Les fluides de forage : étude des performances et considérations environnementales

Driling fluids : performance study and environmental considerations

• Auteur / Autrice : Mohamed Khodja
• Direction : Jean-Paul Canselier, Faïza Bergaya
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie chimique et environnement
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets de l'environnement

Surfactants

Boues de forage

Résumé

Lors des forages pétroliers, la traversée des formations argileuses pose des problèmes dont la résolution est étroitement liée à la compréhension des interactions argile - fluide de forage. Vu les imperfections des fluides à base d'eau (WBM) face aux problèmes des argiles, les systèmes de fluides émulsionnés à base d'huile (OBM) ont apporté des améliorations significatives. Cependant, la pollution qu’ils engendrent rend indispensable un traitement des boues usagées. Au cours de ce travail, nous avons voulu confronter le maximum de données de laboratoire à des données effectives de chantier et ce, dans l’espoir d’apporter une contribution à la résolution des problèmes réels. Trois systèmes modèles de fluides du type WBM on été sélectionnés : ils contiennent, en plus des polymères conventionnels (xanthane et cellulose polyanionique), des inhibiteurs de gonflement et de dispersion des argiles (polyacrylamide partiellement hydrolysé, silicates de sodium, polyalkylèneglycols). La comparaison de leurs perfo rmances, grâce à l'utilisation d'une nouvelle méthode basée sur la filtration sur pastilles compactées, a été discutée : - du point de vue macroscopique par l'analyse de leurs caractéristiques rhéologiques et de filtration, le suivi des interactions argile -fluide par l'étude des propriétés électrocinétiques, granulométriques et de rétention des polymères, - et à l'échelle microscopique par diffraction X in -situ (wet cell) et par diffraction de la lumière. Les caractéristiques rhéologiques et de filtration ont été corrélées aux propriétés électrocinétiques et complétées par l'étude des propriétés interfaciales et de mouillage. Le système aux silicates présente les meilleures performances en termes d'inhibition. L'étude de la stabilité des systèmes émulsionnés (OBM) a porté sur l'influence du type et de la concentration des tensioactifs, de la proportion de phase dispersée et de la présence d’autres additifs. La concentration optimale est celle donnant un compromis entre une stabilité électrique acceptable, un p ourcentage d’émulsion élevé et une meilleure résistance à la centrifugation. Le suivi de la variation de la phase émulsionnée, de la stabilité électrique et de la distribution granulométrique a permis de classer les différents émulsifiants. Parallèlement aux mesures rhéologiques, l'analyse des structures formées (émulsion-argile organophile) par diffusion des neutrons aux petits angles (SANS) a permis d'expliquer les mécanismes de stabilisation. Une nouvelle formulation d'émulsifiants, proposée pour un essai sur chantier, a donné des résultats encourageants par rapport aux formulations commerciales. Au niveau du réservoir, l’impact des fluides de forage est appréhendé par l’étude des processus d’endommagement de la roche. Un de nos objectifs était de corrél er les résultats globaux obtenus pour la formulation complète avec l'endommagement induit par les additifs seuls. Les essais réalisés ont montré l'influence de la nature, de la composition chimique, et de la granulométrie des additifs. Vu la complexité des phénomènes mis en jeu, la prévision de l'endommagement par une tentative de modélisation a décelé des liens entre les propriétés des fluides utilisés, les caractéristiques de la roche et l'importance de l'endommagement induit. La filtration statique favor ise la formation du ''cake'' alors que la filtration dynamique contribue à l'invasion du filtrat. Sur le plan environnemental, en plus des pertes de circulation des fluides pendant et après le forage, le bourbier, en tant que collecteur des produits liquide s et solides issus du forage, représente une grande source de pollution et de danger. Le diagnostic des techniques de traitement utilisées a montré des imperfections majeures pouvant induire des nuisances pour la santé humaine, l'écosystème et l'environnement. Le présent travail s’est focalisé sur quelques éléments de réponse à l'équation performance -coûtenvironnement, en proposant un traitement biologique

In petroleum drilling operations, crossing shale formations poses problems whose solutio n is strongly related to the understanding of shale - drilling fluid interactions. Due to the lack of performances of water-based fluids (WBM) faced with shale problems, emulsified oilbased fluids (OBM) afforded significant improvements. However, the main t echnical difficulty lies in the treatment of the pollution generated by these emulsions. The present work 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 and polyanionic cellulose) shale swelling and dispersion inhibitors (partially hydrolyzed polyacrylamide, sodium silicates, polyalkyleneglycols) were added. Thanks to the use of a new compacted pellet-based filtration technique, their performances were discussed: - from the macroscopic point of view, through the analysis of their rheological and filtration characteristics and the consideration of shale-fluid interactions by the study of electrokinetic properties, particle size distribution and polymer retention, - and, on the microscopic scale, by in situ X-ray diffraction (wet cell) and light iffraction. Rheological and filtration parameters were correlated with electrokinetic properties and confirmed by the variations of interfacial and wetting characteristics. The silicate system shows the best inhibition performances. The study of OBM stability concerned the influence of surfactant type and concentration, dispersed phase ratio and other ad ditives. The optimum surfactant concentration is that yielding a compromise between high electrical stability, high emulsion ratio and good resistance to centrifugation. The various emulsifiers were classified according to the variation of emulsion volume, electrical stability and drop size distribution. Parallel to rheological measurements, the analysis of the structures appearing in emulsion - organoclay mixtures by small angle neutron scattering (SANS) allowed to explain the mechanisms of emulsion stabilization. A new emulsifier mixture, proposed for a full-scale field 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 system with the damage generated by individual components. The tests showed the influence of the nature, composition and particle size of additives used in fluids. Due to the complexity of the phenomena involved, an attempt to model and predict damage showed some links between fluid properties, porous medium characteristics and induced damage ratio. Static filtration 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 pollution and danger. The diagnosis of the treatment techniq ues used showed major imperfections able to induce hazards for human health, ecosystems and environment. With the proposal of a biological treatment, the present works approach a solution of performance-costenvironment equation