InfoTech Cimentation APR 02

La Cimentation des Puits

Un Mal Nécessaire ou un Outil dans l’Architecture des Puits:

Evolution de la Technologie

Bernard Piot

Nanterre, 17 Avril 2002

Section Francaise de la SPE BP

La Cimentation des Puits

Un mal nécessaire? – Historique rapide et sélectif

• Les mélangeurs et pompes• Le ciment • Les additifs • Les techniques

Un outil pour la conception des nouveaux puits– Les technologies récentes et émergentes

Le Ciment: Un Mal Nécessaire?

Un peu d’histoire



Mélangeurs et Pompes?



Forages dans les années 1900

Toujours au cable Premier rotary en 1901



Il y a longtemps… la cimentation

Le ciment – Mélange lourd– Prend et durcit

On l’injecte On l’oublie



Une Technologie Centenaire

Les premieres cimentations ~ 1903– Perkins Oil Well Cementing Co,

California– Pelle/bac et bétonnière

Première application d’un éducteur – Invention du Jet Mixer aux USA –

1921 (E. Halliburton)– Mélange “haute pression” – En application jusque dans les

années 1970



Evolution des Pompes

De la pelle/bac et bétonnière Aux premières pompes haute pression

Années 30-40



Puissance et FiabilitéPas de changement significatif dans la conception des unités Multiplication des accessoires

Années 50-60Années 70-80

Années 90



Les Unités Offshore

Simplicité et ergonomie Puissance



Flotte Moderne à Terre

Simplicité, rapidité, agilité, robustesse – Nombreuses opérations

Redondance complète – Opérations lourdes



Opération Simple



Evolution du mélangeur??

Système haute pression toujours utilisé par certains– Densité, débit ???

Alimentation par gravité

BYPASS JETHOPPERHOPPER GOOSENECK

MIXING BOWL

CENTRIFUGE2 JETS

BYPASS JET

SLURRY TUB

PUMPS



Ailleurs dans le monde…

Jet mixer rudimentaire – Alimentation ciment à vis sans fin– Bac à hélice (quelques fois)



Evolutions des Mélangeurs (1)Mélange “Basse-Pression” - années 70 – Plus fort débit

Système à recirculation / jet annulaire - années 80– Meilleure densité– Taille du bac de mélange (1 à 2 m3)– Bacs d’ homogéneisation (4 à 2x8 m3)

TO PUMPS

BYPASS JETHOPPERHOPPER GOOSENECK

MIXING BOWL

RA56

RECIRCULATING LINE 2 JETS

BYPASS JET

SLURRY TUB



Evolutions des Mélangeurs (2)

Systeme de controle de densité (années 90) – Turbine (pratiquement abandonné

aujourd’hui)– Jet plus recirculation (1 ou 2 bacs)

• Densimètre à effet Coriolis (non-radioactif

• Ajustement du débit de ciment (guillotine)



Mélange du ciment: Principe Fonctionnel

Additifs

Cimentvrac

Eau

LaitierDosage etMélange

Homogéneisation / ControlePompagePuits



Le Contrôle du Mélange

SG - 1.0

+LAITIER SG ~ 1.9

CIMENT

SG - 3.2

CONTROLE PAR DENSITÉ

=



Le Ciment



Le Ciment Portland

Matériau hydrauliqueSuspension (pate ou laitier) pour la mise en oeuvreSolide – Costaud – Imperméable

Bon marchéDisponible partout



Histoire du Ciment Pétrolier

Avant notre ère – Argile, Chaux vive

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3

Au début de notre ère– Ciment pozzolanique

1824– Ciment Portland

(matières premières sélectionnées)

1903– Ciment Portland dans les puits

1917 – Ciments “pétroliers”

API créé le 20 Mars 19191940: ASTM types 1 à 51948: API code 32 émis– Devient API RP10B en 52

1952: 6 classes de ciment1953: API Std 10A– API Spec 10A en 72



Les Types de Ciment

Les ciments de construction– Ciment Portland

Ordinaire – API Classes A, B, C

Les ciments retardés – Puits de + en + profonds– Classes D, E, F– Consistomètre pressurisé– Compagnies cimentières– Abandonnés au début 80

Le Ciment Portland brut– Classes G, H – Meilleur contrôle qualité– Meilleure régularité – Plus souple et universel

Le ciment classe J – Remplacé par G + Silice

Le ciment de laitier ~90s– Compatibilité boue



Utilisation du Ciment

USA– 80% classes H et G– 10% classe A, 10% classe C

Reste du Monde (compagnies de services internationales) – ~99% classe G (souvent importé) – Classe A ou C local (préférentiellement ASTM Type V)

• Si logistique le permet• Si qualité bonne et régulière• Si contrôle qualité adéquat



De l’API à l’ISO

API Committee 10ISO TC 67 /SC 3 / WG 2ISO 10426– NF EN ISO 10426-1:2000 (ex API Spec 10A)– ISO DIS 10426-2 (ex API RP 10B)– ISO WD 10426-3 (nouveau – Puits en Eau Profonde)– Autres groupes de travail: Evaluation (logs), Haute

Température…



Les Additifs de Cimentation

Progrès de la chimie du ciment– Les différentes phases– La température

Progrès de l’ industrie chimique– Produits stable en milieu basique, saturé en

calcium – À haute température

Progrès parallèle aux boues de forage



Evolution des Additifs

Lignosulphonates et cellulosiquesSucres et superplastifiants (~ 60s)Polyamine/imine ( ~70s) Latex SB ( ~ 80s) Co/ter-polymères AMPS (~ 80s) – Stabilité température

Biopolymères (~ 90s) – Non gomme de Xanthan

Produits respectueux de l’environnement (~ fin 90s) – Convention OSPAR 1998



Les Techniques de Cimentation

Causes d’ échec identifiées 30-40s

– Canalisation / eccentricité

– Gateau de boue

Déplacement de Boue Turbulent

– Haut Reynolds ~50s

– 10 min de contact ~60s

Technique SloFlo/Plug Flow ~70s

– Fluide à seuil

“Pump as fast as you can”– Chasse à 3-5 m3/min – Vitesse annulaire > 100

m/minRésultats mitigés– Même dans puits verticaux



Déplacement de Boue

Fluides tampon – Evolution des boues – Tests de compatibilité API

Etudes de déplacement– Fluide à seuil ~fin 60s– Rapport de mobilité

/vitesse différentielle ~70s– Résultats contradictoires– Pas toujours concluant sur

le terrain

Puits complexes – Puits fortement déviés – Puits horizontaux– Puits à long déport

Effet de l’ Eccentration– Modelisation ~ fin 80s– Turbulent / règles E.L.F. – Emphase sur la rhéologie– Oublie compatibilité !!!

Concept Erodabilité / PDGM– Boue polymère



Evaluation des Cimentations

Diagraphies sonores– CBL ~60s– CBL compensé (CBT)

~80sDiagraphies ultrasonores– 8 capteurs (CET) ~80s– 1 capteur tournant (USIT)

~90s– Cartographie du casing et

du ciment dans l’annulaire

Limites des diagraphies– Résistance et Impédance ~80s – Microannulaire

• Retrait du ciment• Autres

– Perte d’isolation ????• Microdebonding ~90 s

Empreinte de la Cimentation– Comparaison des Pressions– Indication de problème pendant

la cimentation– Equilibre de Masse?



Succès des Cimentations???

Isolation des zones ??Ancrage du tube (support axial) Protection contre corrosion et érosion ??Support des parois du trou ??Succès rarement complet– Boue– Trou– Architecture du Puits– Cimentation– ….

Hole

Casing

Cement

gas zone

oil zone



Défauts dans la Gaine de Ciment

Microannulaire ciment/formation

Eccentration totale Ciment tres leger Canaux de gaz

Microannulaire casing/ciment

Canal boue/eau libre contact formation

Canal boue contact casing

Percolation gaz



Défauts d’Isolation Ultérieurs

Augmentation de T ou P – Rupture en tension – Rupture en compression

Forage, surforage, fenêtre, réparation– Rupture aux chocs

Diminution P ou T– Microannulaires

rock

cement

casing

P,T

rockcement

casing

rock

cement

casing

P,T



Annulaires Sous-Pression

Etude récente du MMS – 11 500 annulaires dans 8 000 puits de OCS

(sur 36 000 puits) fuient officiellement– Impose nouvelle tête de puits sous-marine

Canada– 60% des annulaires fuient

Abandon des puits et des champs ????

Le Ciment: Un Outil dans l’Architecture des Puits

Les Nouveaux Développements

Advanced Cement Technology

Changer la Matrice pour une Meilleure Isolation des Couches



Réservoirs Vieillissants et Déplétés

Les champs actuels – Complétion à des pressions de réservoir

plus faibles– Injection de vapeur, stimulation– Réparations– Bouchages et abandon



Réservoirs Vieillissants et Déplétés

Exploration et Nouveaux Développements – Isolation sous pression et température plus

hautes– Marge très faibles entre pression de pore et de

fracturation– Forage en eau de plus en plus profonde et des

températures de plus en plus froides



Le Ciment Auparavant

Un mal nécessaire? Oublie aussitôt pompé



Aujourd’hui, les Besoins

Faible perméabilité et haute résistance à la dégradation Bonne résistance à la compression Meilleures propriétés du laitierRésistance aux contraintes Résistance aux chocs

Quelle que soit la densité



Le ciment: la plus ancienne technologie dans la cimentation

Propriétés controllées par la quantité d’eauPlus d’ eau – Densité plus basse– Résistance plus faible– Flexibilité légèrement

améliorée– Perméabilité plus

importante

Besoins contradictoires et opposésMoins d’eau – Densité plus haute– Résistance plus

grande– Perméabilité plus

faible



Le Problème est la Matrice

Matériau unique à fonction unique de taille unique, transporté et modifié par l’ eau de gachageLe ciment– Propriétés du solide

L’eau– Propriétés du liquide




Construire un matériau plus performantL’eau pour le transportDifférents solides – Taille controllée– Classe de taille

Nature et Comportement des solides – Propriétés du laitier – Propriétés du matériau durci



Historique de Advanced Cement Technology

1990 1995 2000 2005

1993Advanced Cement

Technologydevelopment

begins

1989foam characterizationSPE 19935

1997LiteCRETEreleasedSPE 53283

2001Next generation

ACT slurriesSPE 59132



ACT Redéfinit la Performance du Laitier

Propriétés du laitier améliorées Résistances plus importantes Perméabilités plus faiblesA toute densité

CemCRETE

LiteCRETE

DensCRETE

DeepCRETE

SqueezeCRETE



Rapport E/S

Plus de solides = Meilleures Propriétés Mécaniques

CemCRETE

Class G

Extended lightweight

0 10 20 30 40 50 60 70

Solids Fraction



Architecture du Puits et Logistique

Ciments de qualité isolation plus légers

– Réservoirs déplétés

– Cimentation en un étage

Ciments denses très versatiles

– Très fortes résistances

Ciments légers pour faibles températures prennent plus vite

Ciments de réparations s’injectent plus facilement

CemCRETE

LiteCRETE

DensCRETE

DeepCRETE

SqueezeCRETE

Le Contrôle du Laitier

La Densité ne suffit pas



Controle du Laitier?

SG - 1.0+

Que se passe-t-il si densité 1.0?

CIMENT

SG - 3.2 Densité Laitier - 1.0 ??

=



Densité et Quantité de Solide

∆ densité communément acceptée: ± 24 kg/m3

– Laitier @ 1.005 sg et fraction solide 54%– ∆ρ > écart de densité des composants

Utlisant la résolution du densimètre: 2.4 kg/m3

– 1002.6 < ρ < 1007.4 – 28% < Fraction Solide < 80% – ∆ρ∆ρ∆ρ∆ρ is ±±±± 0.25% while ∆∆∆∆FS is ±±±± 48%



Monitoring de la Fraction Solide

Débit-mètre Eau

Capteur Niveau

Débit-mètre Laitier (débit massique)



Installation du Controle de Fraction Solide

Pas modification du procédé existant JAB

Bac de mélangeMixer

NRD

Débit Eau Gachage Qw

Niveau Bac Ht

Débit Laitier Qs

SFM



Mesure de Fraction Solide et Performance•

Job #19February 14th, 2001 - Rig xyz - Well ABC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

10:35:02 10:49:26 11:03:50 11:18:14 11:32:38 11:47:02 12:01:26

Time

Solid

Fra

ctio

n (%

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Slur

ry R

ate

(bpm

), Sl

urry

Den

sity

(ppg

)

Solid Fraction Slurry Density Slurry Rate

Augmentation de Densité !!!



Avantages de la Mesure de Fraction Solide

Pas sensible à la qualité du mélange à sec

Controle a-posteriori de la qualité du mélange à sec

Valable sur toute la gamme de densité

Installation facile sur tout équipement conventionnel

Le Déplacement de Boue

Les nouveautés en 2002



Déplacement de Boue Aujourd’hui

Modélisation déplacement turbulent ~fin 90s Modélisation numérique 2D (début 2000s) – Modèle de Herschel-Bulkley– Tampon laveur – Tampon laveur + spacer– Améliore centralization– Spacer plus visqueux– Ciment léger et plus

visqueux, spacer un peu moins visqueux

Fluides-tampon respectueux de l’environnement Fluides compatibles – Chimiquement – Rhéologiquement

Boues à l’huile – Surfactants et solvents

spécifiques à l’huile de base– Nouvelles méthodes de test

• Carreau• Mouillabilité• Grille



ACT et Isolation Durable

Tolérance aux changements de pression et température

Durable dans des conditions de puits difficiles

Stable à très hautes temperatures

Choses impensables pour le ciment auparavant

CemSTONE

FlexSTONE

DuraSTONE

Soon



Isolation par Ciments Traditionnels ne Dure pas

Fracture due à déformation imposée par le changement de température

Micro-annulaire dû au changement de densité de boue

Rupture totale due aux efforts tectoniques

Rupture d’adhésion due aux changements de la formation pendant la production



FlexSTONE: plus de Contrôle pour l’Isolation

Flexibilité et Expansion ControllablesIsolation pendant changement P, T Abandon des puits

Young's Modulus (K psi)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Not flexible Very flexible

Permeability (microdarcies)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Notflexible

Veryflexible

Compressive Strength (psi)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Not flexible Very flexible



DuraSTONE: plus de Contrôle pour l’Isolation

Tenacité et Résistance aux Impacts Améliorés– Béton armé

Isolation de jonction de puits multi-latérauxKickoff dans formations dures

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 0.5 1 1.5 2

Displacement (mm)

Load

(new

tons

)

82 impacts

6 impacts with Class G




Changer les règles de la cimentation pour une isolation durable

Advanced Cement Technology solutions

-1012345

Permeability

Durability

Comp. Strength

Density

Expansion

Flexibility

Penetration

Toughness

Merci pour votre attention

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