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Hématite dans les applications de forage pétrolier

L’hématite est un minéral utilisé dans l’industrie de l’extraction pétrolière comme composant des fluides de forage. Les fluides de forage sont souvent à base d’eau ou d’huile et l’ajout d’hématite - qui comme les oxydes de manganèse et la barite - contribuent à une densité croissante dans le liquide.

Cela est particulièrement utile puisque les principales fonctions du fluide de forage sont de maintenir la pression hydrostatique sur le site de forage (pour empêcher les fluides de formation d’entrer dans le forage), d’effectuer des boutures de forage et de garder le morceau de forage frais et relativement exempt de contaminants pendant le processus de forage. Les fluides de forage préviennent les éruptions.

Les fluides de forage les plus courants dans les opérations d’extraction de pétrole sont la boue à base d’huile (OBM) et la boue à base d’eau (WBM). Dans ces « boues », le composant le plus important est l’argile bentonite, mélangée à de l’huile ou de l’eau, complétée par tous les additifs désirés(1). L’hématite est un tel additif, et est décrit comme un agent de pondération. 'Mud' est un terme couramment utilisé pour décrire les fluides de forage, en raison de l’argile étant le plus grand composant dans une grande proportion de fluides de forage.

Les fluides de forage sont essentiels à l’exploration pétrochimique car ils permettent un forage efficace aux profondeurs cibles pour atteindre le gisement de pétrole et/ou de gaz. L’extraction moderne de pétrole serait presque impossible sans fluides de forage(2). Pendant le forage, cinq facteurs clés sont mesurés dans la boue pour assurer le succès continu : rhéologie, densité, perte de liquide, teneur en solides et propriétés chimiques. L’hématite, en tant qu’agent de pondération, est principalement concernée par la densité et la teneur en solides; ainsi que la rhéologie.

plate-forme pétrolière

Introduction aux agents de pondération

Des agents de pondération sont ajoutés au fluide de forage pour permettre la modulation et l’optimisation d’un fluide de forage pour une application particulière, par exemple à travers certains types de roche dure, ou à des profondeurs extrêmes. Ils sont souvent utilisés pour maintenir les niveaux de densité dans le fluide, alléger les pressions de formation élevées et assurer une cohérence dans le déplacement de boue et d’autres débris. En règle générale, plus l’agent de pondération est nécessaire, plus il faut.

Barytine et manganèse

Barite, du mot grec barus signifiant «lourd», est l’additif le plus utilisé dans le forage pétrolier comme agent de pondération(3), et est un minéral composé de sulfate de baryum. En raison de sa forte gravité spécifique de 3,9 à 4,4 g/cm3, il est un agent de pesage largement utilisé. L’utilisation de barite n’est pas sans problèmes, mais Barite affaissement est un phénomène par lequel les solides en suspension dans le fluide tombent de la suspension et se déposent à haute température et les pressions(4), causant des problèmes avec le forage en cours et un arrêt éventuel des opérations. Le sag de barite peut être partiellement atténué par l’ajout de minerais d’oxyde d’ilménite et d’autres métaux. En outre, la demande de barite dépasse de loin la production. Il est donc impératif d’identifier d’autres matériaux de pondération.

Les composés de manganèse, de manganèse (ii) et (ii) d’oxyde, dérivés du minerai d’hausmannite, sont également largement utilisés comme agents de pondération. En raison de sa capacité à former de petites particules sphériques, les oxydes de manganèse représentent le défi d’une perte de particules plus élevée à des températures élevées, ce qui nécessite des mesures supplémentaires pour nier(5).

hématite sous forme liquide

Hématite


L’hématite (oxyde de fer rouge)
est un oxyde et du minerai de fer, portant la formule chimique Fe2O3, et une dureté de 5,5 à 6,5 sur l’échelle de Mohs. Son utilisation principale est comme une source de fer pour la production de ce métal et de l’acier. En raison de sa dureté, de sa pureté naturelle élevée, de son abondance et de son bas prix, l’hématite a constaté des utilisations croissantes dans des champs éloignés de la fonderie, comme la production et l’exploration de pétrole et de gaz, dans le cadre de fluides de forage.

Par rapport au barite, l’hématite bénéficie d’avantages tels qu’une gravité spécifique plus élevée, une plus grande solubilité dans les médias acides et un taux d’attrition globalement plus faible - ce dernier en raison de sa dureté. L’une des revendications phares de l’hématite comme une amélioration par rapport au barite, en dehors de sa nature abondante, est qu’il a une gravité spécifique plus élevée de 4,9 à 5,3 g/cm3(6) Pour cette raison, les entreprises de forage peuvent utiliser moins d’hématite dans leurs solutions de boue que la barite, et d’obtenir les mêmes résultats. Il en résulte un coût plus faible pour peser la boue, et moins de particules solides dispersées à travers la boue. L’hématite est en outre considérée comme un bon choix pour les utilisations de forage car il est incroyablement pur et sans contaminants comme extrait. En outre, une meilleure performance en termes de besoin réduit de dilution, d’amélioration du taux de pénétration et d’une capacité plus élevée de tolérance aux solides sont d’autres qualités associées à l’hématite en tant qu’agent de pondération pour les applications de forage(7). L’utilisation majeure de l’hématite en tant qu’agent de forage dans l’exploration pétrolière est dans le forage en profondeur(8).

poudre d’hématite
poudre d’hématite

Hématite dans la boue à base d'huile

Les GME se caractérisent par une phase continue à base d’huile, avec de l’eau dans une phase dispersée aux côtés d’autres additifs tels que les émulsifiants et les gélifiants.

Le mouillage est une préoccupation pour le forage OBM. Le mouillage est l’endroit où l’eau adhère aux solides dans la boue, soit les agents de pondération ou autrement. Les matériaux qui sont enclins au mouillage peuvent causer l’excès d’eau pour atteindre la zone de forage, ce qui peut entraîner l’agglutination des solides, conduisant à de graves inefficacités dans le processus de forage et la dégradation potentielle du morceau de forage. L’hématite est caractérisée comme un matériau à faible mouillage, et donc l’utilisation de ce matériau sur d’autres matériaux de pondération assurera moins de mouillage(9).

Hématite dans la boue à base d'eau

Dans les applications WBM, les lubrifiants sont souvent utilisés pour assurer le forage à haut rendement et pour réduire la friction et l’usure causées par les solides, y compris les agents de pesage tels que l’hématite. Il a été constaté qu’un ajout de 1 par volume de surfactant au mélange de boue était suffisant pour réduire les coefficients de frottement de 60 - augmentant la longévité du bit de forage(10). Dans les scénarios WBM, l’hématite peut être utilisée en quantités allant jusqu’à 20 par poids, avec une diminution notable de la sédimentation par rapport à la borite due à la teneur élevée en oxyde de fer(11).

Hématite et rhéologie

La rhéologie se réfère à l’écoulement de la matière, et en particulier dans l’espace de forage, le flux plastique des solides (cela ne doit pas être confondu avec les plastiques comme une materia)l. Le flux plastique est un mouvement proportionnel à une force appliquée, et plus particulièrement à l’exploration pétrolière, à une forme ou à un changement de phase résultant d’une telle force. Les propriétés rhéologiques sont profondément affectées par la présence de matériaux solides, et donc l’ajout d’hématite à un fluide aura un impact sur ses performances rhéologiques. La taille des particules est cruciale (pas plus de 25 m, mais souvent beaucoup moins)(12). Dans de multiples études, l’hématite a produit des valeurs de densité plus élevées, une meilleure capacité de gélification et une plus grande viscosité plastique que la barite(13), en particulier à des profondeurs profondes et ennuyeuses. Ces qualités sont continues avec des projets de forage en profondeur à long terme réussis, offrant des trous de forage stables.

tête de forage refroidie liquide
Forage

Hématite, fluides de forage et environnement

Le forage pétrolier n’est pas connu comme l’activité la plus respectueuse de l’environnement. L’hématite elle-même n’est pas toxique, mais il faut faire attention pour ne pas libérer trop de liquide de forage, en particulier dans les environnements marins, en particulier s’il est du type OBM. Barite est décrit comme non toxique seulement en raison de son insolubilité dans l’eau. Comme pour tous les procédés industriels, la réduction de la quantité de tout matériau utilisé est avantageuse - les déchets de forage sont le deuxième plus grand flux de déchets provenant de l’exploration(14). L’utilisation d’hématite au lieu de barite ou de manganèse peut aider en cela en raison de la densité plus élevée susmentionnée donc plus faible exigence de masse.

Considérations lors de l'utilisation de l'hématite dans les fluides de forage

L’hématite est un matériau beaucoup plus difficile que le barite. En tant que tel, l’hématite peut elle-même causer l’usure sur le bit de forage et la colonne dans des situations de forage à long terme, en plus de haute pression. La recherche a montré que la diminution de la taille des particules d’hématite et l’assurance d’une gamme étroite de tailles de particules entraînent un effet positif sur l’érosion des bits de forage, c’est-à-dire moins d’érosion au fil du temps, avec des délais comparables à la barite(15). Il a été proposé que l’hématite ne remplace suffisamment le barite que si elle est finement moulue à une taille d’au plus 25 m(16).

En raison des propriétés avantageuses de l’hématite, du barite et du manganèse, dans certaines situations, une combinaison de ces matériaux est utilisée comme matériaux de pondération. Par exemple, une opération de forage peut vouloir profiter de la longévité et de la dureté de l’hématite, de l’inertie large du barite et des propriétés d’oxydation du tétroxide de manganèse(17) pour fournir une phase de pondération gratuite dans la boue adaptée à la composition rocheuse/sédimentaire locale(18).

boue d’hématite sur l’arbre de forage
Forage

Sommaire

  • L’hématite est en train de devenir un choix populaire en tant qu’agent de pondération dans les fluides de forage pour les applications de production dans le secteur pétrolier et gazier
  • Utilisé dans les fluides de boue à base d’huile et d’eau, l’hématite fournit des propriétés rhéologiques améliorées, et une gravité spécifique plus élevée, ce qui signifie qu’une diminution de celui-ci peut être utilisée par rapport à ses concurrents pour obtenir le même résultat.
  • L’hématite est apprécié pour être très pur au point d’être miné et très dur, en plus d’être économiquement attrayant
poudre d'oxyde de fer rouge dans un pot

Références

1 G. R. Gray et coll., Drilling Fluid Components, in Composition and Properties of Drilling and Completion Fluids, 7th ed., Elsevier, Cambridge, MA, États-Unis, 2017

2 J. M. Davies et P. F. Kingston, Sources of Environmental Disturbance associated with Offshore Oil and Gas Developments, North Sea Oil and Gas Resource - Environmental Impacts and Responses, Elsevier, Londres, 1992

3 M. E. McRae, Barite 2016 Materials Yearbook, United States Geological Survey, Washington DC, 2016

4 A. Mohamed et coll., Durabilité, 2009, 11, 5617

5 A. M. Al Moajil et coll., Evaluation of Dispersants for Drilling Fluids based on Manganese Tetraoxide, in: IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition, Tianjin, 2012

6 J. P. Rupert et coll., The Effects of Weight Material Type and Mud Formation on Penetration Rate Using Invert Oil Systems, in: SPE Annual Technical Conference, San Antonio, TX, États-Unis, 1981

7 J. Tovar et coll., An Improved Hematite for Drilling Fluids, dans: SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference, Caracas, 1999

8 S. D. Ukeles et B. Grinbaum, Drilling Fluids, dans: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5th ed., Wiley, Weinheim, Germany, 2000

9 J. T. Cline et coll., Wettability Preferences of Minerals Used in Oil-Based Drilling Fluids, in: SPE International Symposium on Oilfield Chemistry, Houston, 1989

10 J. M. Gonzalez et coll., Colloïdes et surfaces A: Physicochem. Eng. Asp., 2011, 391, 216

11 P. Ranjan et A. Dutta, Int. J. Dev. Res., 2017, 7, 16806

12 P. Xu et coll., R. Soc. Ouvrez Sci., 2018, 5, 180358

13 P. O. Ogbeide et S. A. Igbinere, FUTOJNLS, 2016, 2, 68

14 S. I. Onwukwe et M. S. Nwakaudu, Int. J. Env. Sci. Dev., 2012, 3, 252

15 G. Quercia et coll., Wear, 2009, 266, 1229

16 A. Tehrani et coll., Alternative Drilling Fluid Weighting Agents: A Comprehensive Study on Ilmenite and Hematite, in: IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition, Fort Worth, TX, États-Unis, 2014

17 A. M. Al Moajil et coll., Enlèvement du gâteau filtre formé par des fluides de forage à base de tétraoxide de manganèse,dans : SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control, Lafayette, LA, États-Unis, 2008

18 US Patent US6248698B1, 1999, expiré