Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
7~
La présente invention porte sur un procédé de
récupération des fluides utilisés dans la technique du forage
du sol, elle s'applique particulièrement à la recherche des
hydrocarbures, c'est-à-dire pétrole ou gaz naturel. L'inven-
tion vise les forages où il n'y a ni venues d'eau de formation
dans le puits, ni adjonction d'agents alourdissants pour
élever sensiblement la densité de la boue en circulation;
elle s'applique aux nombreux cas où l'on cherche à avoir une
densité de boue aussi faible que possibleO
Il est bien connu que pour le forage d'une couche
géologique donnée, on injecte dans le puits de forage une
solution ou suspension aqueuse d'un agent approprié conduisant
à une densité, une viscosité et une composition chimique du
milieu bien déterminées, convenant le mieux au travail dans
cette couche géologique. Des agen-ts très employés à l'heure
actuelle sont notamment la bentonite, l'huile, les lignosulfo-
; nates et les biopolymères, c'est--à-dixe des polysaccharides.
Au cours du forage, ce fluide se charge des matériaux du sol
et forme une boue, dont les viscosité, densité et composition
varient au fur et à mesure de la circulation de cette boue.
Ainsi la viscosité, la densité et la concentration en matières
minérales augmentent constamment et un moment arrive où ces
propriétés ne conviennent plus au travail : on est alors
obligé d'évacuer au moins une partie de la boue et de la
remplacer par du fluide neuf. Cependant, ce renouvellement
; exige une séparation préalable des solides dispersés dans la
boue, ce qui est réalisé au moyen de tamis, de dessableurs et
de dispositifs d'élimination du limon. Le liquide, insuffi-
samment séparé des solides, présente généralement une densité
très élevée, ce qui conduit à l'addition d'une forte quantité
de fluide frais, pour le diluer convenablement. Or, cette
dilution présente des inconvénients sérieux : le fluide de
~'
:
~7~27~
~orage, renfermant les agents spéciaux mentionnés plus haut,
est relativement coûteux, sa forte consommation conduit donc
à un prix de revient élevé , d'autre part, en diluant on
augmente le volume de boue, il faut donc en rejeter fréquemment
; d'assez grandes quantités, car la capacité du bac de stockage
est forcément limitée, cela impose le traitement ultérieur
d'une grande quantité d'effluents et la remise en état difficile
des bourbiers de forage.
La présente invention apporte une amélioration
sensible à l'état des choses dans les forages du sol elle
permet de récupérer une grande partie du fluide mis en jeu
et de réduire considérablement la quantité du fluide frais
à introduire dans le puits. En outre, elle rend possible le
rejet des matériaux solides dispersés dans la boue de forage,
sans nécessiter des traitements compliqués pour remise en
état des bourbiers. Elle est aussi utile pour les forages
en terre ferme qu'en mer, parce qu'elle évite les frais élevés
de transport des boues usées, ainsi que la pollution par
rejet de ces boues dans la mer.
-~ 20 Le nouveau procédé suivant l'invention consiste
soumettre les boues de forage à la centrifugation, dans des
conditions telles que la densité de l'effluent léger, c'est-a-
dire celui de la région axiale de la centrifugeuse, soit
comprise entre celle de la boue traitée et celLe du fluide
de forage initial, non encore chargé de matériaux du sol.
La présente invention résulte de la constatation
que les éléments du sol foré, particulièrement responsables
des modifications désavantageuses des propriétés rhéologiques
de la boue, à savoir particules de dimensions inférieures à
environ 100 microns, très insuffisamment éliminées par les
hydrocyclones utilisés dans cette technique, peuvent être
séparées a un degré beaucoup plus poussé par la centrifugation
-- 2 --
~7~
mécanique. En effet, si l'on examine la granulométrie des
matières qui peuvent être séparées par les différen-ts appareils
classiques, à partir des boues de forage, on trouve les
résulta~s suivants :
tamis vibrants ..... ...... jusque vers 175 microns
dessableurs (cyclones~.... 150 "
et partiellement 80 "
hydrocyclones "deslimoneurs"
(connus sous le teme anglais de
"desiltors")........... jusque vers 100 microns
et partiellement 30 "
Pratiquement, à partir des dimensions d'environ 50 microns, et
surtout de 30,u et en dessous, les particules du sol, notamment
celles qui viennent des couches argileuses, ne sont plus
éliminées par les appareils courants dans la technique pétro-
lière. Or, comme mentionné plus haut, ces appareils laissent,
après la séparation de solides, une boue, dont la densité et
la viscosité dépassent vite celles qui seraient encore compati-
bles avec la réutilisation de cette boue.
D'après la constatation ayant conduit à la présente
invention, d'une boue trop dense, riche en particules fines au-
d~ssous de 100 microns, surtout à environ 50 microns et moins,
il est possible d'extraire, par centrifugation, au moins la
majeure partie de particules en suspension, et récupérer un
effluent léger presqu'identique ou peu différent du fluide
frais de forage, chose impossible avec les appareils usuels
mentionnés plus haut. Selon le type de centrifugeuse employée,
et suivant les conditions de son fonctionnement, même des
particules de 20 jusqu'à environ 2 microns peuvent être
éliminées , par contre, les fines particules d'environ 2
microns et au-dessous restent pratiquement toutes dans le
liquide centrifugé, et cela présente un avantage marqué, parce
-- 3 --
~)7427~
que ce sont elles justement qui constituent les élémen-ts utiles
du fluide de forage.
La centrifugation fut utilisée, jusqu'à présent,
pour récupérer des agents d'alourdissement, notamment du sulfate
de baryum, à partir de boues de forage devenues trop denses et
trop visqueuses ; on économisait ainsi ces agents qui etaient
recyclés ensuite avec du fluide frais, mais le liquide, séparé
par la centrifugeuse, ne pouvait pas être réutilisé, on
devait le rejeter et, avec lui, les autres additifs qu'il
contenait, assez coûteux d'ailleurs.
Par contre, dans le passé, on n'a pas appliqué la
centrifugation aux boues relativement légères, ne contenant
pas d'agent d'alourdissement ; c'est qu'on n'avait pas réalisé
le rôle des particules fines, exposé plus haut , sans doute
aussi le traitement des forts tonnages de boues, qu'impliquent
en général les forages, par le moyen assez coûteux qu'est la
centrifugation, paraissait-il prohibitif.
Le mérite de la présen1:e invention réside justement
en ce que la centrifugation est appliquée spécifiquement à
des boues ne contenant plus que des particules fines, en
majeure partie non séparables par les moyens usuels. En outre,
des conditions opératoires telles sont prévues, que ce moyen,
apparemment cher, devient parfaitement économique dans son
application aux boues de forage.
Suivant un premier trait de l'invention, lorsqu'une
boue de forage, formée à partir d'un fluide initial de densité
D, a atteint une concentration en particules dispersées telle
qu'elle devient impropre à la poursuite du forage, on la soumet
à un ou plusieurs traitements connus, de fa~on à en éliminer
les particules de dimensions dépassant environ 100 microns ,
ensuite, la boue de densité D', ainsi "dessablée" est soumise
à une centrifugation réglée de manière que lleffluent centripète
-- 4 --
1~79~27~
de la centrifugeuse présente une densité DC comprise entre D
et D~0,5 (D'-D), après quoi cet effluent est réintroduit dans
le puits en cours de forage.
De préférence, le réglage de la centrifugation est
conduit de façon à fournir un effluent léger de densité de D
à D+0,33(D'-D). Autrement dit, dans la forme préférée de
l'invention, on tolère - pour l'effluent léger ~ récupérer -
au maximum une densité égale à celle du fluide de forage frais
(D) au~mentée d'un tiers de l'écart entre celle-ci et celle
de la boue impropre à la réutilisation (D'), ne renfermant
plus que des particules de dimensions inférieure à environ
100 microns.
S'il s'agit de petits forages, où le débit horaire
de boue ne dépasse pas environ 25 m3, les opérations décrites
plus haut peuvent être appliquées à la totalité de la boue
circulant dans le puits pendant le forage. Cependant, dans
la majorité des cas, où les débits dépassent de beaucoup cette
valeur, la présente invention permet encore d'appliquer utile-
ment et économiquement la centrifugation des boues , dans ces
cas, on centrifuge une partie seulement de la boue dessablée
(D') et l'effluent léger, obtenu, est mélangé au restant de
cette boue, ce qui fait abaisser la densité D' de celle-ci
à une valeur inférieure D" comprise entre D' et D.
Dans cette forme d'exécution de l'invention, la
proportion de boue impropre (D'), soumise à la centrifugation,
est calculée de fa~on à ce que le mélange résultant (densité
D") de boue restante avec l'effluent léger, cen-tripète, soit
suffisamment pauvre en particules solides, pour convenir
au forage. Suivant les cas, la fraction de boue dessablée,
soumise à la centrifugation, peut ne constituer que 1/20 à
1/5 du débit total de cette boue, mais tout de même abaisser
la densité de celle-ci au point de la rendre apte au forage.
~7~
La forme d'exécution de l'invention, dans laquelle
une fraction seulement de la boue dessablée est soumise à la
centrifugation, se prête remarquablement au travail en continu.
Dans ce mode opératoire, la boue, au fur et à mesure qu'elle
sort du puits, est continuellement traitée à la manière connue
en soi, pour éliminer les particules solides dépassant environ
100 microns , une fraction de l'effluent, ainsi "dessablé"
est soumise ~ la centrifugation , le liquide centripète de
celle-ci est réuni au restant de cet effluent qui se trouve
par là dilué, donc allégé, et le mélange liquide est pompé
en continu dans l'outil de forage. On arrive de cette facon,
à établir un régim~ stable, dans lequel le puits est continuel-
lement alimenté avec une boue de densité constante pendant
les opérations de forage. Les paramètres du procédé sont,
bien entendu, réglés de telle manière que cette boue présente
les propriétés physiques requises , la boue qui remonte
conserve également les caractéristiques fixées.
Etant donné qu'il est difficile de parler de propri-
étés physiques, notamment des densité et viscosité, d'un
milieu aussi grossièrement hétérogène qu'est une boue de forage
à la sortie du puits, ces propriétés sont déterminées, dans
le cadre de la présente invention, après la séparation de
grains et particules dépassant environ 100 microns, c'est-à-
dire sur ce qui est appelé "boue dessablée" au cours de la
présente description.
Le dessin annexé représente schématiquement la dispo-
sition d'un système suivant l'invention.
Sur le schéma . 1 désigne le puits, 2 l'arbre creux
de l'outil de forage, 3 la canalisation comprenant une pompe
non représentée, pour la sortie de la boue du puits 1. En ~,
se trouvent des appareils classiques pour la séparation des
solides dispersés dans la boue : ce sont généralement des
~7~27~ `
tamis vibrants suivis d'un ou de plusieurs cyclones, connus
dans l'art sous le nom de dessableurs , l'ensemble 4 peut
éventuellement comprendre un séparateur plus fin, du type
connu sous le terme anglais "desiltor", capable d'éliminer
la majeure partie des particules de 100 microns et environ
la moitié de celles qui dépassent 30 ,u, cependant, ces derniers
appareils ne sont plus indispensables, parce que la centrifu-
geuse 6 effectue le même travail jusqu'à environ,10 à 20,u.
Les solides, ou boues lourdes, séparés dans l'ensemble
4, sont évacués par 10, tandis que la boue dessablée, ne
renfermant en général plus de particules au-dessus de lOO,u,
est récupérée par la conduite 5, cette dernière se divise en
deux branches, Sa et 5b; 5a communique avec la canalisation
de recyclage 9, qui conduit la boue dessablée dans le système
d'aspiration pour le recyclage dans l'outil de forage 2, tandis
que 5b amène une fraction de cette boue à la centrifugeuse 6
une vanne appropriée dans la branche 5b, non repérée, permet
de régler le débit de boue à soumettre à la centrifugation.
Les solides, séparés par la force centrifuge en 6,
sont rejetés en 7, tandis que le liquide centripète, c'est-à-
dire une boue fortement allégée, passe par la tuyauterie 8,
pour se mélanger avec la boue lourde en une boue mixte dans
la canalisation de retour 9.
Comme plus haut, on désigne par D' la densité de
la boue dessablée, sortant par 5 de l'ensemble 4 ; Dc est la
densité de l'effluent léger, centripète, qui vient de la
centrifugeuse 6 par 8 , la densité de la boue mixte, formée
par la dilution de la boue D ~ avec de l'effluent léger Dc,
est désignée par D~o Puisque la critière le plus pratique de
la quantité d'une boue de forage est la densité de celle-ci,
le réglage du système suivant l'invention est effectué sur
la base des densités des boues en présence.
-- 7 --
~(~7~;27~
Le procédé continu, suivant l'invention, est
conduit de préférence de telle sorte que la boue dessablée
ne soit pas encore à sa limite critique d'utilisation :
autrement dit, la densité D' reste inférieure à la densité
limite à partir de laquelle le forage serait défectueux.
On règle alors le débit des boues de densité Dc, pour que la
densité D" du mélange, réintroduit dans le puits (canalisation
9 sur le schéma), soit suffisarnment basse et permette de
retrouver sensiblement la même densité D', après que ce
mélange, s'étant chargé de matériaux de forage du sol, a été
à son tour dessablé dans l'ensemble des appareils 4.
Ainsi est réalisé un fonctionnement à densité D'
constante, ou approximativement constante, fort économique,
parce que entraînant très peu de pertes de fluide et faisant
débiter à la centrifugeuse seulement une faible fraction du
flux total des boues.
Le volume X (d'effluent léger Dc) nécessaire à
l'obtention de 100 volumes de boue mixte D", par mélange avec
100-X volumes de boue dessablée D', peut être calculé à partir
de l'équation classique de dilution, qul donne :
X = lOO(D'--D"):(D'--DC)
Comme l'invention s'applique tout particulièrement
aux forages avec des boues dont les densités ne dépassent pas
1,25 et les viscosités ~30 cp, on base l'exemple suivant sur
une marche continue avec une boue dont la densité en régime
est inférieure à cette valeur.
Un forage est effectué avec du fluide bentonitique
dont la densité initiale D est de 1,03. La densité limite,
DL, à partir de laquelle le fonctionnement devient défectueux,
est 1,22, mesurée bien entendu sur boue dessablée.
A une densité D', intermédiaire entre D et DL, de 1,12 les
propriétés rhëologiques de la boue sont encore très bonnes
.
~Q~79L2~7~
on fixe donc D' à cette valeur.
L'avancement du forage et le débit de boue, partant la
concentration en solides charriés par ces boues, sont tels
qu'on doit abaisserla densité de la boue dessablée de 1,12 à
1,11 pour pouvoir la réutiliser, c'est-à-dire la réintroduire
par 9 (voir schéma) et retrouver la valeur de 1,12 à la sortie
de l'ensemble 4. .
D'autre part, comme on verra plus loin, dans l'exemple 3,
il est possible d'alléger la boue dessablée de 1,12 de densité
(D') à 1,05 (Dc) par une centrifugation économique , la condi-
tion suivant l'invention, Dc=D à 0,33 (D'-D), est ainsi pleine-
ment satisfaite, puisque
1,05 = 0,118(1,12-1,03),
le coefficient 0,118 étant bien compris entre 0 et 0,33.
Ainsi, le forage fonctionne avec les densités :
D' = 1,12
Dc 1,05
D" = 1,11
Dans,ces conditions, le volume X d'effluent centripète Dc
mélanger à la boue dessablée D', pour obtenir 100 volumes de
boue recyclée D", est de
X = lOO(D'-D''):(D'-Dc)
= 100 x 0,01 : 0,07 = 14,3.
` Ainsi suffit-il de 14,3% de boue centrifugée, pour pouvoir
faire fonctionner le traitement de la boue en continu, avec
une densité constante de 1~12 à la sortie des séparateurs 4.
La bentonite de départ reste en majeure partie dans la boue en
circulation, ses pertes étan-t réduites à la petite proportion
de cet agent, retenue par les solides éliminés en 7 et en 10.
Il est intéressant de noter, à propos de l'exemple
donné ci-dessus, qu'il a suffi d'une faible correction de la
densité (D'-D"=0,01), pour assurer un fonctionnement parfait
~7~7~
du forage, à densité constante : sans le traitement suivant
l'invention, la densité augmenterait de 0,01 par cycle de 3
heures, et on arriverait ainsi, en peu de temps, à l'obliga-
tion d'éliminer une partie de la boue et de diluer le restant
avec du fluide de forage frais.
La centrifugation constituant une phase primordiale
dans le procédé de l'invention, il est important de la conduire
de facon à ce qu'elle ne laisse pratiquement plus de particules
dépassant 20 microns dans l'effluent centripète , pour cela,
la force centrifuge appliquée doit être en général d'au moins
1 300 g pour les boues de densité inférieure à 1,25 , elle
est de préférence de 1 500 g à 2 500 g suivant la nature de
la boue traitée et le modèle de l'appareil utilisés.
Les deux principaux facteurs, sur lesquels on agit
pour obtenir la densité voulue de l'effluent léger (centripète)
sont la force centrifuge ou la vitesse de rotation et le débit
à l'entrée de la centrifugeuse. Ainsi, par exemple, au cours
d'un essai pilote, dans un cas particulier de boue bentonitique,
présentant une densité de 1,12, centrifugée à 3 500 t/mn, avec
une force centrifuge de 1 800 g, on recueille un liquide
centripète de densité 1,05, lorsque la centrifugeuse est
-alimentée à raison de 1 070 l/h, tandis que la densité monte
- à 1,063, si l'on augmente l'alimentation à 1 150 l/h. On
voit donc qu'il convient de bien contrôler les deux facteurs
en question, pour obtenir la densité voulue.
La réalisation de ]a centrifugation,est illustrée
par les exemples non limitatifs 1 à 5, qui suivent, tandis que
les exemples 6 et 7 montrent la différence des résultats entre
l'action d'une centrifugeuse et celle d'un hydrocyclone
puissant.
EXEMPLE 1
Au cours d'un forage du sol à la recherche du pétrole,
-- 10 -- .
27~
avec du fluide à base de bentonite, en maintenant la densité
de la boue en circulation à la valeur de 1,09, il a fallu
ajouter 40 m3 de fluide frais, après la séparation des solides
dans un dessableur, à la manière classique, au bout de 24 ~
de fonctionnement, l'avancement du forage ayant été de 33 m.
Dans le même forage, effectué dans les mêmes conditions, mais
avec récupération de l'effluent léger au cours d'une centri-
fugation de 12 h (sur les 24 h de fonctionnement total), il a
suffit de 21 m3 seulement de fluide frais pour le même avance-
ment de 33 m.
EXEMPLE 2
Le procédé suivant l'invention est e~périmenté en
essai pilote dans un forage utilisant une boue bentonitique.
Le traitement est effectué au moyen d'une centrifugeuse type
D 26 de la Société Guinard.
Le fluide bentonitique initial, avant son introduction dans le
puits, présente une densité de 1,03. La boue en circulation
est soumise à la centrifugation lorsque sa densité a atteint
1,123 et la centrifugeuse est réglée en vue de l'obtention
d'un effluent léger, de densité 1,05 à 1,06.
Le tableau des résultats, qui suit, montre comment 1~ densité
de cet effluent centripète varie avec la force centrifuge
appliquée.
TABLEAU I
Vitesse Vitesse Débit Densité Siccité du
absolue relative g entrée de l'efflu- sédiment
t/mn t/mn _ l/h ent léqer _ %
46 900 1 070 1,0765 69,5
2500
900 1 070 1,0675 73
3000 18 1 300 1 070 1,059 73,25
3500 20 1 800 1 070 1,052 74
- - --
1 070 1,046 75
4000 24 2 300
1 680 1,051 75,5
_
~7~'7~
On voit que la densité voulue de l'effluent centripète est
atteinte pour des vitesses supérieures à 3 000 t/mn, c'est-~-
dire des forces centrifuges de plus de 1 300 g.
On remarquera que la densité optimale, ainsi obtenue, représente
environ 94% de la densité limite de la boue traitée. Le sédi-
ment séparé présente une bonne siccité et peut être enfoui
directement, sans aucun traitement préalable.
EXEMPLE 3
Des essais pilote, analogues à ceux de l'exemple
précédent, ont été effectués avec une boue obtenue ~ partir
d'un fluide aux biopolymères.
La densité du fluide avant l'utilisation de celui-ci était
de 1,01. La boue est traitée lorsqu'elle a atteint la densité
de 1,075. Voici les résultats obtenus.
TABLEAU II
Vitesse Vitesse Débit Densité Siccité Culot
absolue relative gentrée de l'ef- du sédi- rési-
t/mnt/mn l/hfluent ment % duel sur
centrat
3 000 18 1 3009001,01 74,25
.
900 1,01 74,5 0
3 50020 1 8001 0801,01 74,5 0
4 00024 2 3009001,01 75,4 0
On voit q'une densité de 1,01 de l'effluent léger peut être
atteinte déj~ avec une force centrifuge de 1 300 g.
EXEMPLE 4
Dans une opération de chantier, similaire à celle de
l'exemple 1, on utilise une centrifugeuse dont le bol présente
un diamètre de 33 cm, durant 13 h seulement par jour. Cet
appareil est alimenté directement avec la boue de forage,
sans passage préalable par des "desiltors".
L'effluent léger de la centrifugeuse a une densité de 1,04 ,
Z7~
son recyclage dans la boue en circulation permet de maintenir
la densité de celle-ci à une valeur pratiquement constante de
1,08 à 1,09. Quant à l'effluent lourd, de densité 1,72 à 1,78,
pâteux, il représente seulement 0,2 m3 ~ l'heure, facile à
éliminer.
La centrifugeuse est alimentée à raison de 6 m3 à l'heure;
la force centrifuge est d'environ 1 500 g. (voir Nota bas de la
page 11).
EXEMPLE 5
Dans un essai de chantier, une même boue de forage,
dont la densité variait entre 1,08 et 1,10, était soumise
d'une part à l'action d'un hydrocyclone à cône de 102 mm (du
type dénommé "désiltor") et, d'autre part, à celle d'une
centrifugeuse continue, à bol hor:izontal (Guinard D33, le plus
grand diamètre de 330 mm).
La centrifugeuse fonctionnait à 3 200 t/mn avec une force de
2 100 g- Les résultats suivants ont été observés :
Centrifu- Hydro-
geusecyclone
Densité de la boue avant traitement 1,08-1,10 1,08-1,10
~ " " " après " 1,03-1,04 inchangé
Densité approximative de l'effluent
lourd évacué 1,80 1,15
Rendement (volume déblais/vol.total
évacué) 50% 3,5%
Comme la boue traitée ne renfermait que peu de particules
de plus de 100 microns, l'action de l'hydrocyclone a été
minime ; par con-tre, la centrifugeuse a éliminé une forte
proportion de solides, ne laissant dans la boue que des
particules de moins de 10 microns, et fournissant un fluide
considérablement allégé.
On voit par cette comparaison le rôle nouveau que la centrifuga-
tion joue à la place de l'hydrocyclone.
- 13 -
~L~t79~7~3
EXEMPLE 6
Les deux appareils de l'exemple 5 ont eté utilisés
comparativement au traitement de la meme boue que dans l'exemple
5, au cours d'une phase d'un forage de 311 mm. Voici les
conditions des essais et les résultats obtenus dans les deux
séries de traitement.
Centrifu- Hydro-
qeuse cvclone
Nombre de jours de fonction...... O............. 18
Temps réel en heures~....................... 301 301
Vitesse rotation en t/mn ................... 3 200
Force centrifuge ........................... 2 100 g
Volume de boue traitée à l'heure, en m3. 3,8 200
Volume horaire de boue évacuée en m3O....... 0,226
Quantité totale de solides évacués par
effet centrifuge ............ ~............. 300 82
Volume de déblais (secs)m3 évacués par
effet centrifuge .......................... 34 10
Volume de boue de densité 1,10, perdue-m3 34 291
Quantite totale de solides (secs~ évacués
par effet centrifuge, en tonnes............. 90 25
Dilution avec boue neuve au mètre foré
(y compris avancement)...................... 605 l/m 900 1/m
L'avantage de la centrifugation pour une boue peu dense ressort
clairement de ces résultats~
NOTA concernant l'EXEMPLE 4
Au cours des opérations, il a suffit d'environ 10 m3
d'effluent frais, ajouté à la boue en circulation, au lieu de
40 m3 qu'exigeait le procedé classi~ue, comme on l'a vu dans
l'exemple 1.
- 14 -
