Niveau :3 ème Licence.

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1 Université Kasdi Mrebah-Ouargla Faculté des Hydrocarbures et des Energies Renouvelables et des sciences de la Terre et de l Univers Département de forage et mécaniques des chantiers pétroliers Module : Fluides et ciments Niveau :3 ème Licence. I- Introduction L opération de forage permet de relier la couche contenant du pétrole ou de gaz à la surface pour permettre l exploitation de ces sources, mais les difficultés de terrains imposent de forer les puits par sections successives. Chaque phase est réalisée suivant deux opérations : une opération de forage une opération de cuvelage et de cimentation pour coffrer et isoler les formations traversées. Une opération de cimentation nécessite de: définir les objectifs de la cimentation ; calculer le volume de laitier de ciment à injecter ; calculer le volume de la boue de chasse ; préparer le trou avant l injection ; réaliser la cimentation; tester la colonne après la cimentation ; II-Le principe de la cimentation La cimentation d une colonne de tubage s effectue par pompage d un laitier de ciment dans l espace annulaire existant entre l extérieur du tubage en place et la paroi de trou foré en injectant directement à l intérieur du tubage ou à travers les tiges de forage, de façon à le faire ensuite remonter dans cet annulaire jusqu à une hauteur prédéterminée. Pour qu une cimentation soit correctement effectuée, il faut que: le ciment ne soit pas pollué par la boue le ciment adhère bien aux parois le volume du laitier soit bien calculé

2 le laitier soit de bonne qualité et ait un temps de pompabilité permettant l'achèvement de l'opération dans de bonnes conditions de sécurité le sabot soit parfaitement cimenté. le refoulement soit arrêté au moment voulu. la chasse soit arrêtée lorsque le laitier est à l'emplacement prévu. III-Les objectifs de la cimentation En outre la nécessité de séparer les niveaux productifs d huile ou de gaz des formations contenants des fluides indésirables comme l eau, la cimentation de tubage a également d autre buts tel que : Eviter l éboulement du trou; Eviter de dévissage des tubes pendant le forage; Encrer les colonnes de tubage sur lesquelles sont fixées les équipement de sécurité en tête de puits; Réduire la corrosion des tubes par les fluides contenus dans les couches traversées; La fermeture de l espace annulaire et son étanchéité pour la mise en production; Isoler le trou aux eaux des couches superficielles Protection de la tête de forage contre les éventuelles pollutions par la surface. Cependant, une mauvaise cimentation peut engendrer les problèmes suivants: Mélange de l'effluent produit avec des fluides indésirables; Migration des fluides en surface à travers les zones mal cimentées; La corrosion du tubage; La déformation du tubage (casing collapse). IV-Les types de la cimentation Il existe trois types principaux d utilisation du ciment dans le sondage: La cimentation des colonnes de tubage La pose des bouchons de ciment Le squeeze ou injection sous pression V. La cimentation ordinaire et la cimentation à deux étages: a- La Cimentation ordinaire: (ex:cimentation du casing 18'' 5/8) Elle a pour but :

3 - l ancrage de la colonne de sol (parois de puits) ; - Prévoir le dévissage des tubes pendant le forage de la phase suivante ; - Maintenir le terrain de la surface ; - Sert d ancrage aux dispositifs de sécurité et d assise aux dispositifs de suspension des colonnes suivantes. Il s agit d une cimentation avec stinger ce dernier est un raccord qui se termine sur les deux extrémités par un filetage femelle. Ce vissant sur le tiges de forage et l autre extrémité se termine par un certain nombre de joint qui s ancre dans le sabot. b-la Cimentation à deux étages : (ex:cimentation casing 13'' 3/8) C est une cimentation à deux étages qui représente les avantages suivants : -Réduction de risque de craquage de la formation ; -Réduction de la pression finale de refoulement ; -Moins de risque de contamination du laitier ; -Opportunité de cimenter deux zone distinctes, éloignée l une de l autre et grâce à DV (diverter valve) que nous pouvons faire cette cimentation double étage. VI- La technique de la de la cimentation La cimentation comprend les opérations suivantes: - Préparation du trou avant l injection du laitier - Cimentation proprement dite - Prise de ciment - Contrôle de la cimentation. VI-1-Préparation du trou avant l injection du laitier Cette phase consiste au nettoyage préalable des parois du trou pour assurer une bonne adhérence du ciment et une bonne étanchéité. On procède comme suite: S'assurer que le puits a un diamètre suffisant Aléser tous les points de frottement Cimentation préliminaire à l aide des pompes de forage jusqu au évacuation complète des déblais ( une à deux heures); Pendant la circulation, manœuvre de la colonne pour gratter le cake avec les racleurs;

4 Faire précéder l injection du ciment d un bouchon d eau (1 m 3 ), dans certains cas cette eau peut devenir une solution désagrégeant de cake par ajout de 5 % d héscamétaphosphate. VI-2-Cimentation proprement dites Cette opération comprend deux étapes : a) Lancement le bouchon de cimentation inférieur b) Injection du laitier La circulation préliminaire étant terminée, on introduit dans la colonne le bouchon inférieur et on revisse la tête de cimentation contenant le bouchon supérieur. On procède alors à l injection du volume calculé du laitier par le circuit inférieur de la tête. le laitier descend donc dans la colonne poussant devant lui le bouchon inférieur. Après l injection complète du laitier la tige de retenue de bouchon supérieur est enlevée et le circuit de refoulement dirige sur la partie supérieure de la tête. c) Lancement du bouchon de cimentation supérieur d) Injection de la boue de chasse Généralement on utilise la boue de forage et les pompes pour refouler le laitier de ciment, cet injection peut précéder ou non d un petit bouchon d eau venant parfaire la séparation du laitier de la boue. Le remplacement de la boue par le laitier se ferait d'autant mieux que la différence entre la densité du laitier et la densité de la boue sera grande et que les caractéristiques rhéologiques de la boue seront bonnes. Quand la boue est gelée, le laitier est mal réparti dans l'annulaire, il a tendance à passer par les zones de moindre résistance, on dit qu'il y a phénomène de "channeling". VI-3-Prise de ciment Une fois le pompage est terminé, on maintient la pression finale de refoulement jusqu à ce que le ciment soit suffisamment fait prise. Pratiquement le temps de prise varie de: - 5 à 8 h pour les colonnes de surfaces - 12 à 24 h pour les colonnes techniques. VI-4- Contrôle de la cimentation Après cimentation, il est nécessaire de vérifier : La hauteur de ciment dans l espace annulaire La qualité de la cimentation L étanchéité du tubage et parfois de la cimentation du sabot.

5 a) Contrôle de la hauteur de ciment dans l espace annulaire La méthode la plus courante consiste à effectuer une thermométrie du trou, 6 à 12 heures après la cimentation. La réaction exothermique de prise du ciment élève la température de la boue au voisinage du ciment. La lecture du diagramme doit permettre de : - déterminer la hauteur de ciment dans l espace annulaire - Préciser les zones de mauvaise cimentation Pour faire cette lecture, il est bon de caler le diagramme de thermomètrie sur la courbe du diamètreur effectué avant la descente du tubage. b) Contrôle de la qualité de la cimentation Si la thermomètrie donne quelques renseignements sur la présence ou non de zones polluées dans la cimentation, elle ne précise pas si le ciment adhère correctement aux parois du tubage. L enregistrement «Cement Bond Long» (C.B.L) permet de déterminer les zones de bonnes et mauvaises cimentations. Le principe de l appareil est le suivant : on a constaté que l amplitude d un signal acoustique donné subissait une atténuation notable lorsque l onde sonore était transmise à travers le ciment, ce qui se produit lorsque ce dernier est adhérent au métal des tubes et à la formation. Dans le cas contraire, la totalité de l onde est transmise par l acier sans diminution d amptitude. L appareil comporte donc un émetteur acoustique et un organe récepteur qui enregistre les variations d amptitude du signal reçu. c) Essais de l étanchéité de la colonne : lorsque le ciment a fait prise, on refore la hauteur de sécurité de ciment restée dans la colonne jusqu à 1 m environ au-dessus du sabot. On procède alors au contrôle d étanchéité de la colonne, en fermant l obturateur de sécurité sur tige et en pompant la boue par l intérieur de manière à atteindre la valeur des pressions voulues. Cette pression doit être maintenue pendant 30 min d) Essais de l étanchéité de la cimentation :

6 Après le reforage, on met à nouveau la colonne sous pression de manière à vérifier si l anneau de ciment est bien étanche. La pression d éprouve doit être limitée à une valeur inférieure à la pression de rupture du caoutchouc de sabot. On fait l évaluation du ciment pour : Avoir des informations sur la conception primaire de la cimentation : Le foreur ou bien l ingénieur de conception du ciment doit avoir des informations sur la contrainte de compression du ciment au fond du puits ainsi que le top ciment. Bonne interprétation des données des essais de production : des informations sur l isolation des zones sont très indispensable pour évaluer la production de surface (exemple : production d eau très élevée) Des informations sur les channelling et les zones mal cimentées seront très utiles pour assurer qu une opération de squeeze sera efficace (après l échec d une cimentation primaire); b Top du ciment Micro-annulus Mauvaise adhérence Formation

7 VII- Différentes méthodes de cimentation Il existe plusieurs méthodes de cimentation : 1. Cimentation par les tiges 2. Cimentation par le tube ancré 3. Cimentation par le tube suspendu 4. Cimentation par canne dans l annulaire Les trois premières méthodes de cimentation s appliquent uniquement pour les forages en gros diamètres et relativement profonds. La quatrième est utilisée pour les forages de moins de 50 mètres. VII-1- Cimentation par les tiges Le tubage à cimenter est muni d un sabot destructible équipé d une balle plastique (de la grosseur d une balle de tennis) faisant office de valve. Le ciment injecté sous pression par les tiges pénètre dans l espace annulaire par l orifice du sabot qui est obturé par la balle dès l arrêt de l injection. C est le cas de la cimentation avec stinger. Cette méthode est appliquée à des gros diamètres et faibles profondeur. ( le schéma est dans le cours) Les avantages de cette méthode: Éviter la contamination du ciment Limiter le «Channelling» Déplacement plus contrôlable VII-2-Cimentation par le tube ancré A la base du tubage à cimenter des fenêtres ont été préalablement percées pour permettre la circulation de boue puis de ciment. Le volume théorique de ciment est introduit dans l ouvrage et remonte dans l espace annulaire sous la pression d un joint séparateur poussé par un volume d eau ou de boue et qui vient obturer les fenêtres de pied de tubage lorsque la cimentation est terminée. ( le schéma est dans le cours) VII-3- Cimentation par le tube suspendu Sous l effet d une chasse d eau ou de boue, un bouchon destructible (joint séparateur) pousse dans l espace annulaire le volume de ciment théorique introduit dans le tubage. ( le schéma est dans le cours) VII-4- Cimentation par canne dans l annulaire

8 Une garniture de petit diamètre (environ 1 ) est descendue dans l espace annulaire jusqu au pied du tubage (ancré dans le terrain). Le ciment y est injecté sous pression, si nécessaire en remontant progressivement la canne de cimentation. ( le schéma est dans le cours)