.5: Evolution de la stabilit des mulsions base d u mlange des tensioactifs(P+S) aprs 24 h (H/E : 90/10)

..120Figure III.6

: Evolution des classes granulomtriques d 'une mulsion H/E: 60/40 prparepar les mulsifiants primaires des groupes (a) A et (b) C

.....121Figure III.7: Evolution des classes granulomtriques d'une mulsion inverse H/E:

60/40prpare par les mulsifiants du groupe A (P/S : 10/10)

...122Figure III.8: Variation de la stabilit lectrique et de la rsistivit lectrique d'une mulsioninverse H/E: 50/50 prpare par les mulsifiants du groupe A (P/S : 10/10)

.123Figure III.9: Evolution de la stabilit lectrique en fonction du pourcentage de phasedisperse (saumure sature en NaCl : 320 g/L)

.123Figure III.10 : Effet de l 'argile sur la stabilit lectrique de l 'mulsion (H/E =90/10)

.125Figure III.11: Effet du type dargile sur la rhologie de l'mulsion sans tensioactif

.126Figure III.12 : Pourcentages dmulsion aprs centrifugation (a : 24 h, b : 7 jours)

.129Figure III.13: Comportement des mulsions aprs Agitation, Vie

illissement (24 h),Centrifugation (4000 tr/min) et chauffage

.130Figure III.14 : Evolution de la conductivit en fonction du pourcentage de saumure

..130Figure III.15: Variation des paramtres rhologiques en prsence de NaCl

...132Figure III.16: Evolution des viscosits en fonction de la proportion de phase aqueuse

.133

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des figuresListe


Chapitre IV

Figure IV.1: Principe de l'quipement utilis pour les essais de dplacement

.143Figure IV.2: Exemple de porosit dans la roche rservoir de HMD

...144Figure IV.3 : Evolution des permabilits Gazole + un seul tensioactif (a), et du Gazole +mlange de tensioactifs (b)

.148Figure IV.4 :Exemple de variation de la permabilit au brut en fonction d e lajout desmulsifiants (a) et (b) Systmes A et D

........151Figure IV.5: Evolution de la permabilit en fonction de lajout des additifs .....151Figure IV.6 : Rpartition granulomtrique des rducteurs de filtrat.152Figure IV.7 : Exemple de distribution des familles des pores au niveau du rservoir de HMD(Zone sud ouest)

..153 Figure IV.8 : Variation de la viscosit pour trois types dargiles organophiles

..154Figure IV.9 : Diffractogrammes par RX des argiles en poudre et ajustement du modle desempilements de disque structure cur-couche

..155Figure IV.I0 : Courbes de DPAN des mulsions et des composs intermdiaires

..157

Figure IV.11 : Emulsion 4 g/1

00 mL d'argile sorganophiles. Courbes de DPAN aprscorrection de la diffusion incohrente159Figure IV.12: Schma reprsentatif de lcoulement et de la formation dun cake dans unforage horizontal..

.163Figure IV.13: Variations de l'paisseur du cake en fonction du temps pour (a) diffrentesviscosits du fluide de forage et (b) diffrentes permabilits (Filtration statique)

..166Figure IV.14: Variations (a) du dbit d'coulement en fonction d u temps pour diffrentesviscosits (Filtration statique) et (b) de l'paisseur du cake en fonction du temps pourdiffrentes permabilits (Filtration dynamique)

.167Figure IV.15: Variations (a) de l'paisseur du cake en fonction du tem ps pour diffrentesvaleurs de cisaillement et (b) de la concentration en filtrat en fonction du rayond'invasion167

Chapitre V

Figure V.1 : Vue des bourbiers et des points d'chantillonnage

..177 Figure V.2 : Chromatogrammes de la fraction d'hydrocarbure dtecte

...181Figure V.3: Variation de la masse des chantillons 11 14 au cours du temps(biodgradation arobie)

.182Figure V.4 :Courbe de croissance des souches is

oles et culture mixte sur milieu M1 2%de gazole

186 Figure V.5 :Aspects macroscopique (a) et microscopique (b) (aprs coloration de gram augrossissement GR100) de la souche 104

..187Figure V.6 :Aspects macroscopique (a) et microscopique de la souche 111 (aprscoloration de gram au grossissement GR100)

..187Figure V.7: Aspects macroscopique (a) et microscopique (b) de la souche 152 (aprscoloration de gram au grossissement GR

100)

..187Figure V.8: Courbes de croissance pour (a) les bactries isoles et pour (b) les levuresisoles sur milieu M1 2% de gazole

...188 Figure V.9

: Courbe de croissance de culture mixte sur le milieu M1 diffrentesconcentrations en Gazole (2 30%)

.189Figure V.11: Microscopie des rejets industriels pharmaceutiques

.191

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des figuresListe


Annexes

Figure IA.1 : Gographie de l'Algrie

.A1 Figure IA.2: Rpartition des zones sur le champ de Hassi Messaoud..

A1Figure IA.3 : Stratigraphie du champ de Hassi Messaoud

.A3

Figure IIA.1 : Diffractogrammes obtenus au cours du temps, sur lchantillon de rfrencen21, travers par une solution de (a) glycol et (b) silicate.

A7Figure IIIA.1 : Spectres RMN des tensioactifs Cp, Dp et dun tensioactif non ionique ducommerce (NI)

..A10Figure VA.1 :Analyse minralogique des cuttings contamins

..A22Figu

re VA.2 :Analyse minralogique du sol non contamin...

A23Figure VA.3 :Aspect macroscopique (a) et microscopique (b) (aprs coloration de gram augrossissement GR100) de la souche 135

..A27Figure VA.4 :Aspect macroscopique (a) et microscopique (b) (aprs coloration de gram augrossissement GR100) de la souche 136

..A27Figure VA.5 :Aspect macroscopique (a)et microscopique (b) (aprs coloration de Gram augrossissement GR100) de la souche 139

...............A27

Figure VA.6 :Aspect macroscopique (a) et microscopique (b) (aprs coloration de gram augrossissement GR100) de la souche 137

.A28

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Liste des tableaux

Chapitre I

Tableau I.1: Principaux additifs utiliss dans les fluides de forage ..4Tableau I.2: Proprits de lagent tensioactif en fonction de sa valeur HLB

..36Tableau I.3:Aspect des mulsions ..36Tableau I.4: Caractristiques du milieu filtrant 45

Tableau I.5: Diffrentes techniques de traitement biologique des sols pollus

.....64

Chapitre II

Tableau II.1:Quelques problmes de forage sur les champs algriens

.66

Tableau II.2:CEC et Composition minralogique des chantillons de HMD

.67Tableau II.

3:Tensions superficielles des solutions de polymres 1g/L

, T=30C

..80

Tableau II.

4:Formulation des fluides de forage pour 1litre deau80Tableau II.

5:Caractristiques des fluides de forage

base de PHPA81Tableau II.

6:Caractristiques rhologiques et de filtration des fluides sans bentonite

.......82Tableau II.7: Proprits des pastilles....87Tableau II.8: Formulation des fluides base d 'eau utilises.88Tableau II.

9:Caractristiques rhologiques et de filtration des fluides aprs 24h

89Tableau II.1

0:Formulation des fluides base deau utiliss

pour les tests d'inhibition93Tableau II.11: Rsultats des tests d'inhibition par la mthode des pastilles ...94Tableau II.1

2: Composition minralogique des cuttings95Tableau II.13: Formulation des systmes de fluides pour les essais wet cell..100

Chapitre III

Tableau III.1 : Classes des mulsifiants primaires (p) et secondaires (s) tudis

...109Tableau III.2: Caractristiques des diffrents tensioactifs

..114Tableau III.3: Evolution de la stabilit lectrique (SE) en fonction du temp s d'agitation

115Tableau III.4: Stabilit lectrique en fonction de la concentration en mulsifiants

.116Tableau III.5

: Test de stabilit la centrifugation (H/E : 50/50)

.118Tableau III.6 :Rsultats des tests de la stabilit la centrifugation (H/E : 60/40)

..119Tableau III.7: Pourcentages dmulsion et deau pour les tensioactifs du groupe A

.124

Tableau III.8 : Pourcentages dmulsion et deau pour les tensioactifs du groupe C

...124Tableau III.9: Caractristiques rhologiques de systmes renfermant de la barite

127

Tableau III.10 :

Pourcentages dmulsion en fonction de (P, S) (H/E = 90/10)

..128Tableau III.11: Teneur en eau dans la phase continue (gazole)

...130Tableau III.12 : Evolution de la st

abilit des mulsions (H/E : 90/10)

131Tableau III.13 : Formulation d'un fluide de forage (H/E : 90/10)

.135

Tableau III.14: Proprits rhologiques des fluides de forage (H/E : 90/10)

...135Tableau III.15 : Formulation des fluides de forage avec les tensioactifs proposs

.136Tableau III.16: Caractristiques des fluides

.....137Tableau III.17 :Enrobage des cuttings

...137

Tableau III.1

8 :Essais pilotes : vitesse d'avancement du forage dans quelques puits..

...138

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Chapitre IV

Tableau IV.1: Colmatage par des boues l'huile

.145Tableau IV.2: Formulation des trois systmes de fluides mulsionns

145Tableau IV.3: Rsultats des tests dendommagement

145Tableau IV.4: Caractristiques des systmes OBM

146Tableau IV.5 :Rsultats des tests dendommagement..146Tableau IV.6 :Rsultats des tests de dplacements avec les fluides base de gazole

...147Tableau IV.7 : Influence des additifs sur les tests de dplacements des solutions de

tensioactifs

.......150 Tableau IV.8 : Caractristiques de l'mulsion..

.152 Tableau IV.9 : Paramtres structuraux obtenus pour les argiles organophiles

...155

Tableau IV.10 :Analyse lmentaire, masse volumique et densit de longueur de diffusion

des diffrentes phases contenues dans les mulsions..156T

ableau IV.11 : Paramtres structuraux obtenus partir de la modlisation des courbes

DPAN des argiles organophiles..159Tableau IV.12 : Paramtres structuraux obtenus partir de la modlisation des courbes

DPAN des mulsion

s 3% dargile....159Tableau IV.13 : Rsultats des tests de dplacements avec des fluides base d'eau

161Tableau IV.14 : Valeurs du skin pour la filtration statique..168

Tableau IV.15: Valeurs du Skin pour la filtration dynamique

.168

Chapitre V

Tableau V.1:Variation de la concentration en hydrocarbures et en mtaux lourds aprs

solidification

175Tableau V.2: Teneurs en hydrocarbures totaux et en carbone des chantillons

179Tableau V.3

: Rsultats d'analyses physico chimiques de l 'chantillon 6

.180

Tableau V.4: Rsultats des tests de biodgradabilit

.184Tableau V.5: Composition des fluides formuls

......192 Tableau V.6: Caractristiques des formulations des boues lhuile

192

AnnexesTableau IIIA1 : Caractristiques physico-chimiques des gazolesA9

Tableau IV.A1 : Valeurs des donnes utilises dans le modle....A17Tableau V.A1 : Rsultats de l'observation macroscopique.A24Tableau V.A2 : Rsultats de l'observation microscopique des souches isoles.A25

Tableau VA3 : Rsultats des tests biochimiques des souches isoles....A26

Tableau VA4 : Temps de demi-vie des composs aromatiques polycycliquesdans l'environnement

A28

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NOMENCLATURE


Nomenclature

A : surface de filtration (cm2)

C : coefficient de colmatage (%)cf : concentration en fluide (g/L ou kg/m

3)

Cmud: concentration en boue (kg/m3)

cs: concentration en solides (kg/m3)

Cf: concentration en filtrat (kg/m3)

di : distance interfoliaire (nm)

d : densit de la boue

dc : vitesse de dpt (kg/s)

D : paisseur de la couche de tensioactif (nm)

Dd : coefficient de dispersion (cm2/s)De : coefficient de dispersion-convection (cm2/s)

Dm : coefficient de diffusion molculaire (cm2/s)

e : paisseur du cake (cm)

ec : vitesse d'rosion (kg/s)

f : paramtre empirique li au coefficient de dispersion (L 2-g/T1-g)

Gel0: la rsistance du gel aussitt aprs agitation de la boue (Pa ou lb/100ft2)

Gel10: la rsistance du gel a

prs un repos de la boue de 10 min (Pa ou lb/100ft2)

g: paramtre empirique li au coefficient de dispersion

h: paisseur du rservoir (m)

HE : hauteur de la phase mulsionne (cm)

HT : hauteur totale de l'mulsion (cm)

hc : profondeur de la couche traverse (m)

K: permabilit (mD ou m2)

Kair: permabilit l'air (mD)

Kb: permabilit la saumure (mD)

Kc: permabilit du cake (mD ou m2)

Kdeff: permabilit effective dans la zone endommage (m2)

Keff: permabilit effective (m2)

Kf : permabilit finale (mD)

Kg: permabilit au Gazole (mD)

Ki : permabilit initiale (mD)

Ko : permabilit initiale (mD)

Kro: permabilit relative l'huile

Kro max:permabilit relative maximale l'huile

Krw: permabilit relative l'eauKrw max: permabilit relative maximale l'eau

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NOMENCLATURE


Ksolut: permabilit la solution (mD)

k : coefficient de l'quation d'rosion (s -1)

Lc : paisseur d'empilement (nm)

Lx: lecture x tr/mn sur le rhomtre fann 35 A

mc: masse des particules solides dposes dans le cake (kg)

: nombre moyen de couches par empilement

n: paramtre de filtration qui varie en fonction de la taille et de la forme des particules

n0: indice d'coulement

P : pression de la formation (kgf/cm2)

Pe: pression de la zone envahie (Pa)

Pw: pression du puits (Pa)

Q : le dbit du fluide au temps t(mL/min)

q : norme du vecteur d'ondeQo: dbit du fluide au temps t = 0 (avant la formation du cake)

qin: dbit initial de filtration (mL/min)

qmin: dbit minimal de filtration (mL/min)

R : rayon du disque (nm)

Rt : rayon du tube (cm)

ROP : rate of penetration (m/h)

rc : rayon du puits aprs formation du cake (m)

rd : rayon de la zone endommage (m)

re: rayon d'invasion (m)

rw: rayon du puits (m)

S : Facteur skin

smud: saturation en boue

Swi : saturation en eau irrductible

Sor: saturation rsiduelle en huile

Sw: saturation en eau

Swmax: saturation en eau maximaleSwmin: saturation en eau minimale

T : temps (s)

t : temps de filtration (s)

tq: le temps d'quilibre de la filtration dynamique (s)

uin: vitesse initiale de filtration (m/s)

V: volume filtr pendant un temps t (mL)

VA : viscosit apparente (cP = mPa.s)

VP: viscosit plastique (cP= mPa.s)

Vmulsion: volume de l'mulsion (cm3)Vtotal: volume total de la solution (cm

3)

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NOMENCLATURE


xc: variation de l'paisseur du cake (m)

YV : yield value ouYP

: yield point (seuil dcoulement)(Pa ou lb/100ft2)

Lettres grecques

d: dviation standard de la distance interfoliaire (nm)

: paramtre de filtration li au type de fluide utilis = Q eq/Qo

: fraction volumique de la phase disperse

: porosit de la formation

c: porosit du cake

: masse volumique (kg/m3)

c: masse volumique du cake (kg/m3)

N : longueur de diffusion neutronique (1010cm-2)P: diffrence de pression ou pression diffrentielle (Pa ou psi)

: viscosit dynamique du fluide ou de l'mulsion (cP = mPa.s)

0: viscosit dynamique de la phase continue (cP)

: contrainte de cisaillement de la boue la surface du cake (N/m 2)

: potentiel Zta (mV)

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ABREVIATIONS UTILISEES


Abrviations utilises

AAF : Aroanarobie facultatif

AAS: Spectroscopie dabsorption atomique,(Atomic absorption spectroscopy)ABS : AlkylbenznesulfonatesACV: Analyse du cycle de vieAF : Arobie facultatifAFNOR: Association Franaise de NormalisationAPI: American Petroleum InstituteAS: Arobie stricteATP : Adnosine triphosphate CBL: Cement Band LoggingCEC: Capacit d'change cationique (mq/100 g)CMC: Carboxymthylcellulose

cmc: Concentration micellaire critique (mole/L ou g/L)COT: Carbone organique totalCSC: Critical salt concentrationCST: Capillary succion time (s)CVAAS: Cold vapor atomic absorption spectroscopyDao: Argile organophile du commerceDBO5: Demande biochimique en oxygne durant 5 jours (mg/L)DBO28: Demande biochimique en oxygne durant 28 jours (mg/L)DCO : Demande chimique en oxygne (mg/L)DO : Densit optiqueDPAN : Diffusion des neutrons aux petits angles (SANS)DPAX : Diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS)DRX: Diffraction des rayons XDS: Degr de substitutionDSC: Dowen-hole simulation cellDST: Drill stem test (Test de production en cours de forage)EIR: Environmental impact reductionESEM: Environmental Scanning Electronic Microscopy,

Microscopie lectronique balayage environnementaleFI : Filtrate invasionG : GazoleGB: Grs de BereaGR: Grossissement (%)

HAP: Hydrocarbure aromatique polycycliqueHC: HydrocarbureHLB: Hydrophile Lipophile BalanceHMD: Hassi MessaoudHP/HT: Haute pression et haute temprature (500 psi/250 F)HSE: Hygine, Scurit et EnvironnementHT: Hydrocarbon totalHV: High viscosityIFE : Integrated fluid engineeringLABS: Alkylbenznesulfonate linaireLCA: Life Cycle Assessment (ACV)LV: Low viscosity

MBT: Methylene blue testMEB: Microscopie lectronique balayage

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ABREVIATIONS UTILISEES


MET : Microscopie lectronique transmission O : OxydatifOBM: Boue lhuile, Oil-based MudOF: Oxydatif facultatifOmt: Argile organophile prpare au laboratoireOMS : Organisation Mondiale de la Sant ONU : Organisation des Nations Unies P/S: Rapport de concentrations tensioactif principal/tensioactif secondairePAC: Cellulose Polyanionique, Polyanionic cellulosePAG : PolyalkylneglycolsPHPA: Polyacrylamide partiellement hydrolysPI : Pression d'invasionPP : Pression de poreRR: Roche rservoirPT : Pression de transmissionPZ : Poudre de ZincR: Rejet industriel valoris

RPM: Tour par minute, Revolution per minuteSDT : Slake durability testSE: Stabilit lectrique (V)SI : Invasion par le solut, Solute invasionSOBM: Boue lhuile synthtique Synthetic Oil-based MudSP: Swelling pressureTA: TensioactifTFM: Total fluid managementTPH: Total petroleum HydrocarbonUBD: Underbalanced drillingWBM: Boue leau, Water-based MudWC: Water content

WOB: Weight on bitXCD: Gomme xanthane

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INTRODUCTION

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INTRODUCTION


INTRODUCTION

Lors des forages ptroliers, la traverse des formations argileuses n'est pas une

opration facile tant donn les problmes qui se posent de gonflement/dispersion/dlitage, et dont larsolution est troitement lie la comprhension des interactions argile-fluide de forage. Malgr de

nombreuses tudes fondamentales sur lhydratation des argiles, il reste encore beaucoup

comprendre sur les mcanismes qui en sont lorigine. Plusieurs approches ont t dveloppes afin

dexpliquer le fondement des problmes observs. Les phnomnes physico-chimio-mcaniques lis

la stabilit des argiles ont t longuement dbattus dans la littrature ptrolire, particulirement sur

la capacit des systmes de type polymre/lectrolyte inhiber lhydrat ation et le gonflement des

argiles. En parallle, les systmes de fluides mulsionns ont donn une grande satisfaction.

Cependant un problme technique majeur se pose actuellement aux oprateurs ptroliers de par la

ncessit de remplacer les boues lhuile par des boues leau non polluantes ou par des fluides

synthtiques.

Dans l'objectif d'approcher l'quation performances-cot-environnement, ce manuscrit s'articule

autour de cinq chapitres distincts.

Dans le premier chapitre bibliographique, il tait ncessaire dintroduire quelques dfinitions

utilises par les ptroliers au sujet du forage et des fluides de forage (

section I.1). Les diffrents

problmes soulevs par les foreurs au sujet de la traverse des formations argileuses rencontres au

cours du forage sont prsentes dans la section I.2. Les polymres utiliss dans les formulations des

fluides sont dcrits en section 1.3. La recherche de composs inhibiteurs, dont le choix doit aussi

respecter l'environnement, a considrablement volue. Un paragraphe synthtique (

section I.4) est

ddi aux additifs utiliss pour l'inhibition de la dispersion des argiles. Par ailleurs, la filtration, que ce

soit dans les terrains morts ou au niveau du rservoir, peut causer des problmes du point de vue

technique (formation de caves, stabilit des argiles), environnemental (contamination des nappes

phratiques) et conomique (cas de pertes importantes de fluides de forage et atteinte de la

production des puits). Afin d'apprhender ces aspects, la section I.5est consacre aux problmes de

filtration et d'endommagement du rservoir sur le plan du mcanisme et de la modlisation. La

section I.6traite de la pollution engendre par les fluides de forage et des techniques possibles pour

la traiter. En raison de l'importance des fluides de forage utiliss au niveau du champ de Hassi

Messaoud en Algrie, et leur importance technico-conomique, les deux chapitres II et III traitent des

performances de ces fluides particulirement.

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INTRODUCTION


Dans le deuxime chapitre, aprs un tour d'horizon sur les diffrents problmes rencontrs

relatifs aux argiles ainsi que la caractrisation de quelques chantillons des formations traverses,

plusieurs points sont dvelopps, savoir l'importance du prtraitement des cuttings contamins da ns

les travaux de caractrisation et d'valuation de l'inhibition; ltude des solutions de polymres utiliss

avec linfluence de diffrents facteurs sur leur rhologie et leurs proprits physico-chimiques; de

mme linfluence des additifs sur la rhologie et les proprits physico-chimiques des fluides de

forage; la proposition d'une nouvelle mthode base sur la prparation de pastilles compactes et le

suivi des proprits de filtration, pour l'valuation de la performance des systmes de fluides bas e

de polymres inhibiteurs.

L'valuation de la mthode propose repose sur l'tude des proprits de trois systmes de fluides

modles base de polymres inhibiteurs (PHPA, Glycol et Silicate de sodium) diffrentes chelles.

Une tude macroscopique (sur chantier) est faite par comparaison des caractristiques rhologiques

et de filtration, et par le suivi des interactions argiles-polymre par tudes des proprits

lectrocintiques, granulomtriques et de rtention des polymres. Ltude l'chelle microscopique

a t faite par le suivi des interactions argile-polymre in-situ par diffraction X (wett cell) et par

diffusion de la lumire. La comparaison des rsultats des diffrentes techniques utilises avec les

rsultats obtenus sur chantier avec les systmes aux silicates, a enfin permis une exploitation relle

performante.

Le chapitre III est consacr, travers une srie d'expriences, l'tude de la stabilit des

systmes mulsionns avec comme objectif la comparaison d'une nouvelle formulation d' mulsifiants

par rapport aux mulsifiants conventionnels. Il se subdivise en trois parties. Une premire partie est

consacre la caractrisation des diffrentes familles d'mulsifiants. Dans la deuxime partie, sont

traits les facteurs importants qui influent sur la stabilit des mulsions, savoir le type, la

concentration des tensioactifs, le rapport de la phase disperse lors de lutilisation dun couple de

tensioactifs et la prsence dautres additifs.

Le suivi de la variation de la phase mulsionne, de la stabilit lectrique et de la granulomtrie a

permis de classer les diffrents mulsifiants. Dans la troisime partie sont prsents quelques

rsultats obtenus avec la formulation d'mulsifiants proposs pour un essai pilote sur le forage de

deux puits tests sur le champ de Hassi Messaoud.

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INTRODUCTION


Dans le chapitre IV, limpact des fluides de forage est apprhend avec ltude des processus

dendommagement des roches rservoirs. Dans une premire partie, quelques rsultats de laboratoire

portant sur des essais de dplacement par les fluides de forage raliss sur une centaine

dchantillons de roche sont prsents, de mme que la variation de l'endommagement en fonction

des diffrents additifs des fluides (OBM et WBM) utiliss. Les mcanismes dendomm agement induits

par les systmes mulsionns sont tudis par quelques techniques telles que les essais de

dplacement en milieu poreux, la granulomtrie laser et la diffusion aux petits angles des neutrons.

Dans une deuxime partie, la prdiction de l'endommagement avec des essais de modlisation

appliqu aux cas tudis est entreprise, afin de dceler, selon le modle appliqu, des liens possibles

entre la composition des fluides utiliss et l'importance de l'endommagement induit.

Le problme majeur dans lutilisation des OBM est relatif la pollution engendre. En effet, le

nombre important de sites industriels pollus rhabiliter suite des problmes associs aux

oprations de forages, dexploration et d'exploitation constitue depuis quelques annes un souci

majeur pour l'entreprise. Les recherches dans ce domaine ont ainsi t dynamises et de

nombreuses techniques de dpollution visant les traiter ont t particulirement dveloppes. Ainsi

la grande problmatique que pose la protection de lenvi ronnement est celle de savoir comment le

protger efficacement sans que cela nengendre un surcot qui se rpercutera sur la comptitivit.

Cest lobjet du chapitre Vqui traite de quelques aspects relatifs la pollution et la protection de

l'environnement. La problmatique lie la pollution par les fluides de forage est aborde travers

plusieurs critres. Le diagnostic de la pollution et l'identification de la population bactrienne prsente

sur les sites de forage ont t tudis afin d'valuer la biodgradation naturelle. La performance des

techniques de traitement utilises sur HMD est value. Finalement, la possibilit de valorisation de

quelques rejets industriels polluants ou de matires premires accessibles pour la prparation de

nouveaux additifs dans les fluides de forage (OBM et WBM) est envisage.

Des Conclusions et Recommandationssont prsentes pour clore ce manuscrit, avec une

discussion sur les solutions apporter pour que l'activit de forage puisse rpondre aux critres de

dveloppement durable. En dautres termes, la question est de savoir quelles sont les rponses que

lon peut donner pour quentre le profit (intrt conomique) et le respect de l'environnement, l'aptitude

des gnrations futures couvrir ses besoins ne soit pas compromise.

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INTRODUCTION


Par ailleurs, sont prsentes en ANNEXE I, quelques gnralits sur le champ de Hassi

Messaoud ainsi que les problmes de forage rencontrs. Les diffrentes techniques et mthodes

utilises pour l'valuation de l'inhibition de la dispersion des argiles, la caractrisation des solutions de

polymres molculaire , ainsi que les spectres des RX wet cell ont t prsentes en ANNEXE 2.

Dans lANNEXE III, les principes de la mthode de stabilit lectrique et de spectroscopie de

fluorescence, les caractristiques des gazoles, ainsi que les spectres RMN de quelques tensioctiifs

tudis. LANNEXE IV donne le principe des mthodes de caractrisation ptrophysique, des

gnralits sur les mcanismes d'endommagement au niveau du champ de HMD, ainsi que le

principe de ltude structurale des mulsions par la technique de Diffusion aux Petits Angles des

Neutrons.

Il comprend aussi les dtails du modle utilis pour la prdiction de lendommagement. LANNEXE V

porte sur les dtails des mthodes de dosage des hydrocarbures, les spectres DRX des chantillons

de cuttings, les mthodes didentification microbiologiques ainsi qu'un tableau sur le temps de demi-

vie des HAP.

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PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE

Chapitre I

Le forage et les fluides de forage

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CHAPITREI:LE FORAGE ET LES FLUIDES DE FORAGE

Les fluides de forage: Etude des performances et Considrations environnementales Page : 1

Le ptrole

Le ptrole brut et le gaz naturel se sont forms au cours de millions dannes par

dcomposition de vgtaux et dorganismes marins, comprims sous le poids des sdiments.

Comme ils sont plus lgers que leau, ils ont migr pour combler les vides existant dans ces

formations sous-jacentes. Ce mouvement vers le haut sest arrt lorsquils ont atteint des

couches denses impermables ou des roches non poreuses (Kraus, 1991). Le ptrole brut est

prsent, en gnral, dans des formations gologiques particulires, telles que les anticlinaux, les

piges de faille et les dmes de sel, que lon trouve sous divers types de terrains et dans des

climats trs divers. En pratique, le lieu daccumulation appel "pige" constitue une nouvelle

couche impermable formant le plus souvent une espce au-dessus de la roche poreuse dans

laquelle le ptrole circule. La roche qui contient le ptrole s'appelle un rservoir (Jancovici,

2003). En saccumulant en profondeur dans les terrains poreux et fissurs, les hydrocarbu res

forment ce qui est appel des gisements.

Prospection et Production

Prospection et production sont les termes couramment utiliss pour dsigner les activits de

lindustrie ptrolire consistant dune part rechercher (forages dexploration pour conf irmer la

prsence dhydrocarbures) et dcouvrir de nouveaux gisements de ptrole et de gaz naturel

(forages dvaluation qui permettent destimer la viabilit conomique du dveloppement) puis

dautre part forer des puits et faire remonter les produit s jusqu la surface. Plusieurs forages

sont ainsi ncessaires avant daboutir lexploitation dun gisement avec les puits de

dveloppement pour la mise en production (forages de production) (Garcia et Parigot, 1968).Onappelle puits (puits de forage ou sonde) une excavation cylindrique verticale ou dvie tablie

partir de la surface dans un massif rocheux laide de dispositifs mcaniques. La prospection du

ptrole et du gaz ncessite donc des connaissances pluridisciplinaires, en gographie, en go logie

et en gophysique.

Le forage

Le premier forage ptrolier a t effectu le 27 Aot 1859 par l'Amricain E.L. Drake

Titusville (Pennsylvanie). La technique classique du forage, invente par Lucas (Nguyen, 1993)au

dbut du 20imesicle pour les oprations de forage au Texas, a connu une grande volution afin

de rsoudre les nombreux problmes rencontrs lors du forage. Des apports considrables ont t

apports lors des forages spciaux (forages hautes pressions et hautes tempratures, forages

horizontaux et multidrains, forage la mousse et lair, etc.). Le dveloppement du forage

optimis a volu depuis la fin des annes 1930.

Ainsi, de 1930 1947, les recherches ont t concentres sur la composition et les proprits des

fluides de forage. Une moindre attention a t apporte la vitesse davancement. Lobjectif tait

de forer le puits, de procder sa compltion (processus qui consiste amener un puits en phaseproductive aprs quil a t for) et de le mettre en production.

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La compltion implique un certain nombre doprations, y compris linsertion du tubage et

lenlvement de leau et des sdiments de la conduite afin que le fluide de forage ne rencontre pas

dobstacle. De 1947 1957, la recherche sest plus focalise sur les tests des produits de base

utiliss dans les fluides de forage, en essayant de lier les proprits des fluides aux problmes de

stabilit des puits et lefficacit du nettoyage du trou (Lummus et Azar, 1986).Le succs dune

opration de forage est assur par plusieurs facteurs, parmi lesquels celui du choix des fluides de

forage. Ces fluides dits complexes, du fait de leur nature mme, et appels plus classiquement

boues de forage, sont le plus souvent des mulsions/suspensions, de divers constituants dont l es

fonctions sont multiples.

I.1 Les fluides de forage

I.1.1 DfinitionLe fluide de forage, appel aussi boue de forage, est un systme compos de diffrents

constituants liquides (eau, huile) et/ou gazeux (air ou gaz naturel) contenant en suspension

d'autres additifs minraux et organiques (argiles, polymres, tensioactifs, dblais, ciments, ). Le

fluide de forage tait dj prsent en 1933 lors du premier Congrs Mondial du Ptrole, o il a fait

l'objet de cinq communications (Darley et Gray, 1988).Le premier trait sur les fluides de forage a

t publi en 1936 par Evans et Reid

. En 1979, l'American Petroleum Institute (API) dfinit le

fluide de forage comme un fluide en circulation continue durant toute la dure du forage, aussi

bien dans le sondage quen surface. Le fluide est prpar dans des bacs boues, il est inject lintrieur des tiges jusqu loutil do il remonte dans lannulaire, charg des dblais forms au

front de taille

(Figure I.1). A la sortie du puits, il subit diffrents traitements, tamisage, dilution,

ajout de produits, de faon liminer les dblais transports et rajuster ses caractristiques

physico-chimiques leurs valeurs initiales. Il est ensuite rutilis (Landriot, 1968).

Figure I.1: Cycle du fluidesur le site de forage (

Schlumberger, 1997)

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I.1.2 Fonctions des fluides de forage

La plupart des manuels sur les fluides de forage numrent entre 10 et 20 fonctions assures

par ces fluides dans le puits (Chillingarian et Vorabutr, 1983; Darley et Gray, 1988).En gnral,

les principaux rles du fluide de forage sont:

Assurer la remonte des dblais du fond du puits jusqu la surface par la circulation dun fluide

visqueux dans lespace annulaire. Ces dblais donnent des informations gologiques sur les

formations traverses lors du forage.

Maintenir les dblais en suspension lors dun arrt de circulation dans le but dempcher la

sdimentation des dblais afin de redmarrer le forage sans coincement et ceci est possible grce

la nature thixotrope du fluide.

Refroidir et lubrifier loutil pour viter lusure rapide des pices mtalliques en mouvement.

Maintenir les parois du puits en raison de la pression hydrostatique exerce par le fluide en

coulement et permettre de contrler la venue des fluides des formations rocheuses traverses.

Du fait de cette diffrence de pression, le fluide va "filtrer" dans les formations permables etdposer un film sur la paroi appel "cake de filtration". Ce gteau permet de rduire la

permabilit des parois et disoler le fluide de forage de la formation mais ne doit pas tre pais

afin dviter une diminution du diamtre nominal du trou et un risque de coincement de loutil. Le

fluide de forage joue donc un rle dterminant dans la rsolution du problme de stabilit des

parois du puits de par sa densit mais galement de par sa capacit former une barrire limitant

les transferts de fluides entre lespace annulaire et la formation.

Enfin la boue ne doit tre ni corrosive ni abrasive pour lquipement, ni toxique ou dangereuse

pour le personnel et elle ne doit pas prsenter de risque dincendie.

A la fin des annes 1950, lutilisation sur chantier dune grande varit de produits soumis des

spcifications rigoureuses rglementant les proprits des fluides, a permis de dvelopper la

chimie des fluides de forage. Cependant, il a t impossible de lier automatiquement les

problmes du forage aux fluides, vu la complexit des problmes lis aux argiles.

Depuis les annes 1990, les contraintes environnementales et les restrictions gouvernementales

limitant l'utilisation des produits toxiques et non biodgradables , un intrt particulier a t apport

de nouveaux types de fluides.

I.1.3 Composition des diffrents types

Historiquement, les fluides de forage ont volu d'un simple mlange d'eau et d'argile appel

"boue " vers des systmes de plus en plus complexes composs d'eau ou huile avec une

multitude d'additifs rpondant aux caractristiques requises et aux problmes rencontrs. Les

fluides de forage sont des fluides complexes classs en fonction de la nature de leurs c onstituants

de base. Traditionnellement, les fluides de forage ont t classs en trois catgories selon le fluide

de base utilis dans leur prparation : lair, leau ou lhuile (Ryan et Chillingar, 1996).

Les proprits exiges des boues de forage sont multiples et peuvent parfois mme trecontradictoires.

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Les boues doivent par exemple tre trs visqueuses pour assurer la remonte des dblais, mais la

viscosit ne doit pas tre trop leve afin de limiter les pertes de charge dues lcoulement et

afin d'viter la fracturation de la formation. De nombreux composants multifonctions sont donc

ajouts la boue pour lui confrer les proprits dsires. Il est possible de classer grossirement

ces composants en 20 catgories (Economides et al., 1988, Tabl

eau I.1).

Tableau I.1: Principaux additifs utiliss dans les fluides de forage

1 Contrleurs dalcalinit 11 Lubrifiants

2 Bactricides 12 Dcoinants (ou dgrippants)

3 Anti-calcium 13 Inhibiteurs de gonflement des argiles

4 Inhibiteurs de corrosion 14 Produits facilitant la sparation

5 Anti-mousses 15 Stabilisants haute temprature

6 Agents moussants 16 Dfloculants

7 Emulsifiants 17 Viscosifiants

8 Rducteurs de filtrat 18 Alourdissants

9 Floculants 19 Saumure

10 Colmatants 20 Huile minrale ou organique

I.1.3.1 Les fluides base deau

Ces fluides sont souvent dsigns par "Water -Based Muds" ou WBM. Ils sont dans la plupart

des cas constitus par des suspensions de bentonites dans l 'eau (30 60 g/L) dont les

caractristiques rhologiques et de filtration sont souvent ajustes par des polymres. La nature

des lectrolytes et leur concentration dans les formulations de boues leau sont choisies en

prenant en compte les caractristiques de la formation (activit de leau des formations argileuses,

dissolution des formations salines).

Parmi les additifs on peut trouver i) des viscosifiants: argiles naturelles (souvent des bentonites),

polymres synthtiques ou biopolymres; ii) des rducteurs de filtratservant consolider le cake

de filtration pour limiter linvasion par le fluide: amidons, carboxymthylcelluloses ou CMC,celluloses polyanioniques (PAC), ou rsines; iii) des inhibiteursde gonflementet de dispersion

des argiles: KCl, glycrol, silicates ou divers polymres comme le polyacrylamide partiellement

hydrolys (PHPA), les polyalkylneglycols (PAG); iv) des agents alourdissantscomme la barytine

("barite" ou sulfate de baryum BaSO4) et la calcite (carbonate de calcium CaCO 3) qui sont les plus

utiliss pour assurer la boue une densit convenable. On note aussi lutilisation de l'hmatite

(Fe2O3) ou de la galne (PbS). La calcite est souvent recommande pour le forage de la phase

rservoir cause de sa solubilit dans l'acide et de son utilisation selon une granulomtrie variab le

pour rduire les problmes de pertes et d'endommagement; et enfin v)des colmatants, additifs

plutt exotiques comme des granuleux (coquilles de noix), des fibreux (fibres de bois, canne

sucre), et des lamellaires (coquilles dhutres, crales) (Herz

haft, 2001; Peysson, 2004).

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I.1.3.2 Les fluides base dhuile

L'origine de l'utilisation de l'huile dans les fluides de forage remonte aux premiers forages

effectus Oklahoma City (1934-

1937) au cours desquels on a constat une amlioration des

performances de forage aprs ajout de l'huile brute (Lummus et al.

, 1953).

Les fluides base d'huile sont des fluides dont la phase continue est une huile minrale (ptrole

brut, fuel, gazole, ) et la phase disperse est de l'eau.

Par dfinition les fluides de

forage base d'huile contenant plus de 5% d'eau sont appels boues

de forage en mulsion invers ; avec moins de 5% deau, on a les boues l'huile (IDF, 1988).Ces

fluides sont souvent dsigns par "Oil-Based Muds" ou OBM.

La phase continue la plus utilise jusqu ces dernires annes tait le gazole, mais actuellement

la lgislation relative la protection de lenvironnement impose lutilisation dhuiles minrales ou

"synthtiques", ne contenant plus de composs aromatiques. Des agents mulsifiants et

mouillants sont alors utiliss pour favoriser la stabilit de l'mulsion.

Les proprits rhologiques (thixotropie) de cette mulsion sont ajustes par l'addition d'agentsviscosifiants, gnralement des argiles organophiles. Les formulations peuvent cont enir galement

des agents rducteurs de filtrat (composs asphaltniques et polymres) et d'autres additifs

spciaux. Il faut signaler qu'aujourd'hui la plupart des travaux de recherche portent sur

l'amlioration des boues inverses synthtiques, vu leurs avantages conomiques et

environnementaux, comparativement aux fluides classiques base de gazole.

I.1.3.3 Les fluides de forage gazeux

Ce sont des fluides dont la phase continue est du gaz mlang avec de leau en proportionsvariables provenant de la formation traverse (invitablement) ou ajoute intentionnellement. Le

gaz peut tre de lair ou du gaz naturel, et peut appartenir une mousse ou un brouillard. Citons

brivement les fluides gazeux utiliss:

Forage lair

Lair est le fluide de forage qui possde la plus basse densit et le prix de revient le moins

lev, mais le forage lair qui a commenc en 1940, devient difficile lors de venues importantes

deau. Il apporte une solution des problmes compliqus parfois impossibles rsoudre avec les

mthodes de forage la boue conventionnelle. Il est recommand dans le cas des pertes totales

rptes de la boue lors de la circulation ainsi que dans le forage des couches productrices sous

faible pr

ession. En Algrie, les premiers forages l'air ont t raliss entre 1954 et 1960 dans la

rgion de Tebessa sur les puits Djebel Foua, Djebel Onk (Abid, 1995) suite aux pertes

importantes rencontres dans la rgion (S.N.Repal, 1961).

D'autres forages ont t raliss en 1970 Djebel Lazreg. D'une faon gnrale, le forage l'air a

rduit le cot du forage de 50 60% par rapport au forage la boue dans le bassin (Hannachi,

1972).

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Forage la mousse

Les mousses sont des dispersions dun volume de gaz (relativement) important dans un

volume de liquide relativement faible. Elles sont utilises comme fluides de forage lorsque les

terrains traverss sont fracturs, ou lorsque le forage lair est impossible parce que la pression

ncessaire ne peut tre fournie sur le chantier.

Lavantage du forage la mousse se rsume par sa faible pression hydrostatique au fond et par

son excellent pouvoir de remonte des dblais moins que la mousse ne refroidisse pas

convenablement les terrains traverss ainsi que le train de sonde et ne contrle pas la tenue des

parois du puits (pas de cake).

Des problmes de scurit au sujet de l'utilisation de la mousse en rservoir sont signaler,

notamment des explosions dans le cas o le volume d'hydrocarbures gazeux e

st compris entre 3

et 10% par rapport l'air. Cest le cas en 1992, du puits RB-

13 en Algrie, o lors d'une opration

de reprise de puits (de "work-over") avec une boue la mousse pour viter les pertes decirculation, une explosion s'est produite suite une contamination de la boue par une venue

d'huile ou de gaz (Abid, 1995).

Forage la boue are

Le forage la boue are est utilis afin dviter les pertes de circulation et pour avoir un fluide

de forage plus lger. Les avantages sont une bonne tenue des parois grce un cake contrl,

une tendance aux pertes de circulation fortement rduite et une vitesse davancement plus grande,

une assez bonne capacit de refroidissement des terrains traverss et du train de sonde, moinsque la stabilit de la boue are ne soit lie une circulation effective des fluides.

I.1.4 Proprits des fluides de forage

Tout comme la formulation des boues, le contrle et la caractrisation des boues de forage

sont raliss selon des normes prcises dites par lAPI (API 13A, 2004). Les tests relatifs

l'tude des caractristiques des fluides de forage sont gnralement bass sur quatre paramtres:

densit, viscosit, filtratet ractivit(Ryan et Chillingar, 1996).

Certaines mesures sont ralises systmatiquement sur tous les forages (viscosit, densit,

filtration) et dautres en fonction des besoins (taux de gaz, alcalinit). A partir des mesures

ralises et des connaissances acquises, on ajuste si ncessaire la composition de la boue en

"temps rel" en ajoutant certains produits ou en reformulant la boue.

Historiquement, face aux problmes majeurs rencontrs dans les premiers forages, la

densit est le premier paramtre fondamental pour la caractrisation des fluides de forage.

I.1.4.1 Densit

La densit est un paramtre important des boues de forage. Elle doit tre suffisamment

leve pour contrebalancer la pression exerce par les venues deau, dhuile et de gaz et parconsquent les ruptions.

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Cependant elle ne doit pas dpasser la limite de rsistance des parois du puits (formations

traverses) pour ne pas les fracturer et ne pas risquer une perte de boue au cours de la

circulation. Pour l'alourdissement de la boue, la barite (BaSO 4

) a t utilise ds 1922 (Stroud,

1925).

La pression exerce par la boue sur les parois du puits, est donne par lexpression suivante

(Garcia et Parigot, 1968):

10

.dhP c (I.1)

avec P: Pression de la formation (kgf/cm2), hc: Profondeur de la couche traverse (m) et d: Densit

de la boue.

A cause de cette pression de contre-balancement en conditions normales de forage, une diffusion

du fluide dans les milieux poreux est possible. Pour diminuer autant que possible cet te invasion,

un produit de filtration, de faible paisseur, appel cake, est form sur les parois du trou for. Ce

cake doit tre de permabilit faible et doit tre facilement enlev avant la cimentation (Peysson,

2004).

I.1.4.2 Rhologie : Importance de la rhologie pour la rsolution des problmes de forage

Une littrature assez dveloppe existe au sujet du comportement rhologique des fluides de

forage. Les fluides de forage sont souvent des suspensions collodales qui ont un comportement

complexe et variable suivant leur composition et les conditions dutilisation (Garcia et Parigot,1968; Forage Rotary, 1972).Ce sont le plus souvent des fluides non-newtoniens, visqueux ou

viscolastiques, ventuellement thixotropes (Nguyen, 1993).De nombreux modles rhologiques

ont t proposs et traits dans l'industrie ptrolire, par plusieurs auteurs (

Prandtl, 1928;

Philippoff, 1935; Eyring, 1936; Sisko, 1958; Cross, 1965; Sutterby, 1966; Ellis et al

., 1967;

Taylor et Smalling, 1973; Robertson et Stiff, 19

76; Graves et Collins, 1978; Lauzon et Reid,

1979; Gavignet et Wick, 1987; Hemphill et al., 1993 ; Bailey et al., 1996; Al-

Zharani, 1997).

Lobjectif principal des tudes rhologiques est de caractriser et de quantifier les effets des

interactions entre particules sur les proprits macroscopiques de suspensions (Buscall et White,

1974). Les hauts polymres possdent la capacit daugmenter fortement la viscosit du fluide

dans lequel ils sont dissous mme trs faible concentration.

Suivant la composition des fluides, les courbes d'coulement des fluides de forage peuvent tre de

plusieurs types dont et les plus usuels sont le modle le plus simple de Bingham et le modle en

loi de puissance (Parigot, 1968). Selon Versan Kok et Alikaya (2004) le modle en loi de

puissance dcrit bien le comportement des systmes de fluides KCl/polymres.

Selon Tschirley (1983)la majorit des fluides de forage obit aux modles de Bingham (Lauzon

et Reid, 1979), d'Ostwald-de Waele, de loi de puissance (Lauzon et Reid, 1979) ou bien deRobertson-Stiff (modle pseudoplastique seuil) (Robertson et Stiff, 1976).

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Les boues de forage, souvent dcrites comme des fluides rhofuidifiants et thixotropes seuil ,ont

une structure interne susceptible de se modifier selon les conditions dcoulement et/ou de

cisaillement, et pouvant mener des phnomnes non homognes au sein du matriau. Dans leur

travail de caractrisation des fluides de forage par Imagerie Rsonance Magntique (IRM)

Coussot et al., (2004) ont montr quau-dessus dun gradient de vitesse critique, les fluides

prsentent un comportement rhofluidifiant avec seuil dcoulement apparent, et qu'au -dessous de

ce gradient critique, on observe un comportement visqueux simple sans seuil dcoulement.

Lutilisation de lIRM montre quen fait, au-dessous de ce gradient critique, un coulement stable

nest pas possible, la dformation se localise dans une zone dont la dimension peut dpendre de

la taille des lments constitutifs. Le comportement rhologique apparent ob serv lors des

mesures rhologiques conventionnelles est donc la signature de cette zone cisaille et ne

reprsente pas le comportement du matriau dans son ensemble.

Du point de vue quipement, plusieurs travaux (Bingham, 1916; de Waele, 1923; Farrow etLowe, 1923; Ostwald, 1925) ont tabli des modles d'coulement des fluides de forage en

utilisant des viscosimtres rotatifs spcifiques. LAPI recommande lutilisation du viscosimtre

Fann 35 A. Dans le cas des forages profonds, lchec de la prvision des proprits des fluides

par simulation numrique est d une mauvaise connaissance de la variation des proprits des

fluides en fonction de la temprature (Beirute, 1991). Face cette situation, la technologie des

fluides de forage a t aussi suivie par un dveloppement important doutils dvaluation et de

contrle. Dans le cas des forages profonds haute temprature, on note la commercialisation de

viscosimtres travaillant sous haute pression et haute temprature (Fann 50 C).Les caractristiques les plus utilises et recommandes par l'API sont la viscosit, la contrainte

seuil et la thixotropie.

La viscosit

La viscosit dpend avant tout de la teneur en solides contenue dans la boue et de la

prsence des polymres. Une augmentation de viscosit ne pourra donc tre combattue que par

llimination de solides. D'un point de vue pratique, on dfinit deux types de viscosit (exprimes

en cP) : une viscosit apparente (VA) et une viscosit plastique (VP) souvent lie la taille des

particules, et leur forme.

VA = L600

/ 2 (I.2)

VP = L600 L300

(I.3)

o L600et L300

reprsentent respectivement les lectures 600 et 300 tr/mn sur le rhomtre fann

35.

Le rhomtre utilis est de type Couette (cylindres concentriques rotatifs). Cest la classe de

rhomtres la plus frquemment utilise o la substance tudie est emprisonne entre deux

cylindres de rvolution, coaxiaux, de rayons distants de quelques mm. Le mouvement laminaire de

cisaillement est obtenu en communiquant lun des cylindres un mouvement de rotation uniformede vitesse angulaire , lautre cylindre demeurant immobile.

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La substance se dcompose en couches cylindriques coaxiales, animes de vitesses angulaires

diffrentes, variant continment de 0 (pour la couche en contact avec le cylindre fixe) (pour la

couche en contact avec le cylindre mobile). Par suite du mouvement relatif des couches les unes

par rapport aux autres, il apparat en tout point de lchantillon une vitesse de cisaillement et une

contrainte de cisaillement.

Sur chantier, les outils disponibles pour contrler la rhologie de la boue sont de deux types. Le

premier est le viscosimtre Marsh, outil encore trs largement utilis, le deuxime est un

rhomtre Fann 35, ralisant une mesure de contrainte p

our 2 ou 6 valeurs du cisaillement selon

les appareils.

Dautre part, la circulation dans le puits impose des valeurs leves de pression et de temprature,

il est donc ncessaire de mesurer ou de prvoir la rhologie des fluides aux hautes tempratures

et pressions ainsi que la tenue des additifs soumis ces conditions (Nguyen, 1993). Do

limportance de lutilisation de rhomtres travaillant haute pression et haute temprature, typeFann70 (20000 Psi/500 F) et d'appareils de filtration, type Dynamic Filtration System: Fann Model

90 (2500 Psi/500 F).

La contrainte seuil

Les solides prsents dans la boue de forage influencent un paramtre autre que la viscosit

plastique, qui est la contrainte seuil (exprime en Pa ou en lb/100 ft

2 ), plus connue sous le nom de

"yield value" ou "yield point".

YP= L300 VP = (VA -

VP).2 (I.4)

La contrainte seuil reprsente la rsistance initiale vaincre, pour que le fluide scoule. Cette

rsistance est due aux forces lectrostatiques attractives localises la surface des particules.

Cest une mesure dynamique.

La contrainte seuil dpend du type des solides prsents et de leurs charges de surface

respectives, de la concentration de ces solides, et du type et de la concentration des autres ions

ou sels ventuellement prsents.

Gels et thixotropie

Une boue de forage laisse au repos difie progressivement une structure qui augmente sa

rigidit et qui peut tre rduite par agitation. On appelle thixotropie le fait que ce phnomne soit

non instantan et rversible.

Le caractre thixotrope dune boue est valu en mesurant le "gel 0" et le "gel 10". Le gel 0

reprsente la rsistance du gel aussitt aprs agitation de la boue. Ils sont mesurs laide du

viscosimtre Fann35 une vitesse de 3 tr/mi

n et exprim en lb/100ft2

. Le gel 10 reprsente la

rsistance du gel aprs un repos de la boue de 10 minutes.

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Le gel 0 varie pratiquement comme la viscosit plastique et le gel 10 comme la contrainte seuil

avec cependant, pour ce dernier, une sensibilit particulire au traitement chimique.

La connaissance des proprits rhologiques est dune grande importance pour la rsolution des

problmes de forage et permet de recommander et de prvoir le comportement des fluides au

cours du forage. Il faut souvent arriver un compromis entre les caractristiques des fluides. Une

viscosit maximale amliore la mise en suspension des dblais et rduit linfiltration et lrosion,

tandis qu'une faible viscosit facilite le pompage du fluide, amliore la lubrification e t rduit les

pertes de charges, acclrant ainsi lavancement du forage. De plus, une valeur importante de

contrainte seuil permet le bon nettoyage du trou et la mise en suspension des solides.

Dans le cas des puits fortement dvis ou horizontaux, les "cuttings" se dposent plus

rapidement que dans les puits verticaux, par consquent, ils saccumulent, formant un lit qui atteint

un tat stationnaire. Ce dpt de cuttings engendre des problmes de couple ("torque") surtout

lors des manuvres de remonte sans rotation ou circulation. Diverses solutions sont possiblestelles que i) une augmentation de la vitesse annulaire, celle -ci doit tre maintenue aussi leve

que possible dans les puits fortement dvis, mais le rgime dcoulement doit tre laminaire pour

une inclinaison infrieure 45.

Lpaisseur du lit de cuttings crot avec linclinaison du puits jusqu atteindre un tat stationnaire.

Nanmoins, il dcrot lorsque le dbit augmente. Au del dun certain dbit critique, lpaisseur du

lit de cuttings est pratiquement nulle; ii) une augmentation de la densit de la boue, celle -ci

entrane la

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