Rheological Behavior of Drilling Muds, Characterization Using Mri Visualization

Visualisation par IRM du comportement rhéologique des boues de forage

¹ LMSGC
² Institut français du pétrole

Corresponding author: philippe.coussot@lcpc.fr

Abstract

Drilling muds are very complex fluids used to drill oil wells; their functions are various: to carry the rock cuttings to the surface, to maintain a sufficient pressure against the rock formation, to lubricate and cool the bit. There are mainly two families of drilling muds: oil based muds (invert emulsion of brine into an oil phase with various additives) and water based muds (aqueous solutions of clays and polymers). Originally prepared from produced oil, oil based muds formulations have evolved to very complex compositions of various additives. The base oil may be of various nature, and additives are very complex: water droplets, surfactants, organophilic clays, viscosifyers, various solids and others. These additives give specific properties to the mud, particularly regarding rheological properties. Drilling muds are often described as thixotropic shear thinning fluids with a yield stress. Due to their complex composition, drilling muds exhibit an internal structure which is liable to modify according to the flowing and shear conditions, which may lead to non homogenous phenomena. It is therefore important to develop investigation techniques allowing to visualize the internal structure of the fluid in parallel to rheological measurements. In this study, we present rheological experiments coupled to magnetic resonance imaging (MRI). Using this technique, it is possible to determine the velocity profile in a viscometric flow. Conventional rheological experiments performed on two different drilling fluids formulations give similar flow curves: beyond a critical apparent shear rate there is a simple yielding behavior with an apparent plateau at low shear rates; below this critical shear rate there is a simple viscous behavior without yield stress. MRI experiments show that in fact, below this critical shear rate, no stable flow can occur and the deformation is localized in a region of the sample the dimensions of which may depend on the size of the constitutive elements. The (macroscopic) rheological behavior observed from conventional rheometric experiments is then the signature of this sheared zone and does not represent the behavior of the bulk material.

Résumé

Les boues de forage sont des fluides complexes utilisés pour le forage des puits pétroliers. Le rôle des fluides de forage est multiple : transporter les déblais rocheux jusqu'à la surface, maintenir une pression au droit de la formation rocheuse, lubrifier et refroidir l'outil. Il y a principalement deux familles de boues de forage : les boues à base d'huile (émulsions inverses de saumure dans une phase huile avec de nombreux additifs) et les boues à base d'eau (solutions aqueuses d'argiles et de polymères). Les formulations de boues à base d'huile ont beaucoup évolué et sont des formulations très complexes comprenant de nombreux additifs. L'huile de base peut être de différente nature et les additifs sont variés : gouttelettes de saumure, tensioactifs, argiles organophiles, viscosifiants, divers solides, etc. Ces additifs donnent aux boues des propriétés rhéologiques particulières. Les boues de forage sont souvent décrites comme des fluides rhéofuidifiants et thixotropes à seuil. Du fait de leur composition complexe, les boues de forage ont une structure interne qui est susceptible de se modifier selon les conditions d'écoulement et/ou de cisaillement, pouvant mener à des phénomènes non homogènes au sein du matériau. Il est donc intéressant de développer des techniques d'investigation permettant de visualiser la structure du fluide parallèlement à une mesure rhéologique. Dans cet article, nous présentons des résultats de mesures rhéologiques couplées à de l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Avec cette technique, il est possible de déterminer le profil de vitesse du fluide dans un écoulement viscométrique. Des mesures rhéologiques conventionnelles réalisées sur deux formulations de fluides de forage donnent des courbes d'écoulement similaires : au-dessus d'un gradient critique, elles présentent une comportement rhéofluidifiant avec seuil d'écoulement apparent, en dessous de ce gradient critique, on observe un comportement visqueux simple sans seuil d'écoulement. L'utilisation de l'IRM montre qu'en fait, en dessous de ce gradient critique, un écoulement stable n'est pas possible, la déformation se localise dans une zone dont la dimension peut dépendre de la taille des éléments constitutifs. Le comportement rhéologique apparent observé lors des mesures rhéologiques conventionnelles est donc la signature de cette zone cisaillée et ne représente pas le comportement du matériau dans son ensemble.