Problématique

D’un point de vue général, la rhéologie à bas gradient de vitesse touche la plupart des secteurs industriels où des dynamiques d’arrêt et de démarrage sont présentes. On peut citer la dynamique d’arrêt des avalanches de grains secs ou humides, celle de l’écoulement de peintures sur un mur ou encore l’écoulement des bétons auto-plaçants. Ici nous détaillons deux problèmes apparaissant aux bas gradients de vitesse ou après un temps de repos pour les boues de forage.

Comme nous avons pu le voir précédemment, l’industrie pétrolière utilise des agents alourdissant solides dans les boues de forage pour contrôler la densité de celles-ci. Ces agents alourdissant sont composés de minéraux de haute densité (supérieure à 3) et sont soumis au phénomène de sédimentation. L’agent alourdissant le plus utilisé est la barite (densité 4.2) d’où le nom de " Barite sag " (BS) pour le phénomène de sédimentation brusque de ces particules [1, 12, 13, 32, 97]. Dans les forages horizontaux, la distance de sédimentation i.e. la distance sur laquelle les particules peuvent sédimenter, est représentée par le diamètre du puit, c’est à dire environ 0,2 m. Cette faible distance induit la création rapide d’un lit de sédiments. Ce dernier cause de réels problèmes lors du redémarrage du forage après les phases de maintenance nécessaires qui peuvent durer quelques heures. Pour remettre en circulation un puits lorsqu’un lit sédimentaire s’est formé, l’opérateur doit influer sur le débit des pompes à boue et sur la vitesse de rotation de la tige de forage, le puits est donc soumis à des pressions supérieures. Ces pressions élevées peuvent endommager le puits par colmatage des parois ou encore si la pression du fluide devient trop élevée, par fissuration de la roche.

0.1 1 10 100 0 .0 1 0 .1 1 1 0 1 00 1 0 0 0 G p (s -1 ) Ta u ( P a ) 0 °C 8 °C 2 5 °C 5 0 °C 8 0 °C pe nte

On peut différencier deux types de sédimentation, la sédimentation statique (SBS) et la sédimentation dynamique ou en écoulement (DBS).

Sédimentation statique

La SBS, qui est présente dans toutes sortes de forages, est régie par la loi de Stokes mais compliquée par les effets des fluides non newtoniens. Ce phénomène très courant reste contrôlé rhéologiquement par la formation du gel qui doit compenser la force de Stokes. Nous pouvons estimer la vitesse de sédimentation ou vitesse de Stokes d’une particule de barite de diamètre 20 μm dans un fluide de densité 1,5 et de viscosité 40 mPa.s par la formule suivante : η ρ ρ ν 9 ) ( 2 2 g r_{p p fluide} sedi − =

La barite sédimente alors à une vitesse de 53mm/h.

Il est cependant important de considérer ici que le fluide de forage est thixotrope et donc que sa viscosité va évoluer avec le temps. On a donc une vitesse de sédimentation qui est fonction de la viscosité qui elle-même est fonction du temps de repos considéré..

Sédimentation dynamique

La DBS apparaît lors de forages particuliers. ¾ En forages fortement déviés.

Le forage dévié permet de réduire le nombre des installations de surface, notamment pour les gisements situés offshore. En effet, il est possible aujourd’hui de forer plusieurs drains à différentes profondeurs, dans plusieurs directions, selon des trajets déviés, longs, voire tortueux et ce à partir d’un même site de forage en surface.

¾ En forage " offshore " profond.

Le forage en offshore profond est un type de forage actuellement en voie de développement. Depuis 1990, des réserves de pétrole assez importantes ont effectivement été découvertes à de grandes profondeurs. De plus, de nombreux experts prédisent que dans le futur, un grand nombre de découvertes de réserves de pétrole se situeront sous la mer à des profondeurs plus ou moins importantes. Actuellement, les forages de ce type sont effectués à des profondeurs supérieures à 2000 m. Il faut cependant savoir que le coût journalier d’un forage en offshore profond est très élevé et des paramètres écologiques rentrent plus que jamais en compte. Le fluide de forage doit donc être choisi avec soin. Nous pouvons résumer les problèmes liés à la sédimentation des agents alourdissant dans ce schéma logique :

Les moyens de mesure de la BS sont encore peu évolués, le problème étant d’utiliser sur chantier des appareils de mesure rhéologique de haute précision. L’appareil de chantier normalisé est le FANN 35, un viscosimètre à 6 vitesses ayant une résolution minimale à 3 tr/min soit un taux de cisaillement de 5.1 s^-1. Lors de la DBS, les taux de cisaillement sont alors compris entre 5 et 1 s^-1 dans le cas des faibles cisaillements et entre 1 et 10^-1 s^-1 dans le cas des cisaillements très faibles [97]. Le FANN 35 est donc inadapté pour détecter la BS [44, 32]. La rhéologie à faible et à très faible gradient de vitesse est un domaine d’étude limité par la résolution des appareils de mesure et également par la connaissance des interactions entre les différents constituants de la boue de forage.

Le second problème que l’on peut évoquer ici est celui du redémarrage du fluide de forage après un temps de repos. En effet, dûe aux propriétés thixotropes des fluides utilisés, une fois que la circulation de la boue a été arrêtée dans le puits, celle-ci se restructure et voit donc sa viscosité augmenter avec le temps. Lorsque l’on veut redémarrer la circulation du fluide dans le puits, ses caractéristiques et notamment sa viscosité sont mal connues et il est souvent nécessaire d’appliquer une surpression pour démarrer l’écoulement. Aujourd’hui ce phénomène est anticipé en réalisant des mesures dites de « gel » à deux temps de repos différents ce qui permet d’évaluer sommairement l’élévation du seuil d’écoulement après un temps de repos. Ceci conduit fréquemment à un surdimensionnement des pompes à boues du à une évaluation imprécise de la surpression nécessaire et donc à un surcoût. Il est important de souligner qu’une pression trop grande dans le puits peut engendrer des fissurations et ainsi conduire dans les cas extrêmes à l’abandon du puits. Une meilleure connaissance et évaluation des propriétés thixotropes des fluides de forage pourrait permettre d’anticiper de façon plus adéquate l’élévation du seuil d’écoulement.

Ces deux problèmes sont donc liés aux propriétés thixotropes des fluides de forage. Le premier pour des faibles gradients de vitesses va donc intervenir dans le régime liquide et lors

Barite Sag • Variation de la densité. • Gradient de pression hydrostatique non linéaire. • Problèmes de contrôle de pression.

• Création d’un lit de barite. • Puits bouchés. • Augmentation du couple nécessaire au forage. • Pertes de circulation (fissuration). • Décentrage de la conduite de forage

de la transition liquide/solide, l’arrêt du matériau. Le second est dépendant des propriétés thixotropes qui sont développées lorsque le fluide est à l’arrêt, donc dans le domaine solide.