Brevet FR2562151A1 — publié le 19851004

La présente invention concerne des procédés et appareils utilisés lors du forage de puits de pétrole et de gaz et plus précisément un procédé et un appareil de détermination de la pression interstitielle d'une formation par réduction de la pression au fond d'un sondage, de manière que des fluides de la formation soient aspirés dans le sondage, par détection de l'entrée des fluides de la formation dans le sondage, et par détermination de la pression réduite au fond du sondaoe, qui est égale à la pression interstitielle. On sait que les gisements de pétrole et de gaz sont contenus dans des formations souterraines et que des sondages sont forés dans ces formations afin que ces gisements de pétrole puissent être récupérés. Pendant les opérations de forage, on pompe habituellement un fluide de forage ou une boue de forage dans le sondage par le train de tiges afin que le trépan soit lubrifié et refroidi, que la pression hydrostatique dans le sondage équilibre les pressions des formations souterraines, et que les débris de forage soient entraînés du trépan vers la surface de la terre. On sait aussi que les pressions des formations souterraines augmentent de façon générale avec la profon- deur. Les formations de faibles perméabilité telles que les schistes argileux présentent une pression qui est une mesure de la pression exercée par le fluide piégé dans les interstices ou pores non connectés de la formation. La mesure de cette pression est couramment appelée "pression interstitielle de la formation". Dans les formations perméables, la pression présentée est une mesure du fluide piégé dans les interstices ou pores raccordés de la forma- tion, et elle est en général appelée "pression de la formation". En outre, on sait en général que les formations de faible perméabilité, telles que les schistes argileux, recouvrent habituellement du fluide à une pression anorma- lement élevée dans la formation poreuse. Un problème qui se pose dans toutes les opérations de forage de puits de pétrole et de gaz est le maintien d'une pression hydrostatique suffisante avec la boue de forage pour que la pression des formations souterraines soit contrebalancée, au fond du sondage. Un équilibre de pression ou "différence de pression en fond de sondage" doit être maintenu afin que des fluides à haute pression des formations poreuses ne puissent pas être dégagés vers la surface par l'intermédiaire du sondage. Un dégage- ment incontrôlé de fluide à haute pression de l'intérieur d'une formation dans le sondage est couramment appelé "éruption". Une éruption peut provoquer des dommages irréparables au sondage et à l'appareillage de surface ainsi que la mort et des blessures du personnel de forage placé près de l'appareillage de forage en surface. Une pression hydrostatique excessive, avec la pression supplémentaire due au frottement pendant la circulation de la boue du forage ou pendant la descente du train de tiges dans le sondage, peut provoquer la fracturation des formations avec éventuellement des pertes de boue dans la formation environnante. Ainsi, l'entretien d'une différence convenable de pression en fond de sondage,- c'est-à-dire d'un bon équilibre, est important pour des raisons de sécurité dans le puits. Cependant, cette opéra- tion est difficile parce que la pressiion varie avec la boue de forage utilisée et avec la formation rencontrée. La connaissance exacte de la pression dans la formation est nécessaire mais elle n'est pas facile à obtenir. Les procédés acceptés en général en pratique nécessitent l'extraction du train de tiges et la descente d'un appareil de diagraphie suspendu à un câble pour la détermination de la différence de pression en fond de sondage, avec la perte correspondante de temps et la dépense correspon- dante. L'invention concerne de façon générale un procédé et un appareil qui peuvent être utilisés pour des essais réalisés en fond de sondage pendant des opérations de forage, rendant possible la mesure de la pression intersti- tielle des formations sans extraction du train de tiges du sondage. Elle concerne aussi un procédé et un appareil de mesure des pressions des formations avec précision. Elle concerne aussi un appareil destiné à donner des mesures de pression de formations souterraines au cours d'opérations de forage effectuées à partir de la. surface, ne provoquant qu'une perte minimale du temps de travail de l'installation de forage. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une élévation schématique partiel- lement en coupe comprenant un appareil de détermination de pression selon l'invention; la figure 2 est une élévation simplifiée d'une partie d'un train de tiges comprenant un appareil qui peut être utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention; et la figure 3 est un schéma des instruments utili- ses dans une configuration utilisable en pratique. L'invention concerne un procédé de détermination de la pression d'une formation traversée par un sondage, comprenant la réduction de la pression du fluide contenu dans la partie inférieure du sondage, et, par contrôle de l'entrée des fluides des formations, la détermination de la pression réduite qui est représentative de la pres- sion de la formation. L'invention concerne un appareil de détermination de la pression interstitielle d'une formation traversée par un sondage, mettant en oeuvre un train de tiges destiné à pénétrer dans le sondage, un dispositif de détection de l'entrée des fluides de la formation dans le sondage, un dispositif de réduction de la pression dans le sondage, et un dispositif de mesure de pression commandé par le dispositif de réduction de pression. La figure 1 représente un exemple de sondage 12 traversant une formation souterraine 11. L'appareil de forage couramment utilisé dans une telle opération est suspendu dans le sondage 12. En particulier, on a représenté une installation 13 de forage en place au-dessus du sondage 12, un train de tiges 14, un raccord 15 de mesure de pression, une masse- tige 16 et un trépan 18 placé dans le sondage 12, avec un tubage 20 monté jusqu'à une profondeur prédéterminée. Le sondage 12 est représenté en coupe lorsqu'il pénètre dans une formation 22 de schiste bitumineux qui est à une pression normale et dans une couche 24 à plus haute pression de la formation de schiste bitumineux. La formation 24 recouvre une formation perméable 26 à pression anormalement élevée. - De la boue 32 de forage est aspirée dans une cuve 34 de circulation de boue par l'intermédiaire d'une tuyauterie d'admission 36 rejoignant une pompe 38 à boue. Un détecteur 40 de masse de boue, monté sur la tuyauterie 36, mesure la masse de boue s'écoulant dans la pompe 38, en kg/l. La pression exercée par la pompe 38 peut être modifiée et la pression de travail de la pompe 38 est indiquée par un manomètre 42. La boue de forage 32 est alors pompée par une tuyauterie 44 d'évacuation ou de. refoulement dans laquelle le débit de boue est mesuré par un débitmètre 46. Une tuyauterie souple 47 transmet la boue 32 de la tuyauterie 44 de refoulement de la pompe dans le train de tiges 14 et la masse-tige 16 vers le trépan 18 au niveau duquel elle est évacuée le long des têtes de coupe et remonte dans l'anneau 50 délimité entre le train de tiges 14 et la masse-tige, 16 et le sondage 12, et dans l'anneau 52 délimité entre le train de tiges 14 et le tubage 20, dans le sens des flèches. La boue 32 est alors chassée successivement dans les tronçons 53 de tuyauterie d'évacuation du sondage, dans le détecteur 56 de masse de la boue et dans une duse réglable 54 avant d'être évacuée dans une cuve 34 à boue avant réutilisation. Le détecteur 56 mesure et indique la masse en kg/l du cou- rant de boue qui tend le sondage 12. La duse réglable 54 a un manchon à compression radiale qui peut être ouvert ou fermé afin qu'il fasse varier le débit de boue sortant du sondage. Lorsque le manchon est fermé, le courant est "étranglé" et une contre-pression est exercée sur la boue qui circule dans le sondage si bien que la pression au fond du sondage est accrue. Comme l'indique la figure 2, le raccord 15' de mesure, en plus des éléments qui ne sont pas représentés, comprend un détecteur 60 d'entrée de fluide et un disposi- tif 62 de mesure de pression qui sont montés en série. En pratique, la configuration peut être proche de celle qui est représentée sur la figure 3 sur laquelle les raccords de mesure d'entrée et de pression sont séparés par de courtes masses-tiges 16, 17. Le manomètre 62 et le détecteur 60 de débit d'entrée sont couplés à un câble ou un système de mesure et de calcul à distance placé au fond du sondage et non représenté. Le câble comporte lui-même des conducteurs électriques destinés à transmettre les signaux du manomètre 62 et du détecteur 60 à un appareil qui se trouve à la surface de la Terre. Le système de calcul placé au fond du trou contrôle constamment le détecteur d'entrée de fluide et le manomètre. Le système de calcul transmet constamment les mesures à la surface afin qu'elles y soient analysées. Le rôle du détecteur 60 du fluide introduit est de déterminer le déplacement de la boue de forage qui occupe normalement le voisinage immédiat du détecteur , par les fluides de la formation provenant de la forma- tion sous une action efficace de pistonnage décrite dans la suite du présent mémoire. Un tel détecteur est sensible à la résistivité du fluide et peut comprendre un organe tubulaire séparé vissé sur le raccord 15, une électrode annulaire conductrice de l'électricité et un isolateur de caoutchouc ou d'un autre matériau non conducteur destiné à séparer et isoler électriquement l'organe tubulaire de l'électrode. Celle-ci est reliée électriquement à un 256215i conducteur par un connecteur qui est isolé électriquement de l'organe annulaire. Le conducteur électrique est con- necté à un appareil convenable de mesure de résistance qui est aussi connecté au train de tiges 14 afin qu'il mesure la résistance électrique du fluide entre l'électrode et le train de tiges 14. D'autres types convenables de détecteurs 60- de fluide introduit comportent des transducteurs de pres- sion, comme représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 297 880, des dispositifs de mesure d'ondes acoustiques comme représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 776 032 ou des détecteurs d'un rayonnement gamma. On considère maintenant le fonctionnement de l'appareil décrit précédemment. Le trépan 18 pénètre dans une strate enfouie dont la pression de la formation est voulue ou souhaitable. La pompe à boue 38 est arrêtée afin que la boue 32 cesse de circuler dans le train de tiges 14 et dans l'anneau 50, 52. Pendant les opérations de forage, la pression au fond du sondage est déterminée par des facteurs compre- nant la pression hydrostatique de la boue de forage dans le sondage 12, les pertes de pression par friction dans la boue dues aux parois du sondage et au train de tiges 14, la masse volumique de la boue de forage utilisée et la contre-pression de la duse réglable 54. Dans des conditions statiques, la pression au fond du sondage est simplement due au poids de la hauteur de boue de forage. Une perte de charge due à un pistonnage effectué avec le train de tiges est créée afin que la pression de la formation soit encadrée. Le r6le du trépan est analogue à celui d'un tronçon de pistonnage en ce qu'il forme une région rétrécie autour du train de tiges, provo- quant l'entraînement des fluides vers le haut dans l'anneau délimité afin que la pression dans le sondage soit réduite au-dessous du trépan. Le pistonnage provoque une perte de charge qui réduit la pression au fond du sondage à une valeur qui peut être égale, supérieure ou inférieure à la pression dans la formation. Lorsque la pression réduite est inférieure à la pression dans la formation, les fluides de la formation migrent dans le sondage -et les fluides s'y mélangent aux fluides du sondage, c'est-à- dire à la boue de forage. L'entrée des fluides de la formation peut être détectée par les procédés indiqués dans la suite et la détection du fluide introduit indique que la pression dans le sondage, à sa valeur réduite, est inférieure à la pression dans la formation. La pression réduite dans le sondage, pour divers taux de pistonnage, peut être calculée une fois connue la vitesse du train de tiges et la pression initiale au fond du sondage. La perte de charge nécessaire due au pistonnage, doit dépasser la différence de pression entre la pression. hydrostatique due à la boue et la pression dans la forma- tion. La différence est normalement d'environ 17 bars. La différence de pression est introduite dans l'équation (2) indiquée dans la suite, et la vitesse de pistonnage nécessaire à la production de la réduction voulue de pression est déterminée pour l'appareillage et la boue de forage utilisés. Au cours d'une action réelle de pistonnage, le train de tiges 14 est déplacé vers le haut à la vitesse prédéterminée, si bien qu'il aspire la boue de forage de l'extrémité inférieure du sondage 12 dans l'anneau , 52 vers la surface avec réduction de la pression. La vitesse nécessaire à l'obtention d'une pression néces- saire de pistonnage peut être calculée à l'aide de la méthode décrite dans un article intitulé "An Improved Method for Calculating Swab/Surge and Circulating Pressures in a Drilling Well"; communication SPE 4521, 28 juin 1974. Lors du calcul de la vitesse nécessaire du fluide due au déplacement du train de tiges, la pression de pistonnage est donnée par l'équation: p = f PL (Vsw)2 (1) ,81d (1-a) Si l'on résout - l'équation pour déterminer V qui est la vitesse nécessaire, on obtient: Vsw = P (25,81) d1l-") (2) V f p L- avec P = pression de pistonnage f = facteur laminaire de frottement p = masse volumique de la boue L = longueur du tronçon V = vitesse du train de tiges d = diamètre du sondage a rapport du diamètre du train de tiges (masses-tiges) au diamètre du sondage. Si l'entrée des fluides de la formation n'est pas détectée, l'opération de réduction de la pression est répétée afin que la pression au -fond du sondage soit encore réduite. La vitesse du train de tiges 14 qui est retiré est accrue de manière que la réduction de pression soit accrue, et la pression réduite créée au fond du sondage est alors plus faible. Après chaque étape suc- cessive de réduction de pression, le contr8le des fluides du sondage est réalisé afin que toute entrée des fluides de la formation soit détectée. Plusieurs étapes de réduc- tion de pression peuvent être nécessaires. Lorsque la pression de pistonnage dépasse la pression d'équilibre, les fluides de la formation pénètrent normalement dans le sondage et le long du détecteur 60 de fluide introduit qui indique leur présence. L'opération de contrôle comprend le mélange des fluides contenus dans la partie inférieure du sondage par rotation du train de tiges. Le mélange peut aussi être réalisé par circula- tion du fluide de forage dans le train de tiges 14 puis hors du trépan 18 et dans le sondage 12 au-dessous du trépan. Les détecteurs 60 d'entrée de fluide sont de préférence placés à l'extérieur des tiges à une distance de 4,5 à 9 m au-dessus du trépan. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourrra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de la pression d'une formation traversée par un sondage, caractérisé en ce qu'il comprend. a) la réduction de la pression du fluide contenu dans la partie inférieure du sondage (12), b) le contrôle de l'entrée de fluide de la formation entourant le sondage dans ce dernier, et c) après contrôle de l'entrée de fluide de la formation, la détermination de la pression réduite dans le sondage qui est représentative de la pression de la formation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détermination de la pression réduite dans le sondage comprend la mesure de la pression au fond du sondage pendant la réduction de pression au fond du sondage. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de réduction de pression comprend le pistonnage de la partie inférieure du sondage. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le pistonnage comprend l'extraction d'un train de tiges (14) placé dans la partie inférieure du sondage, à -partir de cette partie inférieure. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'extraction du train de tiges comprend la détermination d'une vitesse prédéterminée de l'extraction d'après les caractéristiques du train de tiges (14), du sondage (12), du fluide qui se trouve dans le sondage et de la différence entre la pression au fond du sondage et la pression réduite au fond du sondage. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'extraction du train de tiges (14) s'effectue à ladite vitesse prédéterminée. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contrôle comprend l'extraction de fluides du sondage par pistonnage avec le train de tiges (14) 1 1 afin que le fluide aspiré soit contrôlé comme fluide introduit. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contrôle comprend l'abaissement du train de tiges (14) à son emplacement préalable à la réduction de pression dans le sondage (12) avant le contrôle d'entrée de fluide de la formation dans le sondage. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le mélange du fluide du sondage avant le contrôle de ce fluide. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit contrôle comprend la mesure de propriétés physiques ou chimiques des fluides du sondage. 11. Procédé selon la revendication 102 caracté- risé en ce que lesdites mesures sont choisies dans le groupe comprenant les mesures de la résistivité des fluides du sondage, de la transmission acoustique des fluides du sondage, et de la transmission d'un rayonnement gamma par les fluides du sondage. 12. Appareil. de détermination de la pression d'une formation traversée par un sondage, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un train de tiges (14) destiné à être intro- duit dans le sondage (12), b) un dispositif destiné à réduire la pression du fluide dans le sondage, - c) un dispositif de mesure de pression (62) sensible au dispositif de réduction de pression, et d) un dispositif (60) de -détection de l'entrée de fluide de la formation dans le sondage. 13. Appareil selon la revendication 12, caracté- risé en ce que le dispositif de détection (60) d'entrée de fluide détecte des propriétés physiques ou chimiques des fluides du sondage. 14. Appareil selon la revendication 13, caracté- risé en ce que le dispositif de détection (60) d'entrée de fluide est choisi dans le groupe qui comprend un détec- teur de résistivité, un transducteur de pression, un transducteur et un détecteur d'ondes acoustiques et un détecteur de rayonnement gamma. 15. Appareil selon la revendication 12, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de mesure de la pression au fond du sondage. 16. Appareil selon la revendication 12, caracté- risé en ce que le dispositif de réduction de pression est un dispositif de pistonnage du sondage. 17. Appareil selon la revendication 16, caracté- risé en ce que le dispositif de pistonnage est un disposi- tif destiné à extraire le train de tiges (14) du sondage (12) à une vitesse suffisante pour que la pression dans le sondage soit réduite. 18. Appareil selon la revendication 12, caracté- risé en ce que le dispositif (60) de détection des fluides introduits comprend en outre un dispositif destiné à faire circuler les fluides du sondage le long du disposi- tif de détection des fluides introduits. 19. Appareil selon la revendication 12, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de déter- mination de la vitesse à laquelle le train de tiges {14) est extrait du sondage. 20. Appareil selon la revendication 12, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un dispositif destiné à mélanger les fluides du sondage après réduction de la pression au fond du sondage et avant la détection de l'entrée des fluides de la formation. 21. Appareil selon la revendication 20, caracté- risé en ce que le dispositif de mélange comporte un dispo- sitif destiné à faire circuler les fluides du sondage.