Dans le domaine de la géotechnique, les boues de forage font partie des "fluides de forage" (à ne pas confondre avec les « Fluides de fracturation » qui sont injectés par les mêmes voies).
vignette|250px|Vues du système de gestion des boues de forage
Les boues de forages ont plusieurs fonctions techniques essentielles dans la réussite d'un forage, notamment dans les forages profonds et forages dirigés ;
Elles sont notamment utilisées dans les forages de pétrole et de gaz naturel, mais également pour des forages plus simples, destinés par exemple à produire de l'eau potable.
Composées de produits naturels et/ou synthétiques, ces boues ont une densité et composition que l'« ingénieur des boues » (mud engineer) affecté au forage peut adapter aux besoins, et en particulier selon la pression et la température du substrat (La roche peut atteindre plusieurs centaines de degrés Celsius dans les forages profonds ; 200 à à partir de de profondeur ; à la suite de l'épuisement des ressources, de telles conditions sont de plus en plus fréquentes dans les forages visant la recherche ou l'exploitation de ressources fossiles dites « non conventionnelles » ; « pétrole non conventionnel » ou « gaz à condensats » par exemple). Composition et typologies des boues On trouve deux grandes catégories de fluides : boues à base d'eau et de particules. Il peut par exemple s'agir de bentonite en suspension dans de l'eau, ou dans de la saumure). Du pétrole peut être émulsifié dans le mélange, mais l'eau reste la phase dominante dite « continue » (« » en anglais) ; boues à base de pétrole mélangé avec des particules en suspension (matériaux naturels et additifs). Mais des centaines ou milliers de compositions différentes sont possibles pour le fluide de forage qui est adapté à la profondeur, nature de la roche forée, pression rencontrée, et à la température dans le cas des forages profonds.
Parmi les fluides de forage, les boues peuvent être classées selon leur composition et leurs additifs ; boues aqueuses (aussi dites « WBM » pour « Water-based mud ») : Il s'agit d'eau additionnée d'argiles et de divers produits chimiques, de manière à créer un mélange homogène. Leur consistance évoque celle d'un chocolat au lait ou d'un malt (selon la viscosité). La phase argileuse est habituellement constituée d'un mélange d'argiles indigènes mises en suspension dans le fluide pendant le forage et/ou d'argiles spécifiques achetées en tant qu'additif de fluide de forage ; L'argile la plus communément utilisée est la bentonite. Cette dernière est souvent qualifiée de gel dans le domaine pétrolier, car en solution dans l'eau à un certain dosage ; elle forme un fluide qui tant qu'il est pompé, reste fluide (comme un chocolat au lait légèrement épais), mais qui - dans le puits - devient un gel relativement résistant à l'écoulement quand le pompage cesse (thixotropie). Dès qu'une force suffisante de pompage est appliquée à « briser le gel », il redevient fluide.
De nombreux produits chimiques (ex formiate de potassium) sont ajoutés à la boue pour lui donner des propriétés particulières (en matière de poids et densité, de viscosité, de stabilité, de résistance à la chaleur, ou en matière de taux de pénétration du substrat, de capacité de refroidissement et lubrification de l'équipement, ou pour lui donner un caractère biocide ou limitant le risque d'entartrage ou de corrosion des tubes, vannes, etc) ; boues non aqueuses (aussi dites « oil-base mud » ou « OBM » par les anglophones). Elles peuvent être dispersées (émulsionnées) ou non dispersées. Elles sont généralement à base de pétrole ; En raison de leur caractère polluant et pour des raisons de coût, après avoir fait l'objet de divers progrès techniques, elles tendent à être remplacées par des boues sans pétrole ; boues synthétiques, chimiques, éventuellement mélangées avec de l'air (« fluide Air/polymère », le polymère pouvant par exemple être un agent moussant) Boue à base d'hydrocarbures (ou « OBM » pour Oil-based mud). L'hydrocarbure est généralement un produit courant tel que du carburant diesel. Ces fluides ont été beaucoup utilisés pour leurs qualités de lubrification accrue, une moindre tendance à dissoudre l'argile et parce que très résistants aux températures élevées (sans se décomposer) ; Fluides synthétiques (ou « SBM » pour « Synthetic-based fluid ») ; ce sont des boues à base d'huile synthétique. Certaines sont réputées beaucoup moins toxiques pour les opérateurs (on les nomme alors « LTOBM » pour « Low Toxicity Oil Based Mud » ; elles sont très utilisées sur plates-formes offshore, car ayant les propriétés d'une boue à base de pétrole, mais dont les émanations sont moins toxiques, ce qui est important quand les hommes sont contraints de travailler dans un espace restreint comme celui d'une plate-forme de forage offshore ; Autres fluides de forage ; Ils sont notamment utilisés dans les cas où des fluides incompressibles ne sont pas nécessaires ou pas souhaitables. Ce sont notamment des fluides à base d'estersKenny, Patrick, Ester-based muds show promise for replacing some oil-based muds. Oil and Gas Journal. 8 novembre 1993; 91 (45):88-91. (Résumé)., ou encore des fluides gazeux (pouvant utiliser une large gamme de gaz dont de l'air comprimé (qui peut même être utilisé seul comme « fluide de forage »). Dans le cas d'utilisation d'air ou de mélange air/eau, la circulation de l'air se fait alors grâce à un compresseur dont la puissance dépend de la profondeur du forage. La boue « classique », quant à elle, circule au moyen de pompes spécifiques dites « pompes à boues. »
Lors d'une même opération de forage, l'opérateur peut faire varier la composition physicochimique du fluide de forage pour l'adapter au contexte (conditions de pression, température, profondeur, acidité, résistance, etc. rencontrées lors de la pénétration de la roche par le trépan)Glossaire Oilfield / Champs de pétrole (en anglais)Glossaire Schlumberger . Le fluide doit être choisi et adapté de manière à éviter les dommages de la formation forée (afin que le puits ne s'effondre pas ou que ses parois ne se dégradent pas) mais aussi de manière à limiter la corrosion. Un forage est généralement accompagné par un expert en boue de forage, qui modifie la composition, la pression ou le volume de la boue selon les besoins et « surprises » du forage (des pertes subites de fluides, ou hausse de pression en général). Des sociétés telles qu'Halliburton proposent une grande variété de fluides et d'additifs chimiques ou « naturels » pour tous les types de forages. Certains de ces additifs, perdus dans le sous-sol, ou volontairement injectés dans les puits sont accusés de contribuer à polluer le sous-sol, les nappes phréatiques ou l'air, notamment dans le cas du gaz de schiste.
Les additifs De très nombreux additifs sont utilisés, notamment pour les forages pétroliers ou gaziers profonds.
De l'eau ou de la saumure peuvent être émulsifiés dans le pétrole, mais ce dernier reste la phase continue et dominante.
Des pompes spéciales dites « pompes à boues lourdes »Exemple de Pompe à boue lourde (heavy density mud pump) sont nécessaires pour l'injection des "boues lourdes" enrichies en barytite (ou baryte, minéral lourd composé de sulfate de baryum de formule BaSO), hématite, etc.
Les additifs des boues, sont par exemple : des épaississants et gélifiants (pour modifier la viscosité de la boue) ; glycol… Dans cette catégorie d'additifs, on cherche maintenant à utiliser des produits peu couteux et moins écotoxiques, dont des matériaux naturels (ex. : gélifiants à base d'algue par exemple tels qu'alginates, caréghénanes, scléroglucane, xanthane, agar-agar), de l'amidon ou des dérivés de la cellulose (Cellulose(carboxyméthyl) ainsi que diverses protéines (gélatine, caséine) ou des gommes (gomme arabique, gomme ghatti), des polysaccharides dont par exemple wellane (Gelritle S-60 dit gellane, éventuellement désestérifié) ou encore des minéraux tels que le carbonate de calcium ou des dérivés cellulosiques (cellulose polyanionique, dite PAC ou carboxyméthylcellulose) ; divers polymères, copolymères, terpolymères synthétiques, William Alexander, Composition and method of controlling lost circulation from wellbores, brevet Patent number: 4836940 - Filing date: 1987-09-14, publication 1989-06-06 issus de la carbochimie tels que polyacrylamides, composés de polyéthylène, polyacrylates, alcool polyvinylique, dérivés de tachryloxyéthylphosphate, d'acides acaroxyliques polymérisés et leurs sels, polymères à base d'acide sulfonique, d'hydrocarbures aromatiques ou aliphatiques, et des polymères à base d'acryliques ou méthacrylique, et de nombreuses autres molécules. Ces polymères peuvent avoir aussi fait l'objet d'un traitement de surface préalable par des amines polyquaternaires pour améliorer leur capacité à absorber et/ou retenir l'eau ; des « défloculants » (parfois improprement nommés dispersants) ; ils empêchent la floculation de certains composants et additifs des boues ; Ce sont par exemple des polymères anioniques ((e.g. acrylates, polyphosphates, lignosulfonates (Lig) acides dérivés de tannins tels que le Quebracho) et nombreux autres polymères de synthèse solubles dans l'eau tels qu'acrylates). Leur rôle est de neutraliser les charges positives de certaines particules en suspension dans le fluide de forage (argiles et dérivés aryl-alkyl de l'acide sulfonique notamment) ; les boues rouges (Red mud) était le nom donné aux mixtures à base de Quebracho (sels d'acides taniques) communément utilisées dans les années 1940s et 1950s, avant que les lignosulfonates ne les rendent obsolètes ; des lubrifiants ; des inhibiteurs de certaines réactions chimiques ; des agents colmatant (« fluid loss additives ») visant à limiter les pertes de fluides dans la couche géologique forée. de l'EDTA (éthylène diamine tétraammonium) peut être utilisé comme séquestrant chimiqueBrevet : Method using gellan for reducing the filtrate of aqueous drilling fluids (European Patent EP0662563) ; des émulsifiants ou anti-émulsifiants, éventuellement mélangés à de l'eau et/ou à un flux de gaz ou d'air à haute pression (pour contrôler la remontée des matériaux du fond vers la surface ; des biocides visant à limiter la pullulation de colonies de bactéries susceptible de former des biofilms ou accélérer ou aggraver la corrosion des tubes de métal ou des ciments nécessaires à l’étanchéité des puits. En forage profond, ou après un certain temps, ces bactéries peuvent aussi favoriser la formation des tartres ou « tartres exotiques » très difficiles à nettoyer, même par des acides ou moyens mécaniques. On appelle acides à boue ou mud acid les acides forts destinés (une fois ajoutés à a boue de forage) à [Dictionnaire des sciences et techniques du Pétrole], voir la rubrique "Mud".
Boues dite « lourdes » ou ultra-lourdes Ce sont des boues qui sont composées d'un mélange de pétrole ou diesel et de minéraux lourds (ex. : chlorure de calcium) ou de minéraux lourds.
Leurs caractéristiques de compressibilité diffèrent de celles des boues à base de diesel et pétrole ou "eau-diesel-pétrole" (water- and diesel-oil-based muds), mais elles sont également plus sensibles à la dilatation thermique.
Ces boues sont très utilisées pour les forages profonds HT HP.
Des additifs spéciaux peuvent être utilisés pour les adapter aux hautes pressions et températures ;
Pour le cas particulier des fluides de fracturation, voir l'article les concernant ;
Fonctions des boues de forage Elles ont notamment les fonctions suivantes :
Lubrification / Refroidissement La boue de forage (ou un autre fluide) vise à faciliter le forage de la roche, en lubrifiant le trépan (la tige de forage, la tête de forage et l’aléseur) puis en le refroidissant.
Remontée des déblais de forage