Brevet FR2619155A1 — publié le 19890210

Procédé d'analyse dynamique des venues de fluides dans les puits d'hydrocarbures L'invention se rapporte à un procédé d'analyse dynamique des venues de fluides dans un puits d'hydrocarbures en cours de forage. Lorsqu'au cours du forage d'un puits, on atteint, après avoir traversé une couche imperméable, une formation perméable contenant un fluide liquide ou gazeux sous pression, ce fluide tend à envahir le puits si la colonne de fluide de forage, appelé "boue", que contient le puits n'est pas capable d'équilibrer la pression du fluide de la O10 dite formation. Celui-ci repousse alors la boue vers le haut. On dit qu'il y a une 'venue" de fluides ("kick" en anglais). Un tel phénomène est instable: à mesure que le fluide de la formation remplace la boue dans le puits, la densité moyenne de la colonne de contre-pression à l'intérieur du puits diminue et le déséquilibre s'aggrave. Si aucune mesure n'est prise, le phénomène s'emballe et conduit à une éruption catastrophique ("blov-out" en anglais). Le plus souvent cette venue de fluide est détectée assez tôt pour que l'éruption catastrophique ne se produise pas, et la première mesure d'urgence adoptée est la fermeture du puits en surface à l'aide d'une vanne anti-éruption. Une fois cette vanne fermée, le puits est sous contrôle. Il faut alors purger le puits de fluide de formation, puis alourdir la boue afin de pouvoir continuer à forer en toute sécurité. Si le fluide de formation qui est entré dans le puits est un liquide (saumure ou hydrocarbures par exemple), la circulation de ce fluide ne pose pas de problème particulier, car ce fluide n'augmente pratiquement pas de volume au cours de sa remontée à la surface et, de ce fait, la pression hydrostatique exercée par la boue de forage au fond du puits reste sensiblement constante. Par contre, si le fluide de formation est gazeux, il se détend lors de sa remontée, et ceci présente un problème car la pression hydrostatique diminue progressivement. Pour éviter de provoquer de nouvelles entrées de fluide de formation pendant la "'circulation'' de la venue, c'est-à- dire pendant que le gaz monte à la surface, il faut maintenir au fond du forage une pression supérieure à la pression de la formation. Pour ce faire, il faut maintenir l'espace annulaire du puits, espace compris entre le train de tiges de forage et la paroi du trou, à une pression telle que la pression de fonds ait la valeur souhaitée. Il est donc très important pour le foreur de savoir aussitôt que possible, pendant la circulation de la venue, si un incident dangereux est sur le point de se produire, tel qu'une nouvelle venue de fluide ou le début de pertes de boue dues à la rupture de la formation. Les moyens d'analyse et de contrôle dont dispose le foreur comprennent le niveau de boue dans le bac à boue,la pression d'injection de la boue dans les tiges de forage, et la pression en surface de l'annulaire du puits. Ces trois données permettent au foreur de calculer le volume et la nature de la venue, ainsi que la pression de la formation. C'est sur cette information qu'il base son programme de circulation de la venue. L'interprétation de ces données présente néammoins quelques problèmes. En premier lieu, l'évaluation du volume de la venue, qui, est importante pour la détermination de la nature de ladite venue, est imprécise. En effet, elle est faite par comparaison du niveau de boue dans le bac avec un niveau "normal'', celui qui existerait en l'absence de la venue. Or cette référence est difficile à déterminer: d'une part le niveau de boue évolue de manière constante pendant le forage, car une partie de la boue est rejetée avec les déblais de forage; d'autre part, le niveau de boue dans les bassins augmente lorsqu'on ferme le puits, car les lignes de retour de la boue se vident. L'estimation du volume de la venue est donc approximative. Ceci a pour conséquence que la détermination de la nature de l'influx est elle aussi incertaine. Ainsi les calculs de densité de l'influx amènent souvent à la conclusion que l'influx est un mélange de gaz et liquide (pétrole ou eau) alors qu'il peut s'agir d'un gaz ou d'un liquide uniquement. Il faut noter également que ce calcul ne peut être effectué dans le cas o l'influx se trouve dans une partie du puits qui est horizontale. Pour toutes ces raisons, l'analyse d'influx n'est pas aujourd'hui considérée comme une technique fiable. La présente invention propose une méthode d'analyse des venues dans un puits pétrolier qui ne possède pas les inconvénients ci-dessus. Selon cette méthode on utilise un système, de préférence automatique, d'acquisition et de traitement de données fournies par des capteurs installés sur une sonde de forage pour améliorer l'analyse des venues. De façon générale, il est proposé d'utiliser les informations fournies par les régimes transitoires d'écoulement de la boue de forage pour estimer la nature des fluides contenus dans l'annulaire du puits. La méthode proposée peut être appliquée quelque soit la déviation, par rapport à la verticale, du puits foré. De façon plus précise, la présente invention concerne un procédé d'analyse des venues de fluide provenant d'une formation souterraine dans un puits, selon lequel on mesure les valeurs successives d'au moins un premier paramètre relatif au débit Qi ou à la pression Pi d'injection de la boue de forage dans le puits et les valeurs successives d'au moins un deuxième paramètre relatif au débit Qr ou à la 'pression Pr de retour de la boue de forage à la surface. On compare l'évolution des valeurs du premier paramètre avec l'évolution des valeurs du deuxième paramètre et on détermine, à partir de ladite comparison, une valeur qui est fonction de la compressibilité X des fluides présents dans le puits. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, d'un exemple non limitatif du procédé mentionné ci-dessus. La figure 1 montre schématiquement le circuit de boue de forage d'un puits pendant le contrôle d'une venue. La figure 2 montre d'une manière schématique le circuit hydraulique d'un puits pendant le contrôle d'une venue de gaz. La figure 3 montre un exemple de courbes de pressions et de débits en fonction du temps, telles qu'elles ont été observées lors d'essais dans un puits expérimental. La figure 1 montre le circuit de boue d'un puits 1 pendant 2 619 1 55 une opération de contrôle de venue de fluide de formation. Le trépan 2 est fixé à l'extrémité d'un train de tiges 3. Le circuit de boue comprend un bac 4 contenant de la boue de forage 5, une pompe 6 aspirant la boue du bac 4 via un tuyau 7 et la refoulant dans le puits 1, via un tuyau rigide 8 et un tuyau flexible 9 raccordé au train de tiges tubulaires 3 par une tête d'injection 17. La boue s'échappe du train de tiges au niveau du trépan 2 et remonte dans le puits par l'espace annulaire 10 ménagé entre le train de tiges et la paroi du puits. En opération normale, la boue de forage passe à travers une vanne anti-éruption 12 qui est ouverte. La boue se déverse dans le bac à boue 4 par une goulotte 24 et à travers un tamis vibrant non représenté pour séparer les débris de forage de la boue. Lorsqu'une venue de fluides est détectée, on ferme la vanne 12; De retour à la surface la boue passe à travers une duse 13 et un dégazeur 14 qui sépare gaz et liquide. La boue de forage retourne ensuite au bac 4, via le tuyau 15. Le débit d'entrée Qi de la boue est mesuré avec une débitmètre 16 et la densité de la boue est mesurée avec un capteur 21, tous deux insérés dan le tuyau 8. La pression d'injection Pi est mesurée avec un capteur 18 placé sur le tuyau rigide 8. La pression de retour Pr est mesurée à l'aide d'un capteur 19 placé entre la vanne anti-éruption 12 et la duse 13. Le niveau n de boue dans le bac 4 est mesuré avec un capteur de niveau placé dans le bac 4. Les signaux Qi' dm' Pi, Pr et n ainsi créés sont appliqués à un dispositif de traitement 22, o ils sont traités lors de l'analyse dynamique d'une venue telle qu'elle est suggérée dans le cadre de la présente invention. On peut remarquer cependant que pour mettre en valeur la présente invention, il suffit de mesurer Pr ou Qr d'une part, et Qi ou Pi d'autre part. La figure 2 représente de manière simplifiée le circuit hydraulique du puits lorsque l'opérateur s'apprête à faire circuler les fluides de formation qui sont entrés dans le puits. Immédiatement après la détection d'une venue, les pompes sont arrêtées, la vanne anti-éruption 12 et la duse 13 sont fermées. Le puits est donc isolé. Le foreur mesure alors la pression Pi dans les 2 619155 tiges, à l'aide du capteur 8, et la pression Pr dans l'annulaire à l'aide du capteur 19 placé entre la tête du puits et la duse de contrôle 13. Pour la clarté de l'explication de la méthode, il sera supposé ici que la section de l'annulaire a une aire A constante de bas en haut du puits. Mais la méthode pourra être utilisée même si cette section n'est pas d'aire constante. En première approximation, on peut supposer que l'influx est un bouchon monophasique 40 de densité di et de hauteur h se trouvant au fond du puits à la profondeur L. Le volume Vi de cet influx peut être estimé par l'augmentation du niveau n de boue dans le bac 4 lié à l'entrée du fluide de formation dans le puits. Soit L la profondeur totale du puits, c'est-àdire la différence de cote entre le capteur 19 et le trépan 2. Supposons que l'influx se trouve réparti dans la boue sur une distance h, comme le montre la figure 2. La valeur de h est calculée comme suit: h Vi A La densité di de l'influx est alors calculée à l'aide de la formule suivante: d= d Pr -Pi ghcos(f) ou dm est la densité de la boue au moment o la venue a été détecté, et f est l'angle de déviation du puits par rapport à la verticale à la profondeur à laquelle se trouve la venue. Ce calcul permet de décider quel est le type de fluide qui est entré dans le puits. Mais l'estimation de Vi obtenue par l'observation du niveau de boue dans le bac 4 étant entachée d'erreurs, il est difficile.en pratique d'utiliser ce procédé pour déterminer la nature de l'influx. Il est donc intéressant d'obtenir plus d'information sur la situation de l'annulaire, il est proposé dans la présente invention d'utiliser une méthode dite dynamique, par opposition à la méthode décrite ci-dessus qui peut être qualifiée de statique, car elle est basée sur des données qui sont stables dans le temps. Si l'on démarre la pompe 6 pour faire circuler l'influx, la pression annulaire de surface augmente, car on impose en général une surpression au fond du puits-afin d'éviter de provoquer de nouvelles venues. Du fait de la compressibilité des fluides qui sont contenus dans les tiges de forage et dans l'annulaire, il existe un retard entre l'augmentation du débit des pompes et l'augmentation de la pression dans le système. En effet, une partie de la boue injectée comprime le puits pendant la partie transitoire du démarrage des pompes. Pendant cette période un régime transitoire s'établit. Le débit d'injection Qi et le débit de retour Qr sont différents, Qr augmentant ou diminuant plus lentement, avec un certain retard, par rapport à une variation de Qi' Il en est de même des variations de la pression de retour Pr par rapport aux variations de la pression d'injection Pi. Sur la figure 2, Qi est le débit de boue de forage mesuré par le capteur 16 inséré sur le tuyau 8, Qr est le débit de boue à travers la duse 13. En régime permanent, on a: Qi = Qr (1) Du fait que le volume de boue contenu dans l'annulaire est beaucoup plus grand que celui contenu dans les tiges de forage, on peut considérer que l'effet de retard de la pression annulaire est dû pour la plus grande part au volume de boue de l'annulaire, et on peut ignorer le volume des tiges. On peut alors décrire les transitoires par l'équation suivante: (Qi - Qr) dt = Xadpr (2) Va o Va- est le volume total de l'annulaire, Xa est la compressibilité de l'annulaire et dpr est la variation de la pression de retour Pr qui s'est produite pendant l'intervalle de temps dt. Qr n'est généralement pas mesuré directement dans le système tel qu'il est décrit sur la figure 1. Mais la méthode décrite ici s'appliquerait d'autant plus aisément si une telle mesure était réalisée. Il existe entre Qr et la pression Pr mesurée 2 619155 par le capteur 19 une relation du type: p, = kdQ (3) kd étant un coefficient qui caractérise la duse lorsqu'elle a une ouverture donnée. Si donc les valeurs de Qi et Pr sont enregistrées par le système de traitement 22 pendant un changement de débit, il est possible de déterminer les valeurs du produit XaVa et de la constante de duse kd à l'aide de l'équation différentielle suivante obtenue en combinant les équations (2) et (3): do dt dp, (4) V d Les deux inconnues XaVae kdpeuvent être déterminées par exemple en appliquant la méthode des moindres carrés ou toute autre méthode de lissage connue. Un exemple d'application est décrit ci-après en regard de la figure 3 et du tableau I de données. On remarque que l'équation (4) ne comporte plus qu'une seule inconnue, XaVa, si le débit de sortie Qr est mesuré. A titre d'exemple, l'équation (4) peut s'écrire sous la forme: Qi -i = Xava-dpt (5) ou encore -dt Qi 1 1dp, = (6) + X.V. 7p d- (6) dans laquelle les valeurs de Qiet Pr sont mesurées en fonction du temps t. On remarque que l'équation (6) est de la forme y = ax + b, qui est l'équation d'une droite. Les valeurs successives de y et x sont calculées à partir des valeurs mesurées de Q et Pr et on détermine la pente a = XaVa de la droite et son ordonnée à l'origine b = 1. On obtient ainsi les valeurs de XaVaet de kd. Si l'annulaire est en partie rempli d'un volume Vg de gaz dont la compressibilité est Xg, et si la compressibilité de la boue de forage est Xb, la relation suivante est vérifiée: X.V. = Xb(V. - Vg) + Xgvg (7) Aux conditions normales de forage, la compressibilité du 2 61915 5 gaz est très grande devant celle de la boue. En conséquence, si une fraction de l'annulaire est remplie de gaz: XaVa L XgV (8) Le retard des changements de pression Pr observé à la duse par rapport aux variations de débit de pompe est très sensible à la présence de gaz dans l'annulaire. La compressibilité d'un gaz est en première approximation l'inverse de la pression dudit gaz: getlapes Xg g e P o pg est la pression moyenne du gaz dans l'annulaire. Si le gaz a penétré dans l'annulaire lors d'une venue, la plus grande partie du gaz est à la pression de fond, qui peut être estimée de façon classique par la mesure de la pression de surface dans les tiges après la fermeture de la vanne anti-éruption. Si donc XaVa = XgVg, on peut alors estimer le volume Vg de gaz puisque l'on connait la valeur de XaVa par l'équation (4) et la valeur de Xg par l'équation (9). Ceci est utile d'une part comme confirmation (ou infirmation) de l'estimation du.volume de venue de gaz faite à partir de l'augmentation du niveau de boue dans le bac 4. Ceci peut même se revéler indispensable si le puits foré est horizontal, car il est alors impossible d'utiliser les différences de pression hydrostatique pour estimer la nature de l'influx. En pratique, la méthode consiste donc à faire circuler à faible débit la boue à travers la duse 13, et à enregistrer simultanément la pression Pr lue par le capteur 19 et le débit Qi lu par le capteur 16 pendant la période transitoire. Ces données sont alors interprétées et les valeurs de XaVa et kd sont calculées. Le volume Va de l'annulaire étant connu, ceci permet d'estimer une compressibilité moyenne Xa des fluides que contient l'annulaire. Si la valeur trouvée est grande comparée à une valeur prédéterminée, qui peut être la compressibilité Xm de la boue, si cette valeur est connue, ou encore la valeur de Xa déterminée préalablement par la même méthode, mais en l'absence de gaz (lors d'une opération de calibration par exemple), on peut conclure que le fluide provenant de la formation est un gaz. La présence de gaz une fois confirmée, son volume peut être estimé. Il est à remarquer que s'il est difficile, pour des raisons opérationnelles, de faire circuler la boue à travers la duse 13 afin d'étudier les transitoires de pression à ladite duse, il est également possible selon une variante de réalisation de l'invention, de mesurer l'augmentation de pression à la duse 13, à l'aide du capteur 19 lorsque l'on injecte dans l'annulaire un volume connu, c'est-à-dire lorsqu'on pressurise le puits en donnant quelques coups de pompe 6. Cette augmentation de volume de boue dV permet également de calculer XaVa par la relation dV = XaVa dpr, dpr étant la variation de pression à la duse 13. La figure 3 illustre la méthode proposée dans le cadre de la présente invention. Elle provient d'essais effectués en situation contrôlée dans laquelle une quantité connue de gaz a été injectée au fond d'un puits. Le retard de pression Pr lors d'un changement de débit Qi peut être observé sur l'enregistrement de la figure 3 effectué en fonction du temps t. Sur cette figure, on a également représenté les variations de débit de sortie Qr et de la pression d'injection Pi. On remarque que les valeurs de Qr évoluent elles aussi avec un certain retard comparé aux valeurs de Qi ou Pi. Le tableau I donne les valeurs de Qi (en cm /s) et Pr (en bar) mesurées et représentées sur la figure 3 en fonction du temps t et les valeurs calculées correspondantes y et x de l'équation (6) avec Qi 1 dpr y - I-> Y P Ad-- d dt A l'aide de ces valeurs, on a pu déterminer les valeurs suivantes: kd = 0,512 g/cm7, XaVa = 0,00294 cm4 s2/g et Vg = 859 litres à la pression de gaz pg = 283 bars. Revendications 1. Procédé d'analyse des venues de fluide provenant d'une formation souterraine dans un puits, selon lequel on mesure les valeurs successives d'au moins un premier paramètre relatif au débit Qi ou à la pression Pi d'injection de la boue de forage dans le puits et les valeurs successives d'au moins un deuxième paramètre relatif au débit Or ou à la pression Pr de retour de la boue de forage à la surface, caractérisé en ce que l'on compare l'évolution des valeurs du premier paramètre avec l'évolution des valeurs du deuxième paramètre et en ce qu'on détermine, à partir de ladite comparison, une valeur qui est fonction de la compressibilité X des fluides présents dans le puits. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la valeur fonction de la compressibilité X des fluides présents dans le puits est égale au produit XaVa dans lequel Va est le volume de l'annulaire et Xa est la compressibilité des fluides dans l'annulaire. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on détermine la présence de gaz dans l'annulaire par comparaison de la valeur de Xa par rapport à une valeur prédéterminée, en ce que l'on détermine la pression pg du gaz ainsi que sa compressibilité X qui est sensiblement égale à 1/pg et en ce que l'on détermine le volume de gas Vg présent dans l'annulaire par la relation: XaVa X V. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on compare l'évolution du débit d'injection Qi avec l'évolution de la pression de retour Pr 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on impose une variation de débit d'injection Qi de façon à créer un régime transitoire d'écoulement de la boue de forage dans le puits. 6. Procédé selon la revendication 5, selon lequel on ferme la vanne antiéruption du puits et on arrête la circulation de la boue de forage dans le puits lorsqu'une venue de fluide dans l'annulaire a été détectée, caractérisé en ce que l'on reprend la 2 619155 circulation de la boue en surface à travers une duse ce qui a pour effet de créer un régime transitoire d'écoulement, on mesure les valeurs successives de la pression de retour Pr de la boue et du débit d'injection Qi pendant ledit régime transitoire et on détermine la valeur 'de la compressibilité Xa du fluide dans l'annulaire que l'on compare à une valeur prédéterminée pour connaitre la nature du fluide ayant pénétré dans l'annulaire. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on détermine la valeur d'un coefficient kd qui caractérise ladite duse. 8. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que-. les valeurs successives du débit de retour Qr sont mesurées. 9. Procédé selon la revendication 5, selon lequel on ferme la vanne antiéruption du puits et on arrête la circulation de la boue de forage dans le puits lorsqu'une venue de fluide dans l'annulaire a été détectée, caractérisé en ce que l'on injecte dans le puits un volume supplémentaire déterminé de boue de forage, de façon à pressuriser la boue ce qui a pour effet de créer un régime transitoire dans le puits, on mesure les valeurs successives de la pression de retour Pr de la boue pendant ledit régime transitoire et on détermine la valeur de la compressibilité Xa du fluide dans l'annulaire que l'on compare à une valeur prédéterminée pour connaitre la nature du fluide ayant pénétré dans l'annulaire. TABLEAU 1 t i Pr x Y 904. 8263.9 27.33 0 1.581 906. 8263.9 27.33 31.88 1.581 908. 8263.9 27.67 31.69 1.571 910. 8327.0 28.00 15.75 1.574 914. 8327.0 28.33 31.31 1.564 916. 8327.0 28.67 15.56 1.555 920. 8327.0 29.00 30.95 1.546 922. 8263.9 29.33 30.77 1.526 926. 8263.9 30.00 15.21 1.509 930. 8263.9 30.33 30.26 1.500 932. 8263.9 30.67 15.05 1.492 936. 8327.0 31.00 29.93 1.496 938. 8768.6 31.33 59.55 1.566 940. 8579.3 32.00 0 1.517 942. 8705.5 32.00 0 1.539 944. 8705.5 32.00 44.19 1.539 948. 9020.9 33.00 43.52 1.570 952. 9084.0 34.00 28.58 1.558 954. 9084.0 34.33 28.44 1.550 958. 9020.9 35.00 0 1.525 960. 9020.9 35.00 56.34 1.525 962. 8957.8 35.67 0 1.500 964. 8957.8 35.67 27.91 1.500 968. 9020.9 36.33 0 1.497 970. 9020.9 36.33 27.65 1.497 974. 9020.9 37.00 13.70 1.483 978. 9020.9 37.33 0 1.476 980. 9020.9 37.33 13.64 1.476 984. 8957.8 37.67 27.16 - 1.460 988. 9020.9 38.33 0 1.457 990. 9020.9 38.33 13.46 1.457 994. 9020.9 38.67 0 1.451 996. 9020.9 38.67 0 1.451 998. 9020.9 38.67 26.80 1.451 1000.- 9020.9 39.00 8.896 1.445 1006. 9020.9 39.33 0 1.438 -1010. 9020.9 39.33 26.57 1.438 1012. 9020.9 39.67 0 1.432 1016. 8957.8 39.67 26.46 1.422 1018. 8957.8 40.00 0 1.416 1022. 9020.9 40.00 13.18 1.426 1052. 8957.8 41.33 0 1.393 1072. 8957.8 41.67 0 1.388 1102. 8957.8 42.33 0 1.377 1122. 9084.0 42.67 0 1.391 1150. 9147.1 43.33 0 1.390