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La presente invention concerne un perfectionnement
aux procédés de fracturation des parois d'un sondage, ce
perfectionnement pe~mettant de conserver toute l'efficacit~ de
ces procédés dans les couches situées à grande profondeur
(cette profondeur pouvant dépasser 4 000 mètres).
D'une mani~re plus précise, l'invention concerne un
procédé de soutènement de fractures, créées dans les parois
d'un puits traversant des formations géologiques.
Comme on sait, la stimulation par fracturation des
couches géologiques entourant un sondage est effectuée en
fracturant les parois du puits, par exemple par injection
d'un fluide hydraulique sous pression au niveau de la forma-
tion à stimuler, puis en injectant par pompage dans les fractures
un fluide contenant des grains solides appelés "agents de -
soutènement".
Le rôle de ces agents de soutènement est fondamental, ~ ;
puisqu'ils servent à maintenir ouverte chaque fracture ainsi
créée. En effet, après arrêt de l'injection du fluide sous
pression ayant produit la fracturation, si l'on utilise par
exemple le procédé de fracturation hydraulique, le fluide
contenu dans la fracture filtre dans les parois de celle-ci
et les contraintes g~ostatique se reportent 5ur l'agent de
soutènement.
; Plus precisement, si ~ est la contrainte "totale"
exercée par le9 roche8, 9i p est la pre99ion du ~luide dans la
racture et dans ces roches, l'agent de sQut~nement e9t soumis
à la contrainte dite "effective" ~ - p).
Dans les puit9 pro~onds, et particulièrement lorsque
la couche géologique a beaucoup produit, c'est à dire lorsque ~ :
la pression p est faible, la contrainte ef~ective atteint des
valeurs d'au moins 400 bars et pouvant même, dans certains
ca9, depasser 700 bars.
~ '
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Les agents de soutènement qui ont été le plus
utilisés jusqu'~ présent sont, par ordre d'importance croissante:
les fragments de coquilles de noix, les billes de verre "haute
résistance", des sables de granulométrie donnée.
La résistance mécanique des coquilles de noix est
très insuffisante pour les c~ntraintes citées plus haut. De
plus, les propriétés mécaniques de ce matériau évoluent
défavorablement en fonction du temps, à cause de son altérab
té dans les conditions de température et de salinité du fond.
La tenue des sables et des billes de verre peut être
jugée à l'aide d'expériences effectuées par certains labora-
toires spécialisés.
Dans de tels essais, dont la figure 1 représente
un schéma dè principe, la fracture est simulée par deux faces
planes 1 et 2 disposées parallèlement à une distance h~ égale
à l'épai9seur initiale de fracture avant que la contrainte
effective (Cr- p) ne s'applique.
Dans cette fracture, on dispose l'agent de soutène-
ment 3. Par des moyens appropriés, les deux faces planes "
exercent sur cet agent de soutènement une contrainte O - p
variable à volonté. Pour des valeurs de ~ - p qui interessent
.
l'exp~rimentateur, on fait circuler dan9 la fracture un fluide `
4 de vl9co9ité connue. On me9ure ainsi la perméabilité k de
la fracture et ~a conductivité kh, h étant l'epaisseur de la
fracture.
Portant la conductivite kh en fonction de la contrainte
e~ective ~ - p) on obtient de9 diagramme9 tels que ceux qui
sont porté9 sur la figure 2 (voir ci-apr~s).
On e9time que, Compte tenu de l'~paisseur de couche ;
intére99ée par une fracturation hydraulique et de la perméabi-
lité habituelle d'une telle couche, il importe pour que la
~timulation de cette couche soit réussie, que le rapport
2 - ;
.~ . .
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conductivité de fracture
CndUctivité de formation sOlt au moins égal à 6.
La conductivité est, rappelons le, le produit kh de
l'épaisseur h (en mètres) de la fracture par sa perméabilité k :
k = -~V / ~
où ~ est la viscosité du fluide s'écoulant dans la fracture,
V sa vitesse d'écoulement et d~ le gradient de pression dans
la direction d'écoulement. L'unité usuelle de perméabilité
est le darcy.
Une conductivité de 0,5 darcymètre est effectivement
obtenue, et même largement dépassée si l'on utilise des billes
d'acier comme agent de soutènement.
Toutefois, l'injection de billes d'acier présente
plusieurs inconvénients importants. ~-
Tout d'abord, leur densité élevée oblige à mettre au `
premier rang des paramètres opératoires, la portance du fluide
de fracturation. Pratiquement, il faut utiliser un fluide de
tr~s haute viscosit~.
En outre, dans la technologie habituelle, le fluide
de fracturation et les billes sont injectés à l'aide de
pompes à clapet9. Dans le cas de matériaux très résistants,
tel9 que l'acier, l'usure des clapets serait tr~s rapide et
les co~t~ op~ratoires pro`hlbitifs. Cette usure est bien moins
importante dan9 le ca9 de bille~ de vérre ou de sable moins
r~oi8tant8.
Une technologie plu~ avanc~e consi9te à injecter
le8 bille8 d'acier dan9 le fluide de fracturation en aval des
pompe8. Toutefois, cette technologie entraine une grande
complication de l'appareillage et elle est, par suite, peu
; employ~e.
Toutes ces raisons font que l'injection de billes ~`
d'acier se pratique très peu et que le procédé qui est, de -~
loin, le pluq employé actuellement, est l'injection de sable, ;~
_ 3 _
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de préférence ~ l'injection de billes de verre.
Cependant, dans le cas considéré de puits très
profonds où les agents de soutènement sont soumis ~ des pressions
de plus de 400 bars et qui peuvent atteindre, ou même dépasser
700 bars, le sable et les billes de verre ne peuvent convenir
car ils se réduisent en poudre et n'assurent pas une bonne
' conductivité de fracture.
Le sable, même disposé initialement sous grande
épaisseur (10 à 15 mm) conduit, dès que la contrainte dépasse
500 bars, à des conductivités de fractures médiocres. ~
Les billes de verre sont fragiles en raison de leur `
absence de déformabilité. Ces billes ont entre elles des ~ -
contacts ponctuels et aux profondeurs très élevées considérées,
elles sont soumises a de fortes contraintes en ces points
de contact ce qui produit leur pulvérisation, réduisant ainsi
fortement la conductivité des fractures.
L'objet de l'invention est par suite de proposer
un agent de soutènement qui permette d'obtenir de très bonne
conductivité des fractures, même à grande profondeur, en
presentant une résistance mécanique ~ l'écrasement qui soit
suffisante 90u~ une granulometrie adaptée au pro~lème à traiter,
et dont la mise en oeuvre 90it facile, pouvant être effectuee
avec de9 appareillage9 cla9sique9.
Selon l'invention, on utlli~e un agent de soutènement
de9 fracture9 constitue d'un produit fabri~ue 90us forme
granulaire, renfermant de l'oxyde de æirconium cristallisé et
un liant mineral amorphe et plus particulièrement de billes
en matière c~xami~ue formées par fusion, mises 50us forme de
billes et solidification d'une charge de départ comprenant
e9sentiellement, 9Ur la base des oxydes, ju5qu'à 85% en poids
"~ d'oxyde de zirconium ZrO~, de la silice SiO2 dans une propor- .
tion telle que le rapport pond(;ral Zr2 soit Aup~rieur ou
SiO
,:
- 4 - ,~
;,', .
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;
égal à 1,5, éventuellement de l'alumine A1203 dans une propor-
Al O
tion telle que le rapport pondéral SiO 3 soit compris entre O
et 1,5 et éventuellement de 1'oxyde de sodium Na20 dan~ une
Na20
proportion telle que le rapport pondéral SiO soit compris
entre O et 0,04.
Un agent de soutènement, ayant des propriétés mécani-
ques exceptionnellement bien adaptées au problème considéré
est obtenu lorsque la charge de départ contient, en outre,
au moins l'un des oxydes additionnels MgO et CaO dans des
proportions telles que le rapport pondéral SiO soit compris
entre O et 1 et le rapport pondéral Cio soit compris entre
O et 1,45.
En g~néral, la teneur en ZrO2 sera d'au moins 25 %
environ.
On a trouvé, de fa~on inattendue, que la présence
d'au moins un des oxydes additionnels MgO et CaO améliore
notablement les propriétés des billes à base de zircone, de
silice et éventuellement d'alumine par rapport aux billes
ne contenant pa~ de tels oxydes additionnels.
La fabrication de9 billes de l'invention ne pr~sente
pa9 de difficultés particulières. On peut ~ondre la c~ar~e de
d~part formée de9 oxyde9 indique9 ou de précurseurs de ceux-ci ``
dan~ un four electrlque ou autre dispo9itif de fusion bien
~ : .
connu de l'homme de l'art. Pour mettre la matière fondue 90u9
forme de bille9, on peut di9per9er par 90uf~1age (par exemple
d'air ou de vapeur d'eau) un filet de matière fondue en une
multitude de particule9 qui, par 9uite de la vi9co9ité et de
là ten~ion 9uperficielle, prennent la ~orm~ sphérique. Des .;~ ;
proc~de9 de ce genre 90nt couramment utilisés pour la ~abrica-
~ 30 tion de9 billes de verre du commerce ~voir par exemple le brevet
-~ dea Etat9-Uni9 d'Am~rique N 3 499 745). Des billes d'un
diam~tre de quelques dixièmes de mm à 4 mm environ peuvent atre
_ 5 _ ;
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ainsi produites.
Après refroidissement, les particules sph~riques ou
billes de l'invention sont formées de cristaux arrondis non
imbriqués de zircone enrobés dans une matière vitreu~e formée
par la silice et les oxydes MgO, CaO, A1203 et Na20 présents.
Les billes de l'invention sont substantiellement
pleines (exemptes de cavités centrales et de microfissures) -
et très résistantes à l'abrasion et à l'écrasement du fait des -
duretés des phases constituantes (zircone et verre de silice
amélioré par les additions) et de l'excellente cohésion apportée ~ -
par le verre qui "mouille" parfaitement les cristaux de zircone.
De plus, le produit préconisé peut être employé sans
difficulté dans la gamme de granulométrie allant de 10 ~ 40
mesh (norme ASTM), c'est-à-dire de 2 à 0,42 mm, intéressante
pour le soutènement des fractures, ce~ chi~fres ne constituant
d'ailleurs pas des limites. `
Il pourra être avantageux d'adapter la teneur en
oxyde de zirconium cristallisé à la dureté des formations
géologiques dont on e~fectue le soutènement, cette teneur
étant d'autant plus élevée que la dureté de ces formation9
; est plus grande.
Le matériau préconisé selon l'invention présente,
~; par rapport aux billes de verre la propriété inattendue de se
~racturer, sous les très fortes contraintes r~gnant aux grandes
~; profondeur9, en él~ments grossiers qui maintiennent une bonne
perm~abilite de ~racture, alors que le9 billes de ~erre ~e
r~duisent en poudre dans le9 mêmes conditions comme indiqué
ci-de98u9.
,
Cependant, grâce à la composition particulière ci-
~;30 de89u9 indiquee, il est po99ible d'obtenir un agent de soutène- '~
ment dont la rési9tance à l~écrasement est optimale et qui est ~ -
ainsi parfaitement adaptée à supporter les contraintes les plus ~`
.~ , . ,
- 6 -
. :., .. , , , , , . ;
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sév~res rencontrées lors du soutènement de fractures à grande
profondeur.
Cette résistance optimale à l'écrasement e~t démontr~e
par les essais suivants:
Tests de résistance à l'écrasement
Pour chaque composition de billes, 20 billes sont
sélectionnées pour leur sphéricité et sont soumises une à,une
à un test d'écrasement entre les deux pistons d'une presse.
Pour que la comparaison soit possible, le test est toujours
opéré sur des billes de même diamètre, soit 2mm. La résistance -
à l'écrasement E est la moyenne des valeurs obtenues.
Dans les comptes-rendus d'essais qui vont suivre,
tous les pourcentages sont en poids.
1. Billes formées de SiO2 et de ZrO2 seuls:
Résistance à l'écrasement
Le tableau suivant donne les valeurs de la résistance
à l'écrasement E pour diverses teneurs en SiO2 avec
10 %~' SiO2 ~ 50% , ' .,
Si2~ % E
- ~` '` "
40 kg~bille de 2mm de diamètre
60 kg~bille de 2mm de diamètre
65 kg/bille de 2mm de diamètre
80 kg/bille de 2mm de diamètre , ;
.
90 kg/bille de 2mm de diamètre
60 kg/bille de 2mm de diamètre ~;
La rési9tance à l'écra9ement e9t donc bonne pour , "',`~
'` SiO2 ~ 15 %. ~ ~','""
Les meilleures resistances à l'écrasement sont , ' `
obtenue9 dan9 l'intervalle 30 % ~ SiO2 ~ 40 %. ' ~,
Les compositions pour lesquelles '
30 % < SiO2 ~40 % '~
_ 7 - '`'~
''~ ' :,
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60 % ~Zro2 ~70 % (avec Zr2 allant de 1,5 à 2,33)
sont les plus intéressantes par:
- leur facilité de fabrication,
- leur compacité et l'abscence de microfissures,
- la résistance ~ l'écrasement.
Il est intéressant de noter que toutes ces composi-
tions peuvent être obtenues à partir du sable de zircon natural
(SiO2 . ZrO2) titrant environ ZrO2 = 66 %, SiO2 = 33 % (+
impuretés). L 'utilisation du sable de zircon co~me matière
première pour la fabrication des billes utilisées comme agent
de soutènement selon l'invention est très intéressante du
point de vue économique.
2. Effets des oxvdes facultatifs et des oxydes additionnels
dans la composition du_matériau utilisé comme aaent de
soutènement selon l'invention:
L'effet des oxydes facultatifs et des oxydes addi-
tionnels a été étudié sur une composition de base constituée
zro2
d'environ 33 % de SiO2 et d'environ 66 % de Zr2 (SiO = 2),
c'est-à-dire le sable de zircon naturel, pour la raison que
ce dernier est la matière première fournissant la zircone la
plus économique. Les proportions d'oxydes facultati~s et des
oxyde9 additionnels sont indiquées sous forme du rapport
pond~ral~
oxvde facultq~lf ioOu oxvde additionnel
Les proportion~ d'oxydes ~acultatifs ou additionnels
~90uJ forme du rapport pondéral oxYde facultatif ou additionnel)
indlqu~ea dans le cas du sable de zircon sont egalement valables
pour les autres compositions, car ces oxydes modifient seulement
la nature de la matière vitreuse. ;`
a) Influence des oxvdes alcalins
L'addition d'alcalins n'améliore pas les caractéristi- ;-
ques des billes. Les r~sistances a l'écrasement et aux chocs
- 8 - ` `
.~ .
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:
dim1nuent et deviennent inacceptables pour un rapport
~ 2
pondéral SiO ~ 0.2.
b) Influence de A1203
On a considéré la plage ~SiO 3 <2,7.
L'aspect extérieur des billes est très bon pour ,,
toutes ces compositions. Sur face polie, on ne note aucune
tendance nette à la retassure résiduelle ni aux fentes.
L'analyse aux rayons X montre que la seule phase
cristallisée est la zircone monoclinique. Mais, pour -
Al O
2 3 ,> 1,5
sio2
les raies de la mullite apparaissent. ',
Résistance à l'écrasement
Elle croît très rapidement et atteint 100 kg pour une
faible addition d'alumine correspondant au rapport SiO 3 = 0,1
pour rester ensuite à peu pr~s constante jusqu'à
12 3
SiO = 0,6. Elle diminue ensuite lentement, tout en restant
supérieure à 80 kg jusqu'à S10 3 = 1. ``
Elle decroît au-de9sus pour devenir inférieure à 60 kg ~
23 `` .
pour SiO2 = 1,5. ' ~,
Les meilleures caractéristique9 sont obtenues pour
~: 0, 1 ~
C) Influence de,MaO ~"~
Dans toUte la plage ~ SaiO ~ 1,86, on obtient
de~ b~lle8 r~gulière9 de bel aspect ext~rieur. ~, '"
PouX SiO ~ 1, le9 examens sur faces polies montrent
que les billes 80n,t pleine9, sans fentes et à texture très fine. ~
Par analyse aux rayons X, on trouve la zircone ' ~;
monoclinique comme pha9e principale avec un peu de zircone ~`,
cubique. '` '
- ;
~ 9~
- : ` ' ~ .
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,":
Le silicate de magnésie est amorphe.
Pour ~ 1, une cavité de retassure centrale
apparait et son importance augmente avec le rapport Mai
Il semble que l'on puisse lier de défaut à la forma-
tion de forstérite (2 MgO. SiO2) précipitant à haute tempéra-
ture. En effet, ce composé a pu être mis en évidence par
analyse radiocristallographique et sa concentration semble
liée à l'importance de la retassure.
Résistance à L'écrasement
La résistance ~ l'écrasement augmente avec le rapport
pondéral sai Elle passe par un maximum pour MqO = 0,4,
puis diminue.
Pour SiO ~ 0,77, E > 80 kg/bille de 2mm de diamètre,
(c'est-à-dire supérieure à la résistance à l'écrasement des
billes en zircon sans addition).
Pour MiaO ~ 1, cette caractéristiaue devient in- ~ ;
admissible (E < 60 kg/bille de 2mm de diamètre).
En conclusion, une addition de MgO aux mélanges
SiO2 - ZrO2. améliore les caractéristiques des billes pour
~ 2 ~
Les caractéri8tique9 les meilleures sont obtenues
pour ~ voi9in de 0,4 :
E a 145 kg/bille de 2mm de diam~tre.
d~ Influence d _CaQ
Dan8 toute la plage ~SiaO ~ 1,90, on obtient des
bille~ r~guli~re9 et de bel aspect extérieur.
Des examens sur sections polies montrent que les
; bllle9 90nt ~leine9, san9 fente9 et à fine cristallisation
de zircone ~u8qu'à CsiO = 1,5.
~`30 ~ Au-des8us de cette valeur, des cavités de retassure
commencent ~ apparaître et 9'amplifient lorsque ce rapport
` augmente. `
-:
10- , ~
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. .
Les analyses aux rayons x rév~lent que l'apparition
; de ce défaut correspond à la présence de CaO . ZrO2 et de
silicates cristallisés.
Ces observations sont confirmées par l'étude des
caractéristiques des billes obtenues.
Résistance à l'écrasement
Elle augmente avec le rapport SiO pour passer par
un maximum (120 kg/bille) pour SCia = ,82. Elle diminue
ensuite et devient inadmissible ( ~ 60 kg) pour Csi = 1,45.
Pour SiO ~ 1,21, E > 80 kg (résistance des billes ;
en zircon sans addition). ;
Les meilleures caractéristiques sont obtenues pour
un rapport pondéral Csi f~ 0,82 :
E = 120 kg/bille de 2mm de diam~tre.
Les additions des oxydes A1203, MgO, CaO au sable de
zircon (33% de ZrO2 - 66 % de zircone) entraînent une augmenta-
tion de la proportion de la matrice vitreuse liante qui reste
la phase la moins dure des billes. Malgré cela la résistance
à l'écrasement est très nettement améliorée. Ceci résulte de~;~
l'amélioration des caractéristiques m~caniques des matrices
vitreuses ainsi ~ormées.
De meme, des compositions ~ plus forte teneur en
zircone liée par les meilleure~ matrices vitreu9e9 r~velées
dans l'~tude précédente auront des caract~ristiques très
am~lioree9. On donne ci-après quelques exemples de co~positions
à haute teneur en zircone modifiées par des oxydes additionnels
pouvant être de9 billes utilisées comme agents de soutènement
selon l'invention, avec leurs résistances à l'écrasement.
Zr2 = 79 % en poids ~ ;
Composition A ( SiO2 ~ 15 % en poids E = 150
( MbO = 6 % en poids
~ - lOa -
~: ,~ . ! , . ; . . \ .; . . .
~ '
~;
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. .
( Zr2 = 76 % en poids
Composition B ( SiO2 = 12 % en poids E = 130
( CaO = 12 % en poids
( Zr2 = 74 % en poids
Composition C ( SiO2 = 7 % en poids E = 150
( A1203 = 10 ~ en poid9
., ~`' , , :
~ '
~; ~: ~, , . '' ''
. ~ ~
,~
~ lOb - ~ `
;
.. ,,, ,. . , ... ~, ~ , . . . ... .
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L'amélioration des caractéri~tiques m~caniques assurée par
l'adjonction de l'un des oxydes A1203, MgO et CaO subsiste 9i l'on
ajoute à la phase vitreuse plusieurs de ces oxydes simultanément, une
partie du CaO ou du MgO des diverses compositions considér~es cl-de6sus
pouvant ~tre remplacée par du MgO ou du CaO respectivement.
Des essais comparatifs avec du sable du Texas et les billes
utilisées selon l'invention, de même granulométrie (10 - 20 mesh Norme ASlM),: .
c'est-à-dire de 2 à 0,~.4 mm, ont été effectuées dans les conditions illus-
tr~es par la figure 1. ..~ -
o Sur la figure 2,,on peut voir les résultats obtenus avec des . :
billes utilis~es ~.elon l'invention, en partant d'une épaisseur initiale
de fracture ho=6mm (courbe 1), en partant d'une épaisseur initiale de
fracture ho=lomm (courbe 2).
.,
Sur la même figure, on peut voir les résultats obtenus avec
le sable du Texas, de même granulométrie pour une épaisseur initiale
de fracture ho= lOmm. (courbe 3).
La supériorité de l'agent de soutènement selon l'invention
e~.t évidente. Pour 700 bars de contralnte par exemplel leur cc.nductivité ~:
.. ...
k,h est, selon l'épaissèur ho initiale, 2, 3 ou 4 darcym~.tres tandis qu'elle :
n'est que de O,I darcym.ètre pour le sahle. Par ailleurs la conductivite ~ :des billes utillsées selon l'lnventlon est, tout au plus, divisée par un ..
facteur de l'ordre de deu.x lorsque la contralnte effective passe de 50 à
700 bar8~ alorr- que, dans les mêmes conditions, elle est divls~.e par un .~facteur qui depa8se 10, dans le cas tu rable du lexas, `:.
~`- 2S l.'in3e.ctlon de8 bille8 util-sées selon l'lnventlon peut ! : -
êtro faito avec les mame8 fluide9 qul 8ervent ~ inJecte.r le sable, En
effe.t, la denslte. de8 bllle.o n'est que de 3,9 contre 7,8 pour des bllles ` -
d ' e.clor,
- Le~ billo8 utllis~.es selon l'invention presentant en massif
'30 de quelques m.illlm~.tre8 t'e.pais8eur, de8 propriét~.s de sout~nement qui
vol81nent celle8 de l'acier, peuvent être, à cause te leur densite qui e~.t '.` :: :
~; enViron deux Eois plu8 faible que celle de l'acier, in~,ectee~s sous des con~
- centratlons volumique.8 deux foi8 plu8 élevee~, ce qui èst tras favorable au ~ 5
soutanement te la plus 8rande surface possible te fracture. La qualite. . `.
~- ~ 3~: du materiau permet, en revanche, de l'utiliser à des concentràtions . .
volumique8 au plus egales à celles du 9able dont la densite est plus
faiblo,
~ , 11 .'
9 ,-,., ,: ,
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Par ailleurs, l'agent de soutènement préconis~ selon l'in-
vention présente par rapport aux billes d'acier l'avantage de ne pas
endommager les clapets des pompes d'in~ection et peut dont être in~ecté
en utilisant les matériels habituels, à la différence des billes d'acier
Cet ensemble de propriétés fait de l'agent de soutènement
- selon l'invention un matériau exactement adapté au soutènement des fractures
crééeq par fracturation hydraulique à grande profondeur.
~j
Il sera bien entendu possible, sans sortir du cadre de :~
l'invention, d'utiliser en plus de l'agent de soutènement précOnisé, ~:i lo d'autres agents de soutènement pouvant 2tre de types classiques, tels que ~ :
ceux indiqués dans l'introduction, l'injection des différents types d'agents
de soutènement dans le puits étant alors effectuée soit simultanément, soit
successivement.
Il pourra également être avantageux dans certains cas : :
t'in~ecter successivement au moins deux granulométries diff~rentes de
l'agent de soutènement selon l'invention, 'a granulométrie la plus '.'
iorte étant, par exemple, injectée en dernier, dans le but de maintenir ..
ouvertes les levres des froctures,
.
' ~
~` :
::
-:
12 ~ :
. .
~ . :
