Brevet FR2533618A1 — publié le 19840330

Dispositif de détection d'un fluide de gisement dans un annulaire de forage, au niveau d'une tête de puits. La présente invention concerne un dispositif de détection d'un fluide de forage, au niveau d'une tête de puits et, plus particulièrement, d'une tête de puits sousmarine. Au cours d'un forage d'un puits au moyen d'un outil de forage rotatif, on envoie dans ce dernier une boue de forage, ou fluide auxiliaire, de composition connue, qui est utilisée comme fluide de refroidissement de l'outil de forage et de transport de déblais du terrain foré, la boue de forage remontant du fond du puits vers la tête de puits en passant dans un espace annulaire ménagé entre deux tubes concentriques. Lorsqu'un fluide de gisement tel qu'un gaz, provenant du sol foré s'introduit dans le puits de forage, il se mélange à la boue de forage. Une telle introduction de fluide de'gisement dans la boue de forage doit êtredétec- tée et l'information doit être transmise en surface dans un délai suffisant de manière à prendre les mesures de sécurité appropriées. Tout cela est bien connu des spécialistes du forage. Pour renforcer la sécurité de forage, notamment au niveau de la tête d'un puits de forage terrestre, et ame- liorer la prévention des éruptions dues à une arrivée brusque du fluide de gisement dans le puits de forage, on a mis au point des méthodes et des dispositifs qui détectent l'arrivée du fluide de gisement au fond du puits. Une de ces méthodes consiste à émettre dans le trou de forage un train d'ondes acoustiques en amont et en aval de l'extré- mité de travail de l'outil de forage, à mesurer la différence entre l'énergie acoustique réfléchie et dispersée par la boue de forage en amont et en aval de ladite extrémité de l'outil de forage, à convertir cette mesure en un signal différence et à transmettre en surface ce signal différence. Cependant, cette méthode de détection au fond du puits ne fonctionne qu'en tout ou rien, c'est-à-dire ne détecte que la présence ou l'absence d'un fluide de gisement. De plus, les seuils de détection sont trop élevés pour des puits profonds. Pour remédier à ces inconvenients, la demanderesse a proposé un nouveau procédé de détection in situ du fluide de gisement et un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé, lesquels sont décrits en détail dans le brevet français No. 7.913.090 du 23 mai 1979 ou dans le brevet US correspondant No. 4.286.461. Le procédé, brièvement rappelé, consiste à émettre dans le fond du puits de forage une onde prédéterminée à large bande de fréquence, à recevoir l'onde émise sur un récepteur, distinct de l'émetteur, à transmettre en surface les informations reçues et à déterminer la variation d'amplitude de l'onde produite par le fluide de gisement à détecter dans la boue de forage. La bande de fréquences est comprise entre 0,6 et quelques mégahertz. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé ci-dessus comporte generalement sur un raccord, interposé entre l'outil de forage et I'extrémité inférieure de la garniture de forage, une saignee pratiquée sur un secteur externe, saignée dont le profil est tel que l'écoulement du fluide de forage est homogène dans ladite saignée, les dispositifs émetteur et récepteur étant distincts, se faisant face et logés dans ladite saignée En forage terrestre, il faut éviter toute éruption, aussi faible soit-elle, car la sécurité du personnel travaillant autour de la tête de puits, doit être prioritaire. Dans ces conditions, le procédé de la demanderesse qui permet la détection immédiate de l'arrivée du fluide de gisement au fond du puits, au temps de trajet près de l'information du fond du puits à la surface, présente des avantages considérables et résout tous les problèmes de sécurité, même si en cas de défectuosité ou d'incident dans les dispositifs de mesure tels que l'émetteur et/ou le récepteur, il soit nécessaire d'arrêter le forage, de remonter l'outil de forage pour avoir accès aux dispositifs défectueux dans le but de permettre leur remplacement par des dispositifs neufs ou réparés. En forage sous-marin, à faible ou grande profondeur, la détection de l'arrivée du fluide de gisement, par exemple du gaz, est réalisée sur la plateforme de forage qui se trouve à une distance de la tete de puits égale à la hauteur d'eau comprise!entre la plateforme et la tête de puits qui, par définition, repose sur le fond marin. Une telle détection réalisée par de nombreux procédés et dispositifs connus le tels que/dégazage de la boue de forage lors de son évacuation, n'est possible que sur la plate forme. Lorsqu'une faible quantité de gaz est détectée, le personnel de forage a suffisamment de temps pour prendre les mesures de. sécurité, notamment de fermer les vannes de sécurité montées sur la tête de puits.Par contre, lorsqu'une arrivée brusque de gaz se produit dans le puits de forage et remonte, par l'annulaire, dans le riser ou tube prolongateur, il y a un risque de voir ce dernier s'écraser sous l'action de la pression de l'eau sur ledit riser. En effet, lorsque la boue de forage circulant dans le riser est dépourvue de gaz, la pression de la boue équilibre la pression de l'eau. Au contraire, lorsque la boue de forage contient une grande quantité de gaz, la pression du mélange boue de forage-gaz diminue et alors la pressio de l'eau, à l'extérieur du riser, devient plus importante et entrain une déformation du riser, laquelle déformation peut devenir si importante qu'elle peut conduire à une destruction du riser. Une telle situation est à éviter dans un forage sous-marin. Les recherches entreprises ont montré que de façon surprenante et inattendue, les procédés et dispositifs con çus pour le forage terrestre pouvaient être appliqués au forage sous-marin en les mettant en oeuvre sur la tête de puits. En effet, dans un forage sous-marin, la tête de puits se trouvant sur le fond marin, on peut mettre à profit la distance séparant la tête de puits de la plateforme de forage pour prendre les mesures appropriées lorsqu'une arrivée de gaz est détectée au niveau de la tête de puits. Ainsi, lorsque le fluide de gisement est détecté, on remonte l'information jusqu'à la plateforme où les mesures de sécurité seront alors prises. De plus, gracie à la compacité du dispositif utilisé, on ne perturbe pas les nombreux organes et éléments nécessaires au forage et prévus sur la tête de puits puisqu'il suffit, dans l'annulaire prévu pour la circulation de la boue de forage, de disposer l'émetteur et le récepteur constituant le dispositif de détection, à un endroit facilement accessible en cas d'intervention sur ledit dispositif de détection.Une solution consisterait à pratiquer une sa-ignéë verticale dans une bague ou raccord de mesure pouvant être intercalée entre l'extrémité inférieure du riser et la tête de puits, l'émetteur et le récepteur étant disposés de chaque côté de ladite saignée verticale. Un autre problème à résoudre est celui de la remontée de l'information relative à la détection du fluide de gisement. Une première solution consisterait à utiliser un des nombreux câbles reliant la plateforme- de forage à la tête de puits, ou à prévoir un câble supplémentaire reliant le dispositif de détection selon l'invention à des moyens de traitement des signaux reçus sur le récepteur, montés sur ladite plate forme, si l'on souhaite séparer totalement tout ce qui est afférent à la détection du fluide de gisement des moyens de forage proprement dits. Une autre solution proposée par la présente invention consiste à réaliser la transmission des signaux de récepteur à l'aide d'un système Sonar en couplant audit récepteur un émetteur capable d'émettre des ondes acoustiques susceptibles d'être reçues sur un moyen de réception prévu à la surface de l'eau, ledit moyen pouvant être monté sur la plateforme ou sur une bouée spéciale La présente invention a donc pour objet un dispositif de détection d'un fluide de gisement dans un puits de forage sous-marin, ledit dispositif étant monté sur la tête de puits et relié aux moyens de traitement disposés sur la surface de l'eau. Selon l'invention, le dispositif est du type comprenant un dispositif de détection d'arrivée d'un fluide de gisement dans un fluide de forage circulant à travers une tête d'un puits de forage sous-marin, du type comportant un émetteur et un récepteur ondes acoustiques disposés une faible distance en regard l'un de 1vautre, des moyens reliés à l'émetteur et aptes à générer au moins une onde acoustique, des moyens de transfert vers la surface des signaux reçus par ledit récepteur et des moyens aptes à traiter lesdits signaux transférés, et il est caractérisé en ce que l'émetteur et le récepteur sont disposés au niveau de la tête de puits et en un emplacement tel qu'ils puissent être en contact avec un mélange obtenu par l'introduction du fluide de gisement dans ledit fluide de forage L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description donnée ci-après à titre indicatif mais non limitatif d'un mode de réalisation préféré, ainsi que du dessin annexé sur lequel la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une station de forage sous-marine, la figure 2 est une vue en coupe partielle et schématique du dispositif selon l'invention, la figure 3 est une vue en coupe suivant III-III de la figure 2, la figure 4 est un schéma synoptique des différents circuits électriques du dispositif, la figure 5 représente l'atténuation de l'amplitude des signaux reçus en fonction de la concentration volumique d'un gaz dans la boue de forage, la figure 6 représente les signaux reçus pour différentes concentrations volumiques d'un gaz dans la boue de forage, l'amplitude étant en ordonnées et la fréquence en abscisses. Une station de forage en mer comprend notamment une plateforme de forage 1 sur laquelle sont montés tous les organes et dispositifs nécessaires comme par exemple une tour de forage 2. La plateforme 1 flotte à la surface de l'eau 3 et est ancrée sur le fond marin 4 par tout moyen connu non représenté. il va de soi qu'à la place de la plateforme, on peut utiliser un navire à ancrage'dynamique de plus en plus utilisé dans les forages marins à grande profondeur. Par grande profondeur, on entend des forages du sol marin situés au-delà du plateau continental. Sur le fond 4 est fixée, de façon connue en soi, une tête de puits désignée dans son ensemble par la référence 6 et traversée par les différents tubes de forage qui sont reliés à la plateforme et qui comprennent un train de tiges de forage 7 et au moins un tube prolongateur externe 8 appelé riser par les spécialistes. Entre le train de tiges ou le tube de forage 7 et le tube externe 8 est délimité un espace annulaire 9. Un fluide de forage, en l'occurence de la boue de forage de composition déterminée, est injectée depuis la plateforme 1 dans le tube de forage 7 et sert d'une part à des fins de refroidissement, et, d'autre part, à remonter vers la surface (plateforme) les déblais de forage, ladite remontée se faisant dans l'espace annulaire 9. 6 Entre la tête de puitsSet le riser 8 est disposé un dispositif de détection dDun fluide de gisement susceptible d'apparaître dans le puits de forage. Ce dispositif peut être logé dans un raccord intermédiaire 8 prolongeant le riser 8 et assurant toutes les autres fonctions normales du riser. Dans une saignée verticale 10 ménagée sur un secteur de contour intérieur du raccord de mesure 8', on dispose en regard l'un de l'autre deux transducteurs 11 et 12. Le profil de la saignée 10 est tel qu'il permette un écoulement de la houe de forage entre les transducteurs 11 et 12. Les transducteurs 11 et 12 sont du type céramiques ferroélectriques telles que celles fabriquées par la Société Quartz et Silice, notice CR 3A, et correspondant à la désignation Pl-60. De préférence, le transducteur 11 est un émetteur tandis que le transducteur 12 est un récepteur. La distance séparan4L'émetteur il du récepteur 12 est de quelques centimètres et de préférence de 3 centimètres. Le transducteur 11 est un émetteur d'ondes acoustiques alimenté à partir d'une source d'énergie électrique 13 partie intégrante d'un bottier électronique 13' (figure 1). La source d'énergie électrique 13 alimente en courant un générateur de bruit 14 connecté à un amplificateur 15 qui est relié à l'émetteur d'ondes acoustiques 11 par au moins un conducteur 16 (figure 4). Les fils de liaison 16 sont logés dans un organe de passage étanche 17 disposé dans le raccord de mesure 8'. Le récepteur 12 est connecté par des fils conducteurs 18 logés dans un organe de passage étanche 17', analogue au passage 17, à un amplificateur 19. Les fils conducteurs sont reliés au boîtier électronique 13'par des connecteurs sous-marins 18'. La sortie de cet amplificateur 19 est connectée à un filtre passe-bande 20 dont la bande passante peut être de 0,6 à 2MHz, cette gamme de fréquence étant en effet la plus sensible à la présence de bulles de gaz. La sortie de ce filtre est connectée à un voltmètre de valeur efficace 21 qui mesure l'énergie électrique de sortie du filtre. Le signal de sortie du voltmètre 21 est appliqué à l'entrée d'un circuit de codage 22. Le circuit 22 code sous forme numérique les niveaux mesurés par le voltmètre 21. Tant que l'atténuation reste inférieure à 80-85 %, les niveaux de sortie du filtre 20 seront mesurés par le voltmètre 21. Pour une atténuation supérieure à 85 %, une commutation non représentée, mais bien connue de l'homme de l'art, est excitée et permet au voltmètre 21 de mesurer le niveau de sortie d'un filtre 0-0,6 MHz associé au filtre 20 et de mesurer ainsi les fortes concentrations. Le générateur 14, les amplificateurs 15 et 19, le filtre 20 et le voltmètre efficace 21 sont alimentés en énergie électrique à partir de la source 13 et sont disposés dans un container disposé à côté du raccord de mesure 8'. Au cours du forage1 de la boue de forage est injectée dans le train de tiges 7 et remonte vers la surface par l'espace annulaire 9. Le procédé de détection consiste à émettre des ondes acoustiques complexes au moyen de l'émetteur 11. Les ondes acoustiques sont émises à toutes les fréquences comprises entre 0 et 2 MHz et traversent le milieu remplissant la saignée 10 avant d'être reçues par le récepteur 12. Dans ces conditions, tant que la saignée 10 est remplie uniquement par de la boue de forage, le récepteur 12 capte une onde dont le niveau d'énergie est par exemple Ag. Ce niveau Ag reste constant tant qu'un fluide de gisement ne se mélange pas à la boue. Lorsqu'un fluide de gisement, notamment du gaz s'introduit dans le trou de forage en se mélangeant à la boue de forage, le niveau d'énergie de l'onde acoustique reçue prend une nouvelle valeur A1. La mesure du niveau d'énergie A1 différent de Ao est significative de l'apparition d'un fluide de gisement notamment de gaz dans la boue de forage. La mesure des niveaux d'énergie successifs A1, A2, A3 différents de Ag est représentative d'autant de valeurs différentes du débit du gaz s'introduisant dans le trou de forage. En surface un appareil adapté affiche et enregistre les valeurs codées des niveaux d'énergie Ag, A1, A2, A3, ce qui permet, en temps réel, de suivre l'apparition et l'evo- lution d'un débit de gaz dans la boue de forage par la mesure de l'atténuation FRAI. Les essais effectues sur un banc de simulation dans les conditions de fond du puits ont été réalisés jusqu'à une pression de 600 bars. Le dispositif selon la présente invention a permis de réaliser les courbes représentées sur la figure 5 dans les conditions précisées ci-dessous - Boue aux FCL' (Ligno sulfonate de ferrochrome) - Viscosité Marsh : 50 - Débit de boue : 400 1/mon - Densité de boue : 1,1 Diamètre du trou F 152,14 mm - Pression de fond : 200 bars - Filtre de fréquence : 0,4 à 1 MHz. Le graphe de la figure 5 permet de constater que le seuil de détection raisonnable correspond à une concentration ss égale à environ 1 pour 10.000 volumes (courbe 40) au fond du puits soit 1 % en surface, ce qui donne une atténuation sensiblement égale à 10 %, alors qu'une venue de gaz de 5 pour 10.000 volumes au fond du puits (courbe 41) soit 10 % en surface donne une atténuation de l'ordre de 74 %. Les autres courbes montrent les atténuations en fonction d'autres concentrations ss de gaz dans la boue de forage. Si l'on veut que le capteur mesure des venues de volumes très importantes, par exemple des venues de ltor- dre de 100 % en surface on peut prévoir, dès l'obtention de l'atténuation totale du signal de fréquences supérieures à 0,4 MHz, la commande d'une porte électronique de mesure à des fréquences plus faibles et obtenir ainsi différentes échelles de mesure. En se référant à la figure 6 où l'on a représenté trois signaux recus pour des concentrations e différentes et à une température égale à 660C, on constate qu'en l'absence de gaz dans la boue de forage (S = 0), on obtient la courbe 50 qui, à partir de 0,4 MHz, se distingue des courbes 51 et 52 correspondant respectivement aux concentrations ss = 5.10 4 et 5 = 1.10 3. Par contre, au-dessous de 0,4 MHz les trois courbes 50 à 52 se confondent pratiquement. Dans le dispositif décrit ci-dessus les signaux délivrés par le circuit de codage 22 sont transmis par câble aux moyens de traitements classiques non représentés et situés sur la plateforme 1, les câbles de transmission des signaux pouvant être séparés ou incorporés dans les nombreux câbles électriques qui relient la tête de puits 6 à ladite plateforme 1. Dans un autre mode de réalisation ia transmission en surface des signaux délivrés par le circuit de codage 22 est réalisée au moyen d'un Sonar incorporé dans un circuit 23 connecté au circuit 22 et alimenté à partir de la source d'énergie électrique 13. I1 va de soi qu'une telle source d'énergie 13 doit être adaptée aux besoins, non seulement des autres circuits électriques du dispositif mais également du Sonar qui devra émettre en permanence pendant toute la durée du forage qui peut être de quelques mois. De telles sources existent déjà et sont constituées par des batteries dont la durée de vie est de l'ordre d'un an. De manière à s'affranchir des masses métalliques présentes entre la tête de puits et la plateforme 1, l'émetteur du Sonar émet des ondes acoustiques sous forme d'un faisceau étroit et dirigé vers un récepteur Sonar disposé sur la plateforme 1 . De plus et de façon avantageuse, on pourra décaler l'émetteur du Sonar de manière à éviter une interception du faisceau d'ondes émis par les masses métalliques ou de toute autre matière qui sont nécessaires au forage et présents entre la plateforme et la zone de forage. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation de l'exemple décrit et représente, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'hom- me de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention. -C'est ainsi que pour transmettre en surface l'information relative à la détection du gaz dans le puits de forage, on peut utiliser une balise, reliée au dispositif de détection, et qui émettrait un signal modulé en amplitude et/ou en fréquence. Le décodage, en surface, du signal modulé, permettrait de connaître avec exactitude la quantité de gaz introduite dans le pats de forage REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d' arrivée d'un fluide de gisement dans un fluide de forage circulant à traversune tête 6 d'un puits de forage sous-marin, du type comportant un émetteurîletun récepteur n d'odEs acoustiques disposés à une faible distance en regard l'un de l'autre, des moyens reliés à l'émetteur et aptes à générer au moins une onde acoustique, des moyens de transfert 23 vers la surface des signaux reçus par ledit récepteur et des moyens aptes à traiter lesdits signaux transférés, caractérisé en ce que l'émetteur flet erecepteur 12 sont disposés au niveau de la tête de puits 6 et enun emplacement tel qu'ils puissent être en contact avec un mélange obtenu par l'introduction du fluide de gisement dans-ledit fluide de forage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur et le récepteur sont disposés sur la face interne d'une-bague 8' interposée entre l'extrémité inférieure d;un tube prolongateur 8 et la tête de puits 6. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur et le récepteur sont disposés dans un espace annulaire9 ménagé entre deux tubes fixes 7-8'concentriques entre lesquels circule le fluide de forage remontant du fond du puits vers la tête de puits. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens23reliésau récepteur et aptes à générer, en réponse aux signaux reçus par ledit récepteur, des ondes acoustiques de transfert dirigées vers des moyens de réception disposés à la surface de l'eau. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour générer et recevoir les ondes acoustiques de transfert sont constitués par un ensemble Sonar. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'émetteur et le récepteur sont montés dans-une saignée interne 10 réalisée dans ladite bague 8'. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la saignée 10 est pratiquée sur un secteur interne de la bague et dont le profil est tel que l'écoulement du fluide de forage soit homogène dans ladite saignée. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transfert comprennent une balise acoustique émettant un signal modulé et dont la modulation est liée à la quantité de fluide de gisement introduite dans le puits de forage.