Perspective historique des systèmes de fluides de forage

Le fluide de forage a été utilisé au milieu des années 1800 dans le forage au câble pour suspendre les déblais jusqu'à ce qu'ils soient libérés du trou foré. Avec l'avènement du forage rotatif dans l'industrie du forage de puits, le fluide de forage était bien connu pour refroidir le trépan et pour suspendre les déblais forés en vue de leur retrait du puits de forage.

Des argiles étaient ajoutées au fluide de forage dans les années 1890 et au moment de la découverte de Spindletop en 1901, il était jugé nécessaire d'avoir des solides en suspension (argiles) dans le fluide de forage pour soutenir les parois du trou de forage.

Ces solides (argiles) résultaient de la désagrégation des formations pénétrées par le trépan. Si les formations pénétrées n'ont pas produit suffisamment d'argile au cours du processus de forage, l'argile a été extraite à la surface d'une source voisine et ajoutée au fluide de forage. Il s'agissait de boues indigènes créées soit par des «formations de boue», soit, comme mentionné, en ajoutant des matériaux spécifiques à partir d'une source de surface.

Le fluide de forage a été recirculé et de l'eau a été ajoutée pour maintenir le meilleur poids et la meilleure viscosité pour des conditions de forage spécifiques. Les déblais ou les morceaux de formation (petites roches) qui n'ont pas été dissous par l'eau ont dû être retirés du fluide de forage pour poursuivre l'opération de forage. À la seule discrétion du foreur ou du pousseur d'outils, un système de puits et de fossés a été creusé sur place pour séparer les déblais du fluide de forage par décantation par gravité (la gravité a forcé les déblais à se déposer dans les puits et les fossés). Ce système comprenait un fossé du puits, ou peut-être un mamelon en forme de cloche, des fosses de décantation et une fosse d'aspiration dans laquelle la boue "propre" était ramassée par la pompe à boue et remise en circulation.

De la boue circulait à travers ces fosses et parfois une cloison était placée dans les fosses de décantation pour accélérer l'élimination du sable et des déblais indésirables. Cette cloison s'étendait jusqu'à un pied ou deux du fond de la fosse, forçant ainsi toute la boue à descendre sous la cloison et à remonter pour s'écouler dans le fossé vers la fosse d'aspiration. Une grande partie du matériau plus lourd s'est déposée, par gravité, au fond de la fosse. Avec le temps, les puits se sont remplis de déblais et le fluide est devenu trop épais pour pomper à cause des déblais finement broyés qui sont entraînés dans le fluide de forage. Pour remédier à ce problème, des jets ont été placés dans les fosses de décantation pour déplacer la boue inutilisable vers une fosse de réserve. Ensuite, de l'eau a été ajoutée pour fluidifier la boue et le forage a repris.

À la fin des années 1920, les foreurs ont commencé à chercher comment d'autres industries ont résolu des problèmes similaires. Il a été découvert que les usines de traitement du minerai et les réservoirs de charbon utilisaient:
1 écrans à barre fixe placés sur une pente
2 tamis à tambour rotatif
3 écrans vibrants

Les deux dernières méthodes ont été adoptées pour éliminer les déblais des fluides de forage.

Le tambour rotatif, ou écrans de type baril (appelés écrans à trommels), étaient largement utilisés avec les premières sous-structures de faible hauteur. Ces unités pourraient être placées dans le fossé ou incorporées dans la ligne d'écoulement à partir du puits de forage. La boue s'écoulant dans la machine a fait tourner une roue à aubes qui a fait tourner le tamis du tambour, à travers lequel le fluide de forage est passé. L'écran utilisé à cette époque était très grossier, soit 4 à 12 mailles. Ces unités étaient très populaires car aucune électricité n'était nécessaire et les fosses de décantation ne se remplissaient pas aussi rapidement. Aujourd'hui, les tambours rotatifs ont à peu près disparu.

L'écran vibrant, ou secoueur, est devenu la première ligne de défense de la chaîne d'élimination des solides et a été pendant de nombreuses années la seule machine utilisée. Les premiers agitateurs étaient généralement utilisés dans les applications de dimensionnement à sec et ont subi plusieurs modifications avant d'arriver à un type et une taille de base pour le forage. La première modification a réduit la taille et le poids de l'unité pour le transport entre les emplacements. Le nom de "shaker shaker" a été adopté pour distinguer la différence entre les shakers (classificateurs) utilisés dans les mines et les shakers utilisés dans le forage de puits de pétrole, car les deux ont été obtenus auprès des mêmes fournisseurs.

D'autres modifications comprenaient un écran de bande de crochet de 4 pi × 5 pi qui était tendu sur les côtés avec des boulons de tension. Le mouvement était elliptique, ce qui rendait une pente descendante nécessaire pour déplacer les boutures hors de l'écran. Le maillage de l'écran était limité à 20 à 30 mailles carrées. Cette unité a été le cheval de bataille de l'industrie jusqu'à la fin des années 1960. Même s'ils sont remplacés par des secoueurs à mouvement circulaire et linéaire, les secoueurs de schiste standard sont toujours en demande et fabriqués aujourd'hui.

À la fin des années 1920 et au début des années 1930, de plus grandes compagnies pétrolières ont organisé des laboratoires de recherche et commencé à explorer les problèmes de forage de puits de pétrole. Ils ont commencé à comprendre que les plus petits déblais, ou particules, laissés dans le fluide de forage étaient également préjudiciables au processus de forage et une autre machine de traitement du minerai a été introduite par l'industrie minière - le classificateur à cône. Cette machine, combinée au concept de séparateur centrifuge issu de l'industrie laitière, est devenue l'hydrocyclone desander. Le principe de base derrière la séparation des matériaux plus lourds et plus grossiers du fluide de forage est l'action centrifuge de la rotation du volume de la boue chargée de sable jusqu'à la limite extérieure, ou périphérie, du cône. Les particules plus lourdes sortent du fond du cône et le fluide de forage plus propre monte vers le haut et sort sous forme d'effluent. Le désableur, dont la taille varie de 6 à 12 pouces de diamètre, élimine la plupart des solides de plus de 30 à 60 microns. Les désableurs ont été considérablement affinés grâce à l'utilisation de matériaux plus résistants à l'abrasion et à une géométrie de corps plus précisément définie et font partie intégrante de la plupart des systèmes de séparation des solides aujourd'hui.

Après le développement du dessableur de gisement de pétrole, il est devenu évident que le collage des parois latérales du train de tiges sur la paroi du trou de forage était généralement associé à des gâteaux de filtration mous et épais. En utilisant la conception de désableur déjà existante, un désableur de 4 pouces a été introduit au début des années 1960. Les résultats étaient meilleurs que prévu et comprenaient une durée de vie plus longue, des coûts de réparation de pompe réduits, des taux de pénétration accrus et des coûts de boue réduits. Ces hydrocyclones plus petits sont devenus connus sous le nom de «désilteurs» car ils éliminent une particule beaucoup plus petite, appelée limon, qui est plus petite que le «sable API».

Comme la barytine et d'autres composés ont été développés pour améliorer le forage, le fluide de forage est devenu très complexe. De plus, la phase liquide pour transporter les solides était réduite par l'ajout de barytine et d'autres composés. Le secoueur a enlevé les plus gros boutures (plus de 541 microns, ou 30 mesh), et les désableurs et les dessileurs ont enlevé les plus petites particules (60 à 15 microns). Cependant, les particules de taille intermédiaire (de 541 à 60 microns) étaient toujours laissées dans le fluide de forage.

L'élimination des particules de taille intermédiaire a conduit au développement de secoueurs à mouvement circulaire ou en tandem. Le développement de ces agitateurs haute vitesse à écran fin a été lent pour deux raisons. Tout d'abord, la technologie de l'écran n'a pas été suffisamment développée pour la force de l'écran, de sorte que la durée de vie de l'écran était courte. Il n'y avait pas de masse suffisante dans les fils de l'écran pour bien fixer les écrans sans les déchirer. Deuxièmement, le panier de criblage nécessitait une plus grande expertise en développement que celle requise pour les modifications antérieures de l'équipement d'élimination des solides.

Pendant ce temps, les principales recherches des compagnies pétrolières ont reconnu les problèmes associés aux ultra-fins (colloïdaux) en tailles de 10 microns ou moins. Ces ultra-fines "ont lié" de grandes quantités de liquide et ont créé des problèmes de viscosité qui ne pouvaient être résolus qu'en ajoutant de l'eau (dilution). Les centrifugeuses étaient utilisées dans de nombreuses industries depuis des années et étaient adaptées aux opérations de forage au début des années 1950. Ils ont d'abord été utilisés sur des boues lestées pour éliminer et éliminer les colloïdes - particules fines de moins de 2 à 4 microns - et pour économiser de la barytine de plus grande taille (matériau de pondération) et certains solides forés.

Ces dernières années, une centrifugeuse a été appliquée à des fluides de forage non pondérés pour réduire et décharger les solides fins dans le système de boue actif. Cette application permet d'économiser la phase liquide plus coûteuse de la boue pour la réutilisation. La dilution est minimisée, réduisant ainsi le coût de la boue; cependant, ces machines sont assez chères et nécessitent beaucoup de soins.

Au début des années 1970, le nettoyeur de boue a été développé en complément du désableur et du désileur pour réduire les pertes dans la phase liquide coûteuse. Les hydrocyclones rejettent une suspension, y compris la phase liquide, qui peut être coûteuse au fil du temps. Le nettoyeur de boue prend le sous-courant d'une banque d'hydrocyclones et introduit la suspension dans un tamis vibrant très fin et précontraint. La phase liquide coûteuse et la majeure partie de la barytine passent à travers l'écran et retournent dans le système tandis que les solides plus gros sont jetés.

Il s'agit de la première application réussie d'un écran, collé sur un cadre rigide, à l'aide d'écrans très fins. De nombreux nettoyeurs de boue ont des nettoyeurs d'écran ou des curseurs, qui sont des pièces en plastique circulaires qui vibrent contre le bas de l'écran pour empêcher l'aveuglement de l'écran. Dans les boues lestées, des écrans de 200 mesh (74 microns) peuvent être utilisés, ce qui est la taille supérieure pour la barytine commerciale. Pour les boues non lestées, la plus petite taille pratique est de 250 mesh (58 microns) pour un fonctionnement économique.

Un développement plus récent, introduit dans les années 1980, est le secoueur linéaire. Les progrès de la technologie des écrans ont permis de superposer des écrans précontraints pour obtenir des coupes très précises tout en conservant une durée de vie économique. Le mouvement linéaire est le meilleur mouvement de transport pour déplacer les solides hors de l'écran, et il est possible de transporter des déblais "en montée". Les écrans peuvent être élevés pour retenir les boutures plus longtemps afin d'obtenir une décharge à teneur en liquide réduite par le séchoir. De plus, des écrans plus fins, avec des ouvertures plus petites, peuvent être utilisés sur l'agitateur à mouvement linéaire. Une application des agitateurs linéaires consiste à filtrer le sous-écoulement des désableurs et des désileurs plutôt que d'utiliser un nettoyant à boue. Cet appareil est appelé "conditionneur de boue".