Question centrale

Comment la viscosité de la boue de forage permet-elle d'éliminer les déblais d'un puits de forage ?

Matériel requis

• Goujon en bois d'environ 30 cm de long et 1,3 cm de diamètre
• Tube en plastique transparent d'environ 15 cm de long et 1,3 cm de diamètre intérieur
• Sable
• Eprouvette transparente en plastique graduée ayant un diamètre intérieur d'environ 2,5 cm
• Eau
• Shampoing transparent
• Ruban adhésif
• Papier de verre
• Serviettes en papier
• Lunettes de sécurité

Idées principales et notions de base

• La viscosité est la propriété des fluides à résister à l'écoulement. Les liquides épais, tels que l'huile et le shampoing, sont plus visqueux que l'eau.
• Un liquide visqueux freine tout mouvement d'un objet à l'intérieur. Plus un liquide est visqueux, plus l'objet rencontre de résistance à se déplacer. Par conséquent, un objet se déplacera plus facilement dans un liquide à faible viscosité, comme l'eau, mais sera plus lent à tomber, par exemple, dans l'huile ou le shampoing qui sont deux liquides à viscosité plus forte.

• Un liquide très visqueux freinera tellement le déplacement d'un objet que ce dernier semblera en suspension ou immobile.
• Lorsqu'une boue de forage visqueuse est introduite dans un puits, elle peut entraîner les déblais à la surface. Si la boue de forage n'est pas suffisamment visqueuse, les déblais retombent au fond du puits.
• Un autre facteur important (non traité dans le cadre de cette expérience) est la vitesse de la boue de forage. Plus la vitesse de la boue est importante lorsqu'elle remonte, plus les déblais sont entraînés vers la surface.
• Notez que la viscosité n'est pas liée à la densité de la boue, bien que cette dernière soit une propriété importante de la boue. Les ingénieurs régulent la densité de la boue pour compenser la pression dans le puits, afin d'éviter à la fois une fuite de fluide (résultant de la pression d'une boue excessivement dense) et une éruption du puits (résultant d'une pression insuffisante due à une boue de densité trop faible).

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Les élèves doivent d'abord mettre le sable au fond de l'éprouvette graduée avant d'ajouter l'eau ou le shampoing.
• Lors de l'insertion du goujon dans le tube, assurez-vous que celui-ci peut bouger doucement en restant en contact avec tout l'intérieur du tube.
• Pour de meilleurs résultats, enfoncez le goujon dans le tube, jusqu'à ce que son extrémité soit alignée à celle du tube.
• Insérez le tube et le goujon dans l'éprouvette, jusqu'à ce que les extrémités se trouvent juste en dessous de la surface du liquide. Laissez l'extrémité du goujon à ce niveau, tout en enfonçant le tube jusqu'au fond. Le fait de pousser le tube au fond de l’éprouvette permet de remplir de liquide la partie qui se trouve sous l'extrémité du goujon.
• Lorsque vous enfoncez le goujon, il est important de préserver sa stabilité et de procéder doucement. Bien que cela soit tentant, les élèves ne doivent pas enfoncer le goujon en force. Ce mouvement n'est pas sensé entraîner l'introduction rapide d'un fluide mais doit plutôt simuler la course d'une pompe poussant le fluide de forage dans un puits, sans à-coups.
• Encouragez les élèves à observer attentivement le mouvement du sable lorsque le goujon s'enfonce. Cela constitue le moment critique dans le puits, lorsque le fluide de forage déplace les déblais et les fait remonter.
• Lors du nettoyage après avoir utilisé le shampoing, nous conseillons aux élèves de vider autant de shampoing que possible dans des serviettes en papier, puis de jeter celles-ci à la poubelle. Cela réduira la quantité de mousse et de bulles dans l'évier lors du nettoyage final à l'eau courante.

Discussion

1. Décrivez et expliquez ce qu'il s’est passé lorsque l'eau a commencé à s’écouler puis s'est arrêtée. (Le flux d'eau sortant par le fond du tube a déplacé les particules de sable et a commencé à les entraîner vers le haut. L'eau n'était pas suffisamment visqueuse pour mettre les particules de sable en suspension.) 

2. Décrivez et expliquez ce qu'il s'est passé lorsque le shampoing a commencé à s'écouler puis s'est arrêté. (Le flux de shampoing sortant par le fond du tube a déplacé les particules de sable et a commencé à les entraîner vers le haut. Lorsque l'écoulement du shampoing a pris fin, les particules de sable sont restées à l'endroit où elles se trouvaient. Le shampoing était suffisamment visqueux pour mettre les particules de sable en suspension.) 
   

3. A votre avis, quelle serait l'influence d'un débit d'eau continu sur les particules de sable ? (L'écoulement de l'eau a tendance à mettre en suspension le sable qui se trouve au fond. Il est possible que certaines particules de sable soient déplacées vers le haut sur une courte distance. Ces particules ont toutefois tendance à continuer à s'enfoncer vers le bas car l'eau est peu visqueuse. Si l'eau circulait vers le haut à une vitesse plus élevée que celle de la chute du sable, les particules de sables pourraient être remontées.)

4. A votre avis, quelle serait l'influence d'un débit de shampoing continu sur les particules de sable ? (L'écoulement de shampoing, plus visqueux que l'eau, mettrait les particules de sable en suspension et les ferait remonter sans à-coups.)

Evaluation

Les élèves sont-ils capables d'expliquer dans quelle mesure la viscosité de la boue de forage facilite le retrait des déblai d'un puits ? (Une boue de forage visqueuse qui est introduite au fond d'un puits peut mettre les déblais en suspension et les entraîner à la surface avec elle. Il est possible qu'une boue moins visqueuse ne permette pas ce résultat car les déblais peuvent retomber facilement.)

Variantes et autres études

• Demandez aux élèves d'organiser des expériences avec des liquides de viscosités différentes.

• Placez le tube sous un robinet d'eau pour installer un débit continu. Etudiez différentes vitesses de débit d'eau pour déterminer si tout le sable peut être éliminé du bas de l'éprouvette. 

Métiers concernés

• Ingénieur du pétrole

• Ingénieur hydraulique

• Ingénieur fluides de forage

• Spécialiste en forages pétroliers

Glossaire/vocabulaire

viscosité
visqueux

Liens

Boues de forage - Source, encyclopédie libre Wikipédia
Définition plus détaillée de la boue de forage

Fluide de forage : le cycle de la boue sur un site de forage
Page Web SEED donnant des détails supplémentaires sur la boue de forage.

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