Etude de la stabilisation de fluides de forage du type « boue

Etude de la stabilisation de fluides de forage du type « boue à l’huile » par
addition de particules nano structurées
Contexte de l’étude
Les boues de forage sont des fluides techniques devant répondre à des spécifications précises
dans des conditions d’utilisation sévères. Le développement croissant de forages dans des
conditions extrêmes conduit à formuler des fluides de composition de plus en plus complexe.
Ainsi, les boues à l’huile sont des mélanges multiphasiques qui comportent en général :
•
•
•
Une phase huile ;
Une phase aqueuse dispersée sous forme d’émulsion eau – dans – huile, stabilisée par
divers tensioactifs ;
Plusieurs phases solides en suspension (réducteurs de filtrat, qui interviennent dans la
formation du ‘cake’ pour consolider les parois du puits rocheux ; contrôleurs de pH ;
argiles modifiées organophiles ou polymères permettant d’ajuster la viscosité du fluide ;
alourdissants).
La stabilité des phases qui constituent la boue, en particulier la stabilité de l’émulsion d’eau
dans l’huile, est essentielle au maintient des propriétés nominales du fluide au cours du temps.
Par ailleurs, la formation d’hydrates de gaz au sein de cette phase aqueuse en cas de venue de
gaz en cours de forage fait courir des risques pour la sécurité des opérateurs et des
installations de surface. Ce problème peut notamment intervenir dans les forages off shore à
grande profondeur, ou le fluide sous pression élevée traverse des zones froides propices à la
formation d’hydrates.
Les travaux réalisés à l’UER de Chimie et Procédés (UCP) de l’ENSTA ParisTech entre 2000
et 2006 ont permis de développer des méthodes originales basées sur l’analyse calorimétrique
différentielle haute pression (HP-DSC) pour la caractérisation des conditions de formation
d’hydrates de gaz dans les fluides de forage (Dalmazzone et al. 2000, 2001, 2002, Audibert et
al. 2004, Kharrat 2004, Hamed 2006). Ces études ont porté successivement sur les conditions
thermodynamiques (pression, température, composition) et cinétiques (temps d’induction,
vitesse de formation en fonction de P et T) de la formation des hydrates (Dalmazzone et al.
2005). On a également pu mettre en évidence la déstabilisation de l’émulsion contenue dans
différentes boues à l’huile sous l’effet des cycles thermiques et des cycles de
formation/dissociation d’hydrates de méthane ou de gaz naturel. L’allure du flux de chaleur
libéré par la cristallisation de la phase aqueuse au refroidissement est en effet très
caractéristique de l’état de dispersion de cette phase et permet de discerner l’eau en émulsion
de l’eau en phase continue.
Les émulsions de Pickering sont stabilisées par des particules solides qui forment un film à
l’interface entre les phases continue et dispersée (Sacanna et al. 2007, Aveyard et al. 2003).
Ces émulsions, qui sont donc exemptes de tout surfactant, ont été abondamment étudiées en
raison de leurs propriétés remarquables en matière de stabilité et de comportement en
écoulement. Même si leur domaine d’application originel est l’industrie cosmétique (Schmitt
et al. 2004), divers autres projets d’applications sont à l’étude. Dans le domaine des fluides de
forage, l’addition de nano particules pour stabiliser et améliorer les propriétés des fluides est
un sujet de recherche très actif (Krishnamoorti 2006, Li et al. 2012).
L’étude bénéficiera dans le domaine des nano particules de l’expertise de l’équipe « Systèmes
Colloïdaux dans les Procédés Industriels » du Centre des Matériaux de l’Ecole des Mines de
Paris (Mines ParisTech/MAT/SCPI, Jean-François Hochepied). Les Laboratoires SCPI et
UCP partagent les mêmes locaux au sein de l’ENSTA ParisTech et collaborent depuis
plusieurs années dans des domaines à l’interface entre le Génie des Procédés et les Matériaux.
Objectifs de l’étude
L’étude proposée vise à démontrer la faisabilité et l’intérêt de formuler des fluides de forage
du type « boue à l’huile » basés sur une émulsion stabilisée par des particules nano
structurées. Elle permettra de développer les connaissances nécessaires au développement et à
la mise en œuvre de fluides de forage incluant des nano matériaux. Pour cela, les émulsions
d’eau dans l’huile stabilisées par différents types de particules seront caractérisées, du point
de vue de leur stabilité et de leur comportement en écoulement, dans des conditions
représentatives du forage. Il s’agira notamment :
•
•
•
•
De sélectionner différents matériaux, qui pourront être commercialement disponibles ou
synthétisés au laboratoire, capables de stabiliser les émulsions eau dans huile ; on
envisagera des fluides additionnés de nano particules, mais aussi des fluides où celles-ci
pourraient se former in situ dans la phase aqueuse dispersée ;
D’étudier la stabilité de telles émulsions vis-à-vis de cycles thermiques extrêmes et de
cycles de formation/dissociation d’hydrates de gaz ;
De caractériser l’évolution de ces émulsions lors d’un traitement mécanique (broyage…)
simulant les conditions du forage ;
De caractériser l’évolution du comportement rhéologique de ces fluides au cours de ces
mêmes traitements thermiques ou mécaniques.
Moyens expérimentaux et programme de l’étude
La thèse comportera trois phases expérimentales.
Une première étape consistera à mettre au point les méthodes expérimentales de
caractérisation de la stabilité et du comportement des fluides de forage. La technique de
microcalorimétrie haute pression (HP-DSC) sera employée pour suivre la déstabilisation des
émulsions au cours de cycles thermiques sous pression, en absence et en présence de gaz
formateur d’hydrates (méthane). La rhéomètrie sous pression sera utilisée pour corréler les
aspects de stabilité des émulsions et de comportement en écoulement des fluides. Ces
procédures seront développées et testées sur des systèmes témoins, émulsions eau – dans –
huile et fluides de forage conventionnels.
La seconde phase visera à définir la formulation de fluides à base de nano particules. Cette
étape s’appuiera sur une revue bibliographique exhaustive concernant les émulsions
stabilisées par addition de particules solides et l’usage des nano matériaux dans le forage. Elle
pourra aussi inclure une participation à la synthèse de nouvelles particules nano structurées.
La stabilité de ces émulsions sera démontrée par les méthodes développées lors de la première
phase et comparée à celle de fluides conventionnels.
Au cours de la troisième étape, on soumettra les fluides formulés précédemment, ainsi que les
fluides témoin, à des traitements thermiques et mécaniques tels que :
•
Refroidissement et chauffage dans des plages de températures représentatives des
conditions de forage les plus sévères ;
•
Cycles de formation et dissociation d’hydrates de gaz ;
•
Broyage.
Les fluides seront caractérisés par les mêmes méthodes à l’issu de ces traitements afin de
déterminer le vieillissement résultant et de qualifier la résistance des fluides nouvellement
formulés aux conditions extrêmes.
Le diagramme ci-dessous résume le programme prévisionnel de la thèse par trimestre.
Trimestre
Phase 1
Phase 2
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T9
T10
T11
T12
Mise au point des méthodes
de caractérisation ; sélection
des systèmes témoin
Formulation des nouveaux fluides
Phase 3
Jalons /
publications
T8
Qualification, étude du vieillissement
des fluides
Synthèse bibliographique sur
les nano particules dans les
fluides de forage
1er article et/ou
communication
2nd article
Références
C. Dalmazzone, D. Dalmazzone, B. Herzhaft. “Differential Scanning Calorimetry: A New
Technique to Characterize Hydrate Formation in Drilling Muds” Society of Petroleum
Engineers Annual Technical Conference and Exhibition. Dallas, Texas, 1-4 octobre 2000.
D. Dalmazzone, M. Kharrat, V. Lachet. “Etude des hydrates de méthane et de gaz naturel
dans les émulsions eau dans huile par PVT et DSC” Colloque sur l’apport de l’analyse
thermique et de la calorimétrie dans les industries chimiques, pharmaceutiques et
cosmétiques. Lyon, France, 14-16 novembre 2001.
C. Dalmazzone, B. Hertzhaft, D. Dalmazzone, D. Clausse. “Etude par DSC de la
formation d'hydrates de gaz dans les fluides de forage à base d'huile” Congrès Mondial des
Emulsions. Lyon, France, 24-27 septembre 2002.
M. Kharrat. “Etude des conditions de formation et de la stabilité des hydrates de gaz dans
les fluides de forage” Thèse de Doctorat de l’Ecole des Mines de Paris, 26 octobre 2004.
A. Audibert, C. Dalmazzone, D. Dalmazzone, C. Dewattines. “Special non polluting
emulsifier for non aqueous drilling fluids in deep offshore drilling” SPE Annual Technical
Conference and Exhibition. Houston, Texas, 26-29 septembre 2004.
D. Dalmazzone, N. Hamed, L. Rousseau, C. Dalmazzone, B. Herzhaft. “HP DSC
investigation of the kinetics of gas hydrate formation: Application to drilling fluids” 5th
International Conference on Gas Hydrates. Trondheim, Norvège, 13-16 juin 2005.
D. Dalmazzone, N. Hamed, C. Dalmazzone, L. Rousseau. “Application of high pressure
DSC to the kinetics of formation of methane hydrate in water-in-oil emulsion” Journal of
Thermal Analysis and Calorimetry, 85(2), 2006, 361-368.
N. Hamed. “Etude de la cinétique de formation des hydrates de méthane dans les fluides
de forage off shore par analyse calorimétrique différentielle haute pression” Thèse de
Doctorat de l’Ecole des Mines de Paris, 10 novembre 2006.
D. Dalmazzone, N. Hamed, D. Clausse, I. Pezron, A.-T. Luong, C. Dalmazzone. “Study
of the kinetics of formation of trichlorofluoromethane hydrates and methane hydrates in
water-in-oil emulsion by microcalorimetry” 6th International Conference on Gas Hydrates,
Vancouver, Canada, 6-10 juillet 2008.
S. Sacanna, W. K. Kegel, A. P. Philipse. “Thermodynamically Stable Pickering
Emulsions” Physical Review Letters, 98, 2007, 158301:1 – 4.
R. Aveyard, B. P. Binks, J.H. Clint, "Emulsions stabilised solely by colloidal particles",
Advances in Colloid and Interface Science, 100-102 (2003) 503-546
V. Schmitt, S. Arditty, J. Giermanska-Kahn, F. Leal-Calderon. “Les émulsions de
Pickering” 12ème Congrès Formulation Cosmétique, Société Française de Chimie, Paris, 2004.
R. Krishnamoorti, “Extracting the benefits of nanotechnology for the oil industry” Journal
of Petroleum Technology, November 2006, 24-26.
G. Li, J. Zhang, H. Zhao, Y. Hou, “Nanotechnology to improve sealing ability of drilling
fluids for shale with micro-cracks during drilling” SPE International Oilfield Nanotechnology
Conference, 12-14 June 2012, Noordwijk, The Nederlands.
C. Coudun, F. Grillon and J.-F. Hochepied. “Surfactant effects on pH-controlled synthesis
of nickel hydroxides” Colloids and Surfaces A, 280 (2006) 23-31
C. Coudun and J.-F. Hochepied. “Nickel Hydroxide Stacks of Pancakes Obtained by the
Coupled Effect of Ammonia and Template Agent” J. Phys. Chem. B 109 (2005) 6069-6074
L. Levy, J.-F. Hochepied and M.P. Pileni. “Control of the Size and Composition of Three
Dimensionally Diluted Magnetic Semiconductor Clusters” J. Phys. Chem. (1996), Vol. 100,
N° 47, pp 18322-18326.