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les bouchons de ciment

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FOR01041

SOMMAIRE

51Objectifs des bouchons

1.1Colmatage de pertes en forage51.2Isolation de zone51.3Abandon51.4Dviation61.5Ancrage d'un packer en trou ouvert62Mthodologie gnrale63Bouchons de ciment pour dviation83.1Caractristiques83.2Causes essentielles des checs83.2.1Contamination du ciment par la boue83.2.2Mauvaises connaissances de la temprature laquelle sera expos le bouchon83.2.3Mauvaise connaissance des paramtres du puits93.3Facteurs considrer pour la russite d'un bouchon de ciment93.3.1Utilisation d'un laitier eau rduite93.3.2Positionnement du bouchon93.3.3Volume du bouchon103.3.4Attente ciment103.4Procdure de mise en place103.5Conclusions114Bouchons de ciment pour colmatage des pertes124.1Types de laitiers pour pertes Mise en place124.1.1Laitiers thixotropes124.1.2Gels ciments134.1.3Laitiers de ciment sans additifs134.1.4Mise en place134.2P.D.O.C. (Plaster Diesel Oil Cement), D.O.C. (Diesel Oil Cement) - Mise en place144.3Exemples de procdures de pose de bouchons pour colmatage de pertes164.3.1Exemple 1164.3.2Exemple 217

1Objectifs des bouchons

Les bouchons de ciment trouvent de nombreuses applications, soit en cours de forage, soit aprs la production d'un puits.

Parmi ces applications nous pouvons citer :

colmatage de pertes,

isolation de zone,

abandon,

dviation,

ancrage d'un packer en trou ouvert.

Ces applications sont trs varies et les proprits recherches dans ces applications sont, elles aussi, trs diverses. La composition, la mise en place et les proprits finales du ciment devront donc tre adaptes au problme rsoudre.

1.1Colmatage de pertes en forage

Pendant le forage, il n'y a plus de retour de boue, et les colmatants ne restaurent pas la circulation. Une seule solution : le bouchon de ciment.

Le laitier pourra lui aussi tre perdu, mais prendra dans la formation et la consolidera. A la mme cte, plusieurs bouchons de ciment peuvent tre ncessaires avant que la circulation ne soit rtablie. Quand c'est le cas, le bouchon peut tre refor et le forage repris.

1.2Isolation de zone

En travaux de reconditionnement si on dsire obturer une formation qui ne produit plus, ou qui s'est transforme en zone eau ou gaz, un bouchon de ciment peut tre pos pour isoler cette zone.

Une autre solution peut tre envisage : le squeeze de ciment ou un obturateur mcanique tel que le bridge plug.

1.3Abandon

Tout puits doit tre bouch et abandonn un jour ou l'autre. On doit toujours effectuer un ou plusieurs bouchons de ciment.

Les puits secs sont bouchs aprs le forage et les tests. Les zones dpltes peuvent tre bouches aprs 15 ans environ de production. Des puits sont abandonns temporairement aprs forage et tests en attendant la compltion et l'installation de l'quipement de production. Les bouchons d'abandon sont les bouchons de ciment les plus frquemment effectus.

1.4Dviation

Si, pendant le forage, des outils ou des tiges sont perdus dans le puits, et si les oprations de repchage ne russissent pas, la seule solution est de poser un bouchon de ciment au-dessus du poisson pour partir en dviation et continuer le forage.

Celui-ci peut tre aussi ncessaire dans les forages dvis intentionnels.

1.5 Ancrage d'un packer en trou ouvert

Dans la plupart des puits verticaux fors terre, un train de test est descendu pour savoir si la zone est productive avant de descendre et de cimenter une colonne de production. Les outils sont normalement au fond du trou afin de pouvoir appliquer du poids pour gonfler le packer qui isolera la zone d'intrt du reste du puits. Cependant, si la zone tester est trop loin du fond ou si la formation est fragile et ne peut supporter le poids des outils, il peut tre ncessaire de poser un bouchon de ciment sous cette zone afin de crer un point d'appui.

Notez qu'il existe des outils pour faire des tests slectifs en trou ouvert et que gnralement la zone est prs du fond. Aussi c'est une des applications les moins frquentes des bouchons de ciment.

2Mthodologie gnrale

La mise en place d'un bouchon de ciment dans un sondage s'opre exactement comme celle d'un bouchon colmatant ou de tout autre fluide destin tre positionn un niveau donn dans le puits.

Le principe consiste placer les tiges nues (ou mieux, des tubings) la cote souhaite pour la base du bouchon.

Afin d'viter la pollution de la boue par le ciment et rciproquement, du ciment par la boue, il est conseill de faire prcder et suivre le laitier d'un tampon et de ne jamais laisser en contact la boue et le laitier.

Ceci implique une procdure particulire (voir figure ci-aprs) o les volumes de dplacement sont dlicats calculer.

Il est noter que le bouchon est prpar et inject puis chass de telle sorte que le niveau du ciment dans l'annulaire tiges-puits soit le mme que celui qu'il occupe l'intrieur des tiges. Dans la pratique, on garde le ciment une dizaine de mtres plus haut l'intrieur des tiges.

Ensuite les tiges sont extraites du bouchon lentement afin de prvenir un mlange boue ciment (la vitesse de remonte conseille est de l'ordre de 20 cm par seconde).

3Bouchons de ciment pour dviation

Ce sont ceux qui sont soumis aux plus fortes contraintes. Certains points mentionns ou certaines rgles nonces pourront tout aussi bien s'appliquer aux autres types de bouchons.

Une tude dtaille, portant sur de nombreux exemples de bouchons, a permis d'en tirer un certain nombre de conclusions dont certaines vont l'encontre de bien des ides reues.

3.1Caractristiques

Un bouchon de ciment, en vue d'une dviation doit avoir certaines proprits spcifiques :

une rsistance mcanique la plus importante possible, et obtenue dans un temps le plus court possible,

le top ciment doit tre situ au niveau d'une zone moins dure, de faon que le trpan ait une chance de quitter le puits initial,

un temps de pompabilit adquat pour la mise en place du laitier, tout en ayant une rsistance initiale la compression leve.

Les conclusions de cette tude ont permis de dterminer les causes les plus courantes d'checs, et par consquent d'noncer un certain nombre de rgles respecter pour russir ce genre d'opration.

3.2Causes essentielles des checs

3.2.1Contamination du ciment par la boue

Lors de la mise en place du laitier, la boue peut contaminer un certain volume de laitier, et le top ciment ne sera ventuellement pas l o on l'esprait, ou au moins n'aura pas la consistance requise pour dbuter la dviation.

Les volumes de laitier ncessaires pour les bouchons tant gnralement assez faibles, toute contamination par la boue peut rduire le volume utile du bouchon dans des proportions importantes.

3.2.2Mauvaises connaissances de la temprature laquelle sera expos le bouchon

Cette mconnaissance ou connaissance insuffisamment prcise peut avoir pour consquences :

soit un temps de prise trop long, d'o une attente ciment trop importante

soit un reforage prmatur, avant que le ciment n'ait atteint une consistance suffisante.

3.2.3Mauvaise connaissance des paramtres du puits

En effet si le diamtre du puits, au niveau du bouchon, est sensiblement plus important que le diamtre nominal, le top ciment, avec un volume mal dtermin peut se situer trs au-dessous de la cote dsire.

Il est donc recommand de contrler le diamtre du puits avant la mise en place du laitier.

3.3Facteurs considrer pour la russite d'un bouchon de ciment

Les rgles observer pour la russite d'un bouchon de ciment sont les suivantes :

3.3.1Utilisation d'un laitier eau rduite

Le laitier utilis pour un bouchon de ciment devra tre dense, mais cette densit leve devra tre obtenue uniquement en rduisant la teneur en eau.

Les seuls additifs utiliser sont :

un fluidifiant de manire faciliter le pompage de ce laitier relativement visqueux.

un retardateur, si ncessaire en fonction de la temprature de fond.

Remarque : Il est reconnu que l'addition de sable augmente la rsistance du ciment long terme, et haute temprature, en vitant la dgradation du ciment.

Mais dans le cas d'un bouchon de ciment, il est ncessaire que le ciment ait une rsistance maximale, le plus rapidement possible, et dans ce cas, le sable a un effet ngatif.

Les essais de laboratoire dmontrent que le sable, que l'on souhaite souvent ajouter au laitier, n'augmente pas mais au contraire diminue la rsistance initiale du ciment !

3.3.2Positionnement du bouchon

Pour augmenter les chances de quitter rapidement le puits original et de commencer dans de bonnes conditions la dviation, il est ncessaire que le top ciment se situe au droit d'une zone peu dure.

La cote du top ciment sera donc dtermine en fonction de la lithologie, et des logs de forage, qui permettent de vrifier la vitesse d'avancement.

3.3.3Volume du bouchon

Le volume de ciment sera calcul partir d'un caliper et de telle sorte que la hauteur minimale de ciment soit environ 100 m, ou plutt une hauteur recommande de 150 m.

3.3.4Attente ciment

La temprature la cte du bouchon tant exactement connue, il est facile de dterminer au laboratoire avec prcision la concentration de retardateur ventuellement ncessaire.

Le temps de pompabilit devra tre : dure de l'opration + 30 min 1 heure.

La mise en place du laitier se faisant par les tiges, le volume de chasse est en gnral peu important, et le temps de la chasse est rduit.

L'attente ciment dtermine au laboratoire, sera telle que le ciment offrira une rsistance la compression :

Minimum : 5000 psi

Recommande : 7000 psi

L'valuation de la duret du ciment par pose du poids sur l'outil de reforage est parfaitement insuffisante dans le cas de bouchons de dviations.

En rgle gnrale, si la temprature laquelle est expos le bouchon de ciment est infrieure 140F on utilisera un ciment classe A (ou C). Au-del de 140F on utilisera du ciment classe G.

3.4Procdure de mise en place

Nous ne reviendrons pas sur les points dj mentionns ci-dessus et qui sont :

composition du laitier,

positionnement du top ciment,

volume du ciment,

temps attente ciment.

Nanmoins, une fois tous ces lments parfaitement connus, un certain nombre de prcautions doivent tre prises, pour que tous les soins mis la prparation de l'opration aboutissent son succs.

En premier lieu, on utilisera en tte du laitier un bouchon laveur ou un bouchon tampon, en fonction de la densit de la boue.

Dans le cas de boue l'huile, on utilisera un tampon spcial pour viter dans tous les cas la contamination du ciment par la boue.

Les volumes tampons en tte et en queue du laitier seront calculs de telle sorte que le bouchon soit en quilibre lors de la remonte des tiges.

Pour une bonne homognit du bouchon, et compte tenu du volume en gnral limit du bouchon, un pr-mixage du ciment est souvent recommand.

3.5Conclusions

Bien que parfois considre comme mineure, la pose d'un bouchon de ciment pour dviation est une opration qui rclame une prparation soigneuse et une excution parfaite.

Les grandes lignes ci-dessous doivent permettre la ralisation de ce type d'opration avec toute chance de succs.

Utiliser un laitier eau rduite.

N'utiliser qu'un minimum d'additifs.

Utiliser les logs de forage ou de lithologie pour choisir le top ciment.

Utiliser un caliper pour dterminer le volume de ciment afin d'avoir un bouchon d'au moins 100 m.

Utiliser un tampon entre boue et ciment de faon viter la contamination de celui-ci.

Dterminer prcisment la temprature la cote du ciment et ajuster la concentration en retardeur en fonction de celle-ci.

Attendre que le bouchon ait une rsistance d'au moins 5000 psi, ou de prfrence 7000 psi.

4Bouchons de ciment pour colmatage des pertes

Pour remdier aux problmes des pertes, le ciment couramment employ reste pratiquement le seul colmatant prise qui soit rellement efficace et assure un rsultat durable. Il ne faut videmment pas l'employer, sauf cas d'urgence, pour le traitement des pertes dans des rservoirs producteurs.

Pour remplir ce rle, le ciment peut tre utilis de deux manires :

soit gch classiquement avec de l'eau (laitiers thixotropes, gels ciments, laitiers avec ciment sans additifs),

soit gch (seul ou en association avec du pltre) en suspension dans l'huile (brute ou raffine) :

ciment associ au pltre dans l'huile Diesel (plaster diesel oil cement, en abrg P.D.O.C.),

ciment dans l'huile Diesel (diesel oil cement, en abrg D.O.C.).

4.1Types de laitiers pour pertes Mise en place

4.1.1Laitiers thixotropes

Leur intrt, pour le traitement des pertes, est li aux gels levs qu'ils dveloppent trs rapidement au repos. La thixotropie peut tre obtenue :

soit en mlangeant sec des additifs au ciment de base,

soit en les ajoutant l'eau de gchage.

La thixotropie optimale est obtenue pour une densit de 1.70. A une densit de 1.90, le pompage devient impossible et pour des densits infrieures 1.70, les gels ne sont plus suffisamment levs.

Si besoin est, les laitiers peuvent tre retards.

Les additifs liquides possdent une meilleure stabilit dans le temps que les additifs solides. Ces derniers, en outre, prsentent l'inconvnient d'immobiliser un silo pour le ciment thixotrope.

Dans tous les cas, le pompage d'un laitier thixotrope devra se faire avec un matriel en parfait tat de fonctionnement et sans arrt prolong en cours d'opration.

4.1.2Gels ciments

L'addition au ciment de bentonite (gnralement prhydrate) ou d'un autre type de retenteur d'eau, permettant d'accrotre le rapport eau/ciment, conduit des laitiers de densit faible mais de viscosit leve. Les pertes de charge qui s'en suivent freinent la pntration dans les fissures.

Il est possible, ventuellement, par l'emploi de microsphres creuses, de prparer des laitiers de densit infrieure 1.4 (exceptionnellement 1.00).

4.1.3Laitiers de ciment sans additifs

Compars aux gels ciments, ils ont des temps de prise plus courts, une densit plus leve, mais une viscosit nettement moins importante, ce qui ne permet pas de les utiliser dans le premier stade du colmatage

4.1.4Mise en place

Il convient de noter que les gels ciments et les laitiers thixotropes ne sont en gnral mis en place dans la perte qu'aprs injection d'un bouchon de boue plus ou moins charge en colmatants classiques (coquilles, fibres de bois, mica, coques de noix...). Ceux-ci sont destins crer une assise au ciment et diminuer le dbit de perte : le colmatage ne peut, en effet, tre ralis par le ciment si le dbit de perte excde 20 m3/h.

Les cotes de pose et les dbits de mise en place dpendent des dbits de pertes mesurs. Le tableau 3.1 donne les ordres de grandeur des valeurs recommander.

Aprs vrification du niveau statique de la perte et du libre passage du fluide en circulation, on descendra les tiges nues quipes d'un tubing, au niveau convenable.

Le remplissage du puits devra tre assur et contrl en permanence. Il faudra maintenir une rotation lente des tiges pendant la mise en place.

Le volume thorique de chasse sera dtermin en admettant que le bouchon se trouve l'quilibre dans un puits n'absorbant pas. L'exprience acquise localement pour le traitement des pertes est videmment trs prcieuse.

En cas d'incompatibilit entre la boue et le laitier, l'utilisation de fluides intermdiaires en tte et en queue du bouchon est imprative.

Tableau : Recommandations sur les cotes de pose et les dbits de mise en place(pour les dcouverts de diamtre ( 8 1/2")

Dbit de perte (m3/h)Cote de poseDbit de mise en place (l/m)

2 5

5 10

10 20Niveau infrieur de la perte

10 m au-dessus du niveau de la perte

20 m au-dessus du niveau de la perte800 1000

600 - 800

500

Pendant la remonte des tiges au-dessus du niveau thorique du bouchon et la circulation directe (ce qui limitera les surpressions dans l'annulaire) pour nettoyage des tiges, on valuera la pntration du mlange en observant le niveau de boue dans le puits ou le volume rcupr dans les bacs. Si le puits reste plein on pourra, ventuellement, fermer les tiges puis accrotre la pression pour favoriser la pntration du bouchon si celle-ci n'a pas t suffisante. On ne dpassera pas toutefois la pression correspondant une densit quivalente suprieure de 0.1 (10 points) la densit de la boue.

4.2P.D.O.C. (Plaster Diesel Oil Cement), D.O.C. (Diesel Oil Cement) - Mise en place

L'utilisation du ciment sous cette forme, pour le traitement des pertes est moins rpandue que la prcdente, car elle est plus dlicate.

Elle consiste, en effet, mettre en place dans la perte, du pltre et du ciment (ou du ciment seul) en suspension dans l'huile et pouvant faire prise rapidement au contact de l'eau de formation, de celle de la boue ou de l'eau injecte au cours de l'opration.

La composition, pour 1 m3 de mlange, est la suivante :

P.D.O.C. : 500 kg de pltre, 500 kg de ciment, 680 l d'huile. La densit est de 1.56.

D.O.C. : 1500 kg de ciment, 522 l d'huile. La densit est de 1.93.

La mise en uvre de ce type de bouchon est toujours dlicate car il est interdit de pomper du gasoil dans les bacs de l'unit de cimentation. Il faut donc prvoir l'utilisation de ciment (et de pltre) en sacs et la prparation du bouchon doit avoir lieu dans un bac d'o il sera repris par les pompes de forage. De plus toutes les installations du systme de fabrication doivent tre parfaitement exemptes d'eau.

Dans tous les cas (boue l'huile ou l'eau), pour viter la formation d'hydrates au cours du pompage, il convient d'isoler le bouchon par 2 tampons d'huile, l'un en tte, l'autre en queue.

Dans le cas de boue l'huile, si la formation ne renferme pas assez d'eau (le ciment pour prendre doit ragir avec le quart de sa masse en eau), il faudra en injecter un volume suffisant (ventuellement sous forme de boue).

La mise en place de ces bouchons se fait de la mme manire que pour les bouchons gchs en eau. De plus si la pntration est juge insuffisante, on pourra forcer la suspension de ciment dans la perte selon la technique de "l'esquiche hsitation" (squeeze hesitation). Le ciment trouvera ainsi un temps suffisant au contact de l'eau pour amorcer son hydratation. Toutefois, l encore, on ne dpassera pas la pression correspondant une densit quivalente suprieure de 0.1 (10 points) la densit de la boue.

Remarque :Le traitement des pertes est une opration dlicate. L'utilisation du ciment ne doit par constituer une source de difficults supplmentaires. Malgr l'utilisation de fluides intermdiaires (spacers) pour se prmunir des contaminations et malgr les tests effectus en laboratoire, un problme est toujours possible. Pour diminuer les risques de difficults, le matriel tubulaire qui doit baigner dans les mlanges contenant du ciment sera reforable (fibre de verre ou aluminium).

Il arrive couramment que toute une srie de bouchons soit ncessaire avant d'obtenir un rsultat. On s'efforcera, dans la mesure du possible, de respecter l'attente pour schage entre chaque opration. Cette attente peut tre rduite par l'emploi d'un acclrateur (chlorure de calcium). Mais son utilisation exige une trs grande prudence : en effet, la prise des chantillons prlevs en surface ne sera que rarement reprsentative de celle du matriau mis en place dans le puits, par suite de son invitable contamination lors de son entre dans la perte par la bentonite ou les polymres des bouchons colmatants formant l'assise.

Dans les cas o la perte ne se situe pas au bas du dcouvert, on peut tre amen mettre en place un bouchon visqueux qui occupera le volume situ entre le fond du puits et le niveau de la zone pertes et empchera le bouchon de ciment de basculer plus bas (surtout en puits dvis).

4.3Exemples de procdures de pose de bouchons pour colmatage de pertes

4.3.1Exemple 1

Pour avoir de bonnes chances de russir un colmatage par bouchon de ciment, il faut runir le maximum de renseignements sur la perte.

a)Au moment de la perte

Mesurer exactement la cadence des pertes diffrents dbits de pompage. Noter en particulier pour quel dbit le puits reste plein, pour quel dbit la circulation est rcupre partiellement, totalement.

b)Modalits de mise en place

Le but atteindre est de faire pntrer le ciment dans la perte et d'en laisser au minimum 20 m dans le puits.

c)Cas d'une perte partielle plus ou moins importante

Descente des tiges nues au toit de la perte.

Pompage normal pour s'assurer que la perte est toujours bien ouverte.

Remonte d'une longueur.

Si le puits n'est pas plein, complter avec de l'eau.

Prparation et pompage de 8 10 m3 de laitier.

Refoulement vitesse suffisamment rduite (pour maintenir le puits plein ou avoir de lgers retours), jusqu' quilibre du ciment intrieur-extrieur des tiges.

Remonter vitesse rduite au-dessus du volume thorique du laitier.

Fermer l'hydril et squeezer tout le volume du ciment moins 1 m3 suivant la vitesse de pntration, procder un squeeze hsitation pour construire un build-up.

Laisser en pression 4 heures.

d)Cas d'une perte totale

Les oprations sont conduites comme prcdemment mais s'il n'y a pas de retour mme en ayant rempli l'eau claire il sera impossible de conduire un squeeze donc : remonte jour, vitesse lente jusqu' tre sorti du bouchon.

Nota : Dans tous les cas de remonte de tiges, remplacer le volume de mtal sorti par le mme volume de boue

4.3.2Exemple 2

a)Modalits de mise en place

Dterminer le niveau hydrostatique au moyen des tiges.

Placer l'outil :

2 ou 3 m du niveau prsum de la perte si celle-ci est comprise entre 3 et 10 m3/H.

environ 10 m au-dessus si elle se situe entre 10 et 30 m3/H.

environ 20 m au-dessus si la perte est totale.

Vrifier par pompage que la perte n'est pas obstrue

Laisser en rotation lente, 20 40 tr/min, le train de tiges en cours d'injection.

Mise en place du bouchon de ciment.

Principe : On ne veut laisser dans le puits que le volume de ciment couvrant la zone pertes avec 10 m de hauteur de scurit.

Figure 1 :Mise en place par pompage en contrlant le volume en retour.

Figure 2 :Chasse l'quilibre, en supposant que le puits n'absorbe pas, on mesure le volume en retour.

Figure 3 :Remonter de 10 mtres au-dessus du top prsum du bouchon, on mesure le remplissage du puits (volume du mtal sorti).

Figure 4 :Le volume rcupr en surface au cours de la chasse t nul, ou partiel, on injecte le volume de boue suppos ncessaire pour avoir 10 mtres de ciment au-dessus du niveau suprieur de la perte. S'il y a retour, on se place dans les conditions de la figure 5.

Figure 5 :Le volume rcupr en surface a t partiel ou total durant l'injection et la chasse, on ferme sur tiges en tte de puits et on force le ciment dans la formation avec une pression maximale d'injection de 15 bar. On injecte le volume ncessaire pour placer la tte du bouchon 10 mtres au-dessus du top prsum de la perte.

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