Relationship Between Composition, Structure and Permeability of Drilling Filter Cakes Relations entre la composition, la structure et la perméabilité des cakes de forage

Abstract

During drilling operations there is a need to build mud cakes as impervious as possible on the wall of the borehole to prevent damage by fluid loss. To establish the relationship between the filtration properties of mud filter cakes and their structure, drilling fluids containing montmorillonite clay, flexible (Drispac) or rigid (xanthan) anionic polymers, electrolytes and barite were investigated. Standard API filtration and polymer adsorption measurements were performed. The cake structure was vizualized by cryoscanning electron microscopy. Our study establishes the mechanism of filtration reduction properties of drilling filter cakes. Filtration measurements and cryomicroscopy show that a well dispersed suspension forms a well connected, homogeneous network that prevents fluid loss. Addition of salts to the drilling fluid promotes the aggregation of the clay particles and introduces heterogeneities so that the fluid loss is increased. Addition of anionic polymers causes a better dispersion of the clay particles in the suspension which lowers the filtration rate. In the presence of both salts and polymers, there is a competition effect between the salt-induced aggregation of the clay particles and the dispersion due to polymers, largely governed by the concentration and valence of the electrolytes and the flexibility of the polymers. During the filtration process more filtration reduction properties are obtained by non adsorbed polymers which clog the pores of the cake network and further reduce the filtration rate. The different behavior of the flexible (Drispac) and the rigid polymer (xanthan), can be used to optimize their applications in drilling fluids depending on field conditions (temperature, salt conditions). Afin d'éviter l'endommagement des puits par une perte de fluides, il est nécessaire de former, au cours du forage, un cakeaussi imperméable que possible sur la paroi des puits. L'objectif de l'étude est d'établir des relations entre la composition des fluides de forage, la texture des cakes et leurs propriétés de filtration. Les fluides modèles étudiés contiennent une argile, la montmorillonite, deux polymères anioniques, flexible (Drispac) et rigide (xanthane), et des électrolytes. Des mesures de filtration (standard API) et d'adsorption de polymères ont été effectuées, et la structure du cake a été visualisée par cryomicroscopie. Notre étude permet d'établir le mécanisme de réduction de filtrat par les cakes. Les mesures de filtration et la cryomicroscopie montrent qu'une suspension bien dispersée forme un réseau bien connecté et homogène qui évite la perte de fluide. L'addition de sels dans une suspension d'argile favorise l'agrégation des particules d'argile et augmente la perte de fluide. L'addition de polymères anioniques améliore la dispersion des particules d'argile dans la suspension. En présence de sels et de polymères, un effet de compétition intervient entre l'agrégation induite par le sel et l'effet dispersant des polymères, influencé par la concentration et la valence des électrolytes et la flexibilité des polymères. Une réduction supplémentaire de filtrat est due au polymère non adsorbé sur l'argile qui colmate les pores du réseau et diminue encore le taux de filtration. Les deux polymères, flexible (Drispac) et rigide (xanthane), se comportent différemment en présence de calcium et à haute température. Ces propriétés peuvent être utilisées pour optimiser la formulation des fluides de forage en fonction des conditions de champ.