Un élément clé du forage et de l'exploitation de nouveaux puits de pétrole est l'utilisation de ciments spécialisés pour revêtir le trou de forage et empêcher l'effondrement et les fuites du trou. Pour éviter que ces ciments ne durcissent trop rapidement avant qu'ils ne pénètrent au plus profond du puits, ils sont mélangés à des produits chimiques appelés retardateurs qui ralentissent le processus de prise.

Il a été difficile d'étudier le fonctionnement de ces ralentisseurs, cependant, car le processus se produit à des pressions et des températures extrêmes difficiles à reproduire en surface.

Maintenant, des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont développé de nouvelles techniques pour observer le processus de prise dans les moindres détails, une avancée qui, selon eux, pourrait conduire au développement de nouvelles formulations spécifiquement conçues pour les conditions d'un emplacement de puits donné. Cela pourrait grandement contribuer à résoudre les problèmes de fuite de méthane et d'effondrement de puits qui peuvent survenir avec les formulations d'aujourd'hui.

Leurs découvertes paraissent dans la revue Cement and Concrete Research, dans un article du professeur du MIT Oral Buyukozturk, Le chercheur scientifique du MIT Kunal Kupwade-Patil, et huit autres au Aramco Research Center au Texas et au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) au Tennessee.

"Il existe des centaines de mélanges différents" de ciment actuellement utilisés, dit Buyukozturk, qui est le professeur George Macomber de génie civil et environnemental au MIT. Les nouvelles méthodes développées par cette équipe pour observer le comportement de ces différentes formulations au cours du processus de prise " ouvrent un nouvel environnement de recherche et d'innovation " dans le développement de ces ciments spécialisés, il dit.

Le ciment utilisé pour sceller le revêtement des puits de pétrole doit souvent prendre des centaines voire des milliers de mètres sous la surface, dans des conditions extrêmes et en présence de divers produits chimiques corrosifs. Les études sur les retardateurs ont généralement été réalisées en prélevant des échantillons de ciment durci d'un puits pour les tester en laboratoire, mais de tels tests ne révèlent pas les détails de la séquence des changements chimiques qui se produisent pendant le processus de durcissement.

La nouvelle méthode utilise une configuration de détecteur unique au laboratoire national d'Oak Ridge appelée diffractomètre à matériaux commandés à l'échelle nanométrique, ou NOMADE, qui est utilisé pour effectuer un processus appelé analyse de la fonction de distribution de paires de neutrons, ou PDF. Cette technique peut examiner in situ la distribution de paires d'atomes dans le matériau qui imitent les conditions réalistes rencontrées dans un puits de pétrole réel en profondeur.

« NOMAD est parfaitement adapté pour étudier des problèmes structurels complexes comme la compréhension de l'hydratation du béton, en raison de son flux élevé et de la sensibilité des neutrons aux éléments légers tels que l'hydrogène, " dit Thomas Proffen de l'ORNL, un co-auteur de l'article.

Les expériences ont révélé que le principal mécanisme à l'œuvre dans les matériaux retardateurs largement utilisés est l'épuisement des ions calcium, un élément clé dans le processus de durcissement, dans le ciment de prise. Avec moins d'ions calcium présents, le processus de solidification est considérablement ralenti. Cette connaissance devrait aider les expérimentateurs à identifier différents additifs chimiques pouvant produire le même effet.

Lorsque les puits de pétrole sont forés, l'étape suivante consiste à insérer un tubage en acier pour protéger l'intégrité du forage, empêchant le matériau en vrac de s'effondrer dans le puits et de provoquer des blocages. Ces enveloppes empêchent également le pétrole et le gaz, qui est sous haute pression, de s'échapper dans la roche et le sol environnants et de migrer vers la surface, où les fuites de méthane peuvent jouer un rôle important en contribuant au changement climatique. Mais il y a toujours un espace, qui va jusqu'à quelques pouces, entre le tubage et le forage. Cet espace doit être entièrement rempli de coulis de ciment pour éviter les fuites et protéger le revêtement en acier de l'exposition à l'eau et aux produits chimiques corrosifs qui pourraient provoquer sa défaillance.

Le méthane est un gaz à effet de serre beaucoup plus puissant que le dioxyde de carbone, limiter sa fuite est donc une étape cruciale pour limiter la contribution des puits de pétrole et de gaz au réchauffement climatique.

"Le méthane, l'eau, et toutes sortes de produits chimiques différents là-bas [dans le puits] créent un problème de corrosion, " Buyukozturk dit. " Aussi, la zone circonférentielle du puits de forage est à côté de parties de la croûte terrestre qui présentent des instabilités, afin que le matériau puisse tomber dans le trou et endommager le tubage. » La façon d'éviter ces instabilités est de pomper du ciment à travers le tubage dans la zone entre le puits de forage et le tubage, qui fournit « l'isolement zonal ». Le ciment fournit alors un joint hydraulique pour garder toute eau et autres fluides à l'écart du tubage.

Mais les températures et les pressions élevées trouvées en profondeur présentent un environnement qui est « la pire chose que vous puissiez faire à un matériau, " il dit, il est donc crucial de comprendre à quel point le matériau et ses propriétés chimiques sont affectés par ces environnements difficiles pendant qu'ils font leur travail de scellement du puits.

Cette nouvelle méthode d'étude du processus de prise permet « de comprendre précisément ce processus, afin que nous puissions concevoir la prochaine génération de retardateurs, " dit Kupwade-Patil, auteur principal de cet article. "Ces retardateurs sont très importants, " non seulement pour protéger l'environnement, mais aussi pour éviter de graves pertes économiques dues à un puits endommagé ou qui fuit. " La perte de l'étanchéité est grave, donc vous ne pouvez pas vous permettre de faire une erreur" dans le processus de scellement du ciment, il dit.

"Après l'obtention de mon doctorat, il y a environ 30 ans, mon premier travail était d'améliorer la qualité de la cimentation des puits de pétrole, " dit Paulo Monteiro, le Roy W. Carlson Distinguished Professor of Civil and Environmental Engineering à l'Université de Californie à Berkeley, qui n'a pas participé à ce travail. "A cette époque, les techniques de caractérisation sophistiquées étaient limitées, c'est donc un réel plaisir de voir les méthodes de diffusion totale des rayons X et des neutrons appliquées pour étudier l'hydratation des ciments de puits de pétrole en présence d'adjuvants chimiques. » Il ajoute que ces nouvelles méthodes ont « le potentiel de guider le développement de des adjuvants sur mesure qui peuvent améliorer considérablement les performances de la cimentation des puits de pétrole."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.