InfoTech Cimentation APR 02
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La Cimentation des Puits
Un Mal Nécessaire ou un Outil dans l’Architecture des Puits:
Evolution de la Technologie
Bernard Piot
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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
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Mélangeurs et Pompes?
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Forages dans les années 1900
Toujours au cable Premier rotary en 1901
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Il y a longtemps… la cimentation
Le ciment – Mélange lourd– Prend et durcit
On l’injecte On l’oublie
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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
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Evolution des Pompes
De la pelle/bac et bétonnière Aux premières pompes haute pression
Années 30-40
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Puissance et FiabilitéPas de changement significatif dans la conception des unités Multiplication des accessoires
Années 50-60Années 70-80
Années 90
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Les Unités Offshore
Simplicité et ergonomie Puissance
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Flotte Moderne à Terre
Simplicité, rapidité, agilité, robustesse – Nombreuses opérations
Redondance complète – Opérations lourdes
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Opération Simple
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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
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Ailleurs dans le monde…
Jet mixer rudimentaire – Alimentation ciment à vis sans fin– Bac à hélice (quelques fois)
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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
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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)
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Mélange du ciment: Principe Fonctionnel
Additifs
Cimentvrac
Eau
LaitierDosage etMélange
Homogéneisation / ControlePompagePuits
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Le Contrôle du Mélange
SG - 1.0
+LAITIER SG ~ 1.9
CIMENT
SG - 3.2
CONTROLE PAR DENSITÉ
=
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Le Ciment
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Le Ciment Portland
Matériau hydrauliqueSuspension (pate ou laitier) pour la mise en oeuvreSolide – Costaud – Imperméable
Bon marchéDisponible partout
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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
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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
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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
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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…
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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
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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
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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
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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
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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?
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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
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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
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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
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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
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Réservoirs Vieillissants et Déplétés
Les champs actuels – Complétion à des pressions de réservoir
plus faibles– Injection de vapeur, stimulation– Réparations– Bouchages et abandon
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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
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Le Ciment Auparavant
Un mal nécessaire? Oublie aussitôt pompé
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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
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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
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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
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Advanced Cement Technology
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
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Historique de Advanced Cement Technology
1990 1995 2000 2005
1993Advanced Cement
Technologydevelopment
begins
1989foam characterizationSPE 19935
1997LiteCRETEreleasedSPE 53283
2001Next generation
ACT slurriesSPE 59132
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ACT Redéfinit la Performance du Laitier
Propriétés du laitier améliorées Résistances plus importantes Perméabilités plus faiblesA toute densité
CemCRETE
LiteCRETE
DensCRETE
DeepCRETE
SqueezeCRETE
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Rapport E/S
Plus de solides = Meilleures Propriétés Mécaniques
CemCRETE
Class G
Extended lightweight
0 10 20 30 40 50 60 70
Solids Fraction
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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
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Controle du Laitier?
SG - 1.0+
Que se passe-t-il si densité 1.0?
CIMENT
SG - 3.2 Densité Laitier - 1.0 ??
=
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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%
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Monitoring de la Fraction Solide
Débit-mètre Eau
Capteur Niveau
Débit-mètre Laitier (débit massique)
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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
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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 !!!
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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
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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
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Section Francaise de la SPE BP
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
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Section Francaise de la SPE BP
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
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Section Francaise de la SPE BP
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
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Section Francaise de la SPE BP
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
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Section Francaise de la SPE BP
Advanced Cement Technology
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