Environment friendly drilling fluid products for improved wellbore stability and enhanced rheological properties

Ce mémoire de thèse, rédigé dans le cadre de la Validation des Acquis de l'Expérience (VAE), est basé sur l'expérience acquise au cours d'une période de recherche de sept ans dans le domaine des fluides de forage au sein du département R&D de Halliburton, en Inde.Cette thèse porte sur les fluides de forage destinés à améliorer la stabilité des puits et les propriétés rhéologiques dans des conditions de haute pression et de haute température (HPHT), tout en minimisant l'impact sur l'environnement. Deux systèmes de fluides de forage ont été étudiés : les fluides à base d'eau (WBM) incorporant des cyclodextrines (CD) pour améliorer la stabilisation des schistes, et les fluides à émulsion inverse sans argile (IEF) contenant des amines grasses et des alcools gras comme additifs rhéologiques.Dans les WBM, la désintégration (ou le gonflement) du schiste, qui entraîne des dommages à la formation et un blocage du tube, reste une cause principale d'instabilité du puits de forage. Nous montrons dans ce travail que l'incorporation de β-cyclodextrine (β-CD) et d'hydroxypropyl β-cyclodextrine (HP-β-CD), des composés hydrosolubles issus de la dégradation enzymatique de l'amidon, réduit efficacement l'hydratation du schiste. La β-CD et la HP-β-CD à de faibles concentrations (8,5 kg/m³) ont permis d'améliorer la récupération des schistes (>80%), avec un effet négligeable sur les propriétés rhéologiques (viscosité plastique (PV) et limite d'élasticité (YP)). L'amélioration de la récupération des schistes peut être attribuée à la structure moléculaire des CD. Les groupes hydroxyles sur les unités glucopyranose adjacentes des CD forment des liaisons hydrogène intermoléculaires avec les molécules d'eau. En se liant à ces molécules d'eau, les CD limitent la disponibilité des molécules d'eau libres, ce qui réduit le gonflement de l'argile. La cavité hydrophobe de la β-CD doit également contribuer à inhiber l'argile en formant une couche imperméable à la surface du schiste.L'augmentation de la concentration de β-CD et les différentes solubilités de β-CD (18,5 g/L) et de HP-β-CD (500 g/L) n'ont montré aucun impact sur la récupération du schiste et les propriétés rhéologiques, ce qui suggère une saturation de la surface du schiste avec les molécules de CD aux concentrations utilisées. La stabilité thermique (jusqu'à 300°C) et la biodégradabilité élevée de ces molécules mettent en évidence leur pertinence pour les forages profonds et les applications à haute température.L'incorporation d'argiles organophiles dans les IEF pose des problèmes liés à l'intégrité du puits et à la toxicité attribuée aux composés d'ammonium quaternaire utilisés pour leur synthèse. Pour les IEF sans argile, l'élimination des argiles organophiles nécessite l'utilisation d'autres additifs pour satisfaire aux critères rhéologiques. Dans cette étude, une amine grasse (dimère diamine) et différents alcools gras (alcool stéarylique, 2-tétradécyl octadécanol et alcool dimérisé) ont été évalués en tant qu'additifs rhéologiques. La dimère amine a démontré des performances exceptionnelles, permettant à l'IEF sans argile d'avoir un impact négligeable sur PV et une grande stabilité de l'émulsion à 49°C sous pression ambiante. En outre, il a démontré une limite d'élasticité élevée (τ0) dans des conditions HPHT (121°C ; 6 895 kPa à 68 947 kPa), une perte de filtrat minimale (à 121°C), une propriété de gel fragile et l'absence de sédimentation. L'augmentation de la limite d'élasticité et de la stabilité de l'émulsion sont attribués à la formation in-situ d'un polyamide thermiquement stable par réaction chimique entre la diamine dimère et les acides gras (de l'huile ou de l'émulsifiant). Des études sur les propriétés de biodégradabilité et d'écotoxicité de la dimère diamine confirment son profil environnemental avantageux. Enfin, des essais concluants réalisés sur des champs au Canada ont permis de valider son efficacité en tant qu'additifs rhéologiques dans les IEF sans argile.

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