Pickering Stabilized Drilling Fluids for deep and ultra-deep Drilling Operations Ramy Ghosn

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Ramy Ghosn. Pickering Stabilized Drilling Fluids for deep and ultra-deep Drilling Operations. Chem- ical engineering. Université Paris-Saclay, 2016. English. ￿NNT : 2016SACLY022￿. ￿tel-01573468￿

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NNT : 2016SACLY022

THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PARIS-SACLAY PREPAREE A “ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DE TECHNIQUES AVANCEES”

ECOLE DOCTORALE N°579 Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences

Spécialité de doctorat : Génie Des Procédés

Par

M. Ramy GHOSN

Pickering-Stabilized Drilling Fluids for Deep and Ultra-Deep Drilling Operations

Thèse présentée et soutenue à « Palaiseau», le « 20 Décembre 2016 »

Composition du Jury : M, BARBOUX, Philippe Professeur, Chimie ParisTech Président Mme, PEZRON, Isabelle Professeur, UTC Compiègne Rapporteur M, CHEVALIER, Yves Directeur de Recherche, Université Lyon 1 Rapporteur M, MIHELIC, François Docteur, Oil Recovery Services (ORS) Examinateur M, DALMAZZONE, Didier Professeur, ENSTA ParisTech Directeur de thèse M, HOCHEPIED, Jean-François Chargé de recherche, Mines ParisTech Co-directeur de thèse

REMERCIEMENTS

A l'issue de la rédaction de cette thèse, je suis convaincu que ce travail est loin d'être un travail solitaire. En effet, je n'aurais jamais pu le réaliser sans le soutien d'un grand nombre de personnes dont la générosité, la bonne humeur et l'intérêt manifesté à l'égard de ma recherche, m'ont permis de progresser et de l'achever.

En premier lieu, je remercie mon directeur de thèse, Monsieur Didier DALMAZZONE, pour la confiance qu'il m'a accordé dès le début de la thèse pour diriger mon travail en me donnant une grande autonomie, ainsi que pour sa patience et le temps qu'il m'a consacré surtout dans la dernière partie de la thèse.

Je remercie également mon co-directeur de thèse, Monsieur Jean-François HOCHEPIED, pour sa contribution dans les expériences, son soutien et son dynamisme personnel et professionnel.

Un grand merci pour mon encadrant, Monsieur François MIHELIC, qui a toujours été prêt à m'aider et à m'encourager, par sa perspective jeune et dynamique du monde industriel en général, et pétrolier en particulier, qui m'a permis de beaucoup m'enrichir de son expérience dans ce domaine.

Ce travail n'aurait pu être mené à bien non plus sans l'aide de toute l'équipe d'Oil Recovery Services (ORS Group), à commencer par Monsieur Zahi KATTAR, le gérant de l'entreprise. Cette PME n'a pas seulement financé ma thèse et contribué au soutien matériel, mais elle m'a aussi accueilli chaleureusement pour faire partie de son équipe à Paris. Je n'oublie pas non plus de remercier Madame Florence JOURNET pour sa patience et sa contribution indispensable dans la partie administrative de cette thèse.

J'exprime encore tous mes remerciements à l'ensemble des membres de mon jury: Monsieur Philippe BARBOUX, Madame Isabelle PEZRON et Monsieur Yves CHEVALIER. Je remercie toute l'équipe de l'ENSTA ParisTech en général et, plus particulièrement, l'équipe de l'Unité de Chimie et Procédés (UCP) présidée par Monsieur Laurent CATOIRE qui m'ont permis de réaliser ma thèse dans leur laboratoire.

J'exprime ma gratitude à l'Association Nationale de Recherche et Technologie (ANRT) qui a contribué au financement d'une partie de cette thèse CIFRE.

Je remercie particulièrement mes ami(e)s et collègues que j'ai rencontrés par le biais de l'UCP durant ces trois ans, en commençant par Luiz-Paulo SALES SILVA, Adeline TROUVÉ, Aurélie DOS SANTOS et Amokrane BOUFARES, pour les moments inoubliables qu'on a passés ensemble, pour leur soutien, pour leur aide, pour leur humour et leur amitié qui nous réunit aujourd'hui.

Enfin, les mots les plus simples étant les plus forts, j'adresse toute mon affection à ma famille et en particulier à mes parents et à ma chère sœur. Vous m'avez donné beaucoup de votre intelligence, votre confiance, votre tendresse et votre amour qui me guident tous les jours. Merci pour m'avoir aidé à être ce que je suis aujourd'hui. Je vous aime.

Merci à la personne qui a pris mon cœur et mon esprit depuis 5 mois. La personne qui m'a supporté pendant les 5 mois les plus difficiles de la thèse. Tu m'as permis de me lever chaque matin, motivé, le cœur léger et l'esprit tranquille. Tes mots de confiance et de fierté que tu m'as répétés chaque jour sont la source de ma réussite aujourd'hui. Je t'aime pour toujours!

Une pensée en terminant ces remerciements pour mon père, qui n'a pas vu l'aboutissement de mon travail, mais je sais que tu aurais été fier de ton fils! List Of Contents

LIST OF CONTENTS

List of Figures……………………………………………………………………………...... i List of Tables…………………………………………………………………………………. v Nomenclatures……………………………………………………………………………...... vii INTRODUCTION………………………………………………………………………….... 1 Chapter 1. Bibliographic Report………………………………………………………….. 5 1.1. Introduction to Drilling Fluids: Functions, Types and Properties………… 6 1.1.a. Introduction………………………………………………………………...... 6 1.1.b. Functions of Drilling Fluids………………………………………………... 9 1.1.c. Types/Classification of Drilling Fluids…………………………………… 9 1.1.d. Rheology of Drilling Fluids……………………………………………….... 12 1.2. Emulsions: Composition, Stability and Characterization…………………… 22 1.3. Pickering Emulsions in the Oil and Gas Industry……………………………. 32 1.3.a. Introduction to Pickering Emulsions……………………………………... 32 1.3.b. Pickering Emulsions for Oil & Gas……………………………………….. 38 Conclusion………………………………………………………………………………… 43 Chapter 2. Experimental Techniques…………………………………………………….. 45 Introduction……………………………………………………………………………… 45 2.1. Composition of Drilling Fluids………………………………………………….. 46 2.1.a. Surfactant-stabilized OBM sample preparation……………………….... 47 2.1.b. Pickering W/O emulsions preparation…………………………………..... 49 2.1.c. Pickering O/W emulsions preparation……………………………………. 52 2.1.d. Type of emulsions……………………………………………………………. 53 2.1.e. Composition of the aqueous phase………………………………………… 53 2.2. Electrical Stability…………………………………………………………………. 53 2.3. Microscopy and Droplet Size Distribution……………………………………... 56 2.4. Rotational and Oscillatory Rheology…………………………………………… 57 2.4.a. Flow Curve Measurements……………………………………………….... 59 2.4.b. Amplitude Sweep Measurements…………………………………………... 60 2.4.c. Thixotropic /Gel Strength Measurements………………………………… 61 2.5. Aging…………………………………………………………………………………. 63 2.6. HTHP Rheology……………………………………………………………………. 64 Chapter 3. Pickering Oil-Based Drilling Fluids……………………………………….. 68 Introduction……………………………………………………………………………… 68 3.1. Stability to Coalescence/Sedimentation…………………………………………. 70 3.2. Effect of Oil-Water-Ratio (OWR)………………………………………………... 73

List Of Contents

3.3. Effect of the Aqueous Phase Composition……………………………………… 79 3.3.a. Effect of pH of Water………………………………………………………... 79 3.3.b. Effect of salt concentration…………………………………………………. 82 3.4. Effect of the Oil Continuous Phase Composition……………………………... 84 3.5. Effect of Adding Clay Particles…………………………………………………... 88 3.6. Effect of Aging……………………………………………………………………… 93 3.6.a. Without Clay Particles……………………………………………………… 93 3.6.b. With Clay Particles………………………………………………………….. 97 3.7. High-Temperature/High-Pressure Rheology…………………………………... 100 Conclusion………………………………………………………………………………… 107 Chapter 4. Pickering Water-Based Drilling Fluids…………………………………….. 109 Introduction……………………………………………………………………………… 109 4.1. Stability of Pickering WBM……………………………………………………… 110 4.1.a. Effect of particle size and wettability……………………………………… 110 4.1.b. Effect of OWR………………………………………………………………… 115 4.2. Water Phase composition…………………………………………………………. 118 4.2.a. Effect of pH of water………………………………………………………… 118 4.2.b. Effect of salt concentration…………………………………………………. 124 4.3. HTHP Rheology……………………………………………………………………. 128 Conclusion……………………………………………………………………………….. 132 Conclusion and perspectives……………………………………………………………… 133 References…………………………………………………………………………………….. 139

List of Figures

List of Figures

Figure 1.1.1: Various Sources of Energy Consumption Statistical Review…………… 6 Figure 1.1.2: (a) Example of a reservoir (b) The drilling Mud Cycle……… 7 Figure 1.1.3: Classification of Drilling Fluids…………………………………………….. 10 Figure 1.1.4: Sketch showing the difference between laminar and turbulent flows inside a pipe………………………………………………………………………………...... 13 Figure 1.1.5: Shear Stress - Shear Rate plot for a Newtonian Fluid…………………… 14 Figure 1.1.6: Flow curve for a Bingham-Plastic fluid……………………………………. 16 Figure 1.1.7: Flow curve for a Power Law fluid exhibiting N<1……………………….. 16 Figure 1.1.8: Hurschel-Bulkley Rheological Model for N<1………………………...... 18 Figure 1.1.9: Amplitude Sweep of a Sample………