Brevet FR2618181A1 — publié le 19890120

Procédé de détection d'une venue de fluide pouvant présager une éruption dans un puits en cours de forage L'invention se rapporte à un procédé de détection, dans un puits en cours de forage tel qu'un puits d'hydrocarbures, d'une venue de fluide pouvant présager une éruption, la détection se fondant sur la différence des débits d'entrée et de sortie de la boue de forage injectée dans le puits. Lorsque, 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 boue de forage que contient le puits n'est pas capable d'équilibrer la pression dudit fluide. Celui-ci repousse alors la boue vers le haut: on dit qu'il y a une "venue" de fluide. Un tel phénomène est instable: à mesure que le fluide 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. Il y a donc le plus grand intérêt à détecter l'apparition du phénomène le plus tôt possible, c'est-à-dire lorsqu'il s'agit seulement d'une venue encore contrôlable, à laquelle on pourra remédier tout d'abord par une mesure d'urgence consistant à obturer le puits en surface à l'aide d'une vanne anti-éruption. Une telle détection peut être effectuée en mesurant le débit d'entrée de la boue injectée dans le puits, le débit de sortie de la boue ressortant du puits et en faisant la différence de ces deux débits. Lorsque cette différence cesse d'être nulle, le débit de sortie excédant le débit d'entrée, on est en présence d'une amorce d'instabilité dans le puits. La mesure du débit d'entrée. ne présente pas de difficulté: on peut utiliser un débitmètre, par exemple du type magnétique, ou encore déduire le débit de la vitesse de la pompe de mise en circulation de la boue, du type volumétrique. Mais il n'en va pas de même pour le débit de sortie: la mesure doit en effet porter sur la boue souillée telle qu'elle est restituée par le puits, constituée en pratique par un méLange hétérogène (eau, huile, solides en poudre, déblais de forage) de nature thixotropique. La mesure du débit d'un tel mélange ne peut être faite d'une manière précise avec un débitmètre classique. L'invention a pour but de permettre une détection automatique, précoce et fiable, et ce à peu de frais, d'une venue de fluide dans un puits, par analyse de la différence des débits d'entrée et de sortie de la boue de forage, malgré l'imprécision que comporte la mesure du débit de sortie. Ce but est atteint grâce à un nouveau procédé qui consiste essentiellement à mesurer le débit d'entrée A de la boue de forage dans le puits et le débit de sortie B de la boue de forage remontant du puits, à former la quantité C = a.B - A o a est un facteur d'échelle dont la valeur peut être modifiée pour effectuer une recalibration de la mesure du débit de sortie, à opérer une telle recalibration chaque fois que la valeur moyenne de la quantité C par rapport au temps révèle un écart significatif entre les débits d'entrée et de sortie, et à déclencher une alarme suivant un critère prédéterminé en fonction de la fréquence des recalibrations qui correspondent à un excès du débit de sortie par rapport au débit d'entrée. Un tel procédé assure la détection désirée par mise à profit du caractère instable du phénomène en cause, cette instabilité se traduisant par une variation continue et croissante du débit de sortie par rapport au débit d'entrée. Grâce à la procédure de recalibrations répétées adoptée en ce qui concerne le débit de sortie, la mesure de celui-ci peut sans inconvénient manquer de précision et être effectuée à l'aide d'un simple "indicateur de débit", par exemple à cible pivotante. Il suffit que cet indicateur offre une certaine linéarité. Ainsi, le procédé permet de détecter une instabilité persistante dans le puits d'après les variations du débit de sortie, malgré une mauvaise connaissance de la valeur absolue de celui-ci. De préférence, une alarme est déclenchée lorsqu'ont lieu, dans une période de durée fixée, un certain nombre prédéterminé de recalibrations consécutives correspondant toutes à un accroissement de la valeur moyenne de la quantité C. Dans un mode de réalisation avantageuse, on détermine la valeur moyenne de la quantité C en calculant la quantité D =.C dt à partir de la précédente recalibration, puis l'on compare cette quantité D à un seuil positif P1 et à un seuil négatif P2 et, lorsque la valeur de la quantité D atteint le seuil positif, on effectue une recalibration en modifiant la valeur du facteur a de telle manière que, à une (i-1)ièmé recalibration, ce facteur passe de ai_1à i-ai i-1 i-1 - 1 ai.=ai_ - C / B, i-1 i-1 i ii i m C et B désignant les valeurs moyennes des quantités C et B m m calculées avec la précédente valeur ai_1 à partir de la recalibration de rang i-1, une recalibration analogue, mais de sens opposé, étant effectuée lorsque la valeur de la quantité D atteint le seuil négatif P2, tandis que la valeur de ladite quantité est ramenée à zéro à chaque recalibration. Ainsi, à la (i-1)ième recalibration, la quantité C est remenée à la valeur qu'elle i-i aurait prise si Ci1 avait été nul. m Il est commode d'effectuer les calculs mentionnés ci-dessus, destinés à déterminer la valeur moyenne de la quantité C et son écart par rapport à zéro, à l'aide de l'algorithme de Hinkley, qui est conçu pour détecter les variations de la valeur moyenne d'une quantité. Toutefois, d'autres algorithmes seraient également utilisables. En pratique, le seuil positif P1 précité peut être choisi égal à 50 litres environ, la fréquence des recalibrations pour laquelle est déclenchée une alarme étant choisie égale à 3 recalibrations en 20 minutes environ. Quant au seuil négatif P2, il peut être égal en valeur absolue au seuil positif P1. Il convient d'écarter, dans le traitement de la quantité C représentant la différence de débit relative, les variations de faible importance qui ne présentent pas d'intérêt. A cet effet, on ne fait porter l'intégration de La quantité C que sur les valeurs de celle-ci qui sont extérieures à un intervalle compris entre des seuils de sensibilité positif et négatif, égaux en valeur absolue (choisie par exemple égale à 10 l/min environ). On crée ainsi une marge en deçà de laquelle les écarts de débit ne sont pas pris en compte. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif du procédé défini ci-dessus. La figure 1 représente schématiquement le circuit de boue de forage d'un puits. La figure 2 montre un exemple de variations, en fonction du temps, d'une quantité C représentant la différence des débits de boue d'entrée et de sortie du puits, et de son intégrale D par rapport au temps. La figure 3 montre un exemple de relevé expérimental de courbes représentant les variations en fonction du temps du débit d'entrée A et du débit de sortie B, ainsi que des quantités C et D mentionnées ci-dessus. On voit sur la figure 1 le circuit de boue d'un puits 1 en cours de forage à l'aide d'un trépan 2 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 à boue 6 aspirant, via un tuyau 7, la boue du bac 4 et la refoulant dans le puits 1, via un tuyau rigide 8 et un tuyau flexible 9 raccordé au train de tiges 3 - tubulaires - 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. Arrivant au voisinage de la surface du sol 11, la boue est dirigée en écoulement à surface libre, via un tuyau de sortie 12, vers une goulotte 13 d'o elle se déverse dans le bac 4, les particules solides et débris divers qu'elle peut avoir entraînés étant éliminés sur une rampe d'évacuation 14. Le débit d'entrée A de la boue est mesuré avec un débitmètre 15 inséré dans le tuyau 8. La boue issue du bac 4 y ayant été purifiée et homogénéisée, on peut utiliser ici un débitmètre classique pour substances liquides, qui fournit une mesure de bonne précision. Il n'en va pas de même à la sortie du puits, o la boue présente une structure hétérogène chargée d'impuretés. A cause de cela, c'est un dispositif capable de s'accomoder de la mauvaise qualité de la boue sortant du puits qui est utilisé pour appréhender le débit de sortie. Il s'agit d'un indicateur de débit à palette pivotante 16, dont la forme rectangulaire correspond à la section de la goulotte 13 et qui peut tourner autour d'un axe 16a horizontal s'étendant le long de son bord supérieur. En fonction du débit de boue, la palette 16 prend un angle plus ou moins grand avec la verticale, qui est mesuré à l'aide d'un capteur de rotation 16b (par exemple un potentiomètre) couplé à l'axe 16a. Ce détecteur fournit un signal B qui est fonction du débit de sortie. Les signaux A et B ainsi créés, représentatifs des débits d'entrée et de sortie de boue, sont appliqués à un dispositif de traitement 18, o ils sont mutuellement comparés. Plus précisément, le signal A est retranché d'un signal a.B obtenu en multipliant le signal B par un facteur d'échelle a dont la valeur peut être modifiée, d'o résulte un signal de différence C = a.B - A Si, à partir d'un instant d'origine to o il est supposé que les débits d'entrée et de sortie sont égaux et que la valeur de C est nulle (figure 2), C conserve une valeur petite, comprise + entre deux seuils - q, on en déduit que les débits restent sensiblement égaux et qu'aucune venue n'est à craindre du puits 1. Si la valeur de C décroît, comme cela se produit dans l'intervalle de temps t2 - t4 (figure 2), cela signifie que le débit de sortie diminue et devient inférieur au débit d'entrée, et qu'il y a donc perte de boue, les roches dans lesquelles descend le puits absorbant une partie de la boue injectée. Ici encore, pas de risque de venue. Si par contre la valeur de C croît, comme par exemple entre les instants t4 et t6, cela veut dire que le débit de sortie augmente par rapport au débit d'entrée et que des fluides issus de la formation atteinte par le puits pénètrent dans celui-ci. Il y a gain de boue. Si ce phénomène allait en s'amplifiant, it y aurait risque de venue et peut-être d'éruption en surface. Pour analyser les variations du signal C, on en effectue l'intégration par rapport au temps, ce qui conduit à un signal D. Plus précisément, le signal C n'est soumis à intégration que lorsqu'il sort de la zone de sécurité Z (figure 2) limitée par les seuils t q (par exemple 10 l/min), afin d'éliminer les variations de C trop petites pour être significatives. En outre, les variations de courte durée dues au bruit, telles que la pointe P, sont effacées par l'opération d'intégration. L'amplitude du signal D est comparée à deux seuils P1 et P2, de signe opposé et de même valeur absolue (par exemple 50 litres). A chaque fois que le signal D atteint l'un de ces seuils, une recalibration du signal de débit de sortie B est effectuée en infligeant au facteur d'échelle a qui le multiplie une modification telle que la valeur de quantité C soit ramenée au voisinage de zéro. Dans l'exemple de la figure 2, de telles recalibrations ont lieu aux instants t2 et t6 (atteinte du seuil positif p1) et à l'instant t4 (atteinte du seuil négatif p2). Par ailleurs, à chaque recalibration, le signal D est remis à zéro. Lorsque, dans un intervalle de temps T déterminé (20 minutes), trois recalibrations consécutives ont lieu et correspondent toutes trois à un accroissement de la valeur de C (étant donc effectuées à l'atteinte du seuil positif P1 par la quantité intégrée D), on estime que c'est là un indice de risque de venue. Un signal est alors envoyé par le dispositif 18 à un dispositif d'alarme 19 (figure 1) par lequel le personnel effectuant les travaux de forage est averti. Une hiérarchie de niveaux d'alarme peut être prévue, de sévérité croissante, jusqu'à un niveau supérieur traduisant l'imminence d'une éruption. Les valeurs de seuil q, P1 et P2 sont fixées, dans chaque cas particuLier, en fonction des conditions spécifiques rencontrées et du niveau de sensibilité de détection désiré. En pratique, le traitement appliqué au signal C est basé sur l'algorithme de Hinkley qui permet de détecter un changement déterminé de la valeur moyenne d'une quantité variable (en l'occurence, la différence des débits représentée par le signal C). Les courbes de la figure 3 montrent un exemple de mise en oeuvre du procédé. IL s'agit de courbes enregistrées au cours d'une expérimentation sur un puits-école. La courbe A est sensiblement rectiligne et horizontale. Elle correspond à un débit d'entrée constant égal à 1 700 l/min environ. La courbe B présente, à partir d'une valeur de 1 800 l/min environ une croissance qui va en s'accentuant. Le facteur d'échelle a étant tout d'abord pris égal à l'unité, la courbe C = a.B - A part d'une valeur égale à 100 l/min. Cette valeur, incertaine en raison de l'imprécision de l'indicateur de débit de sortie, étant jugée trop élevée, une recalibration préliminaire est effectuée à l'instant t = 75 s. Puis, la valeur de C croît lentement et le signal intégré D atteint le seuil P1 = + 50 litres à l'instant t = 425 s, o une première recalibration a lieu. Il en va de même aux instants t = 525 s et t = 640 s. A la suite de ces trois dernières recalibrations, correspondant à un accroissement duodébit de sortie et survenant dans un intervalle de temps inférieur à 20 minutes, une alarme de premier degré est déclenchée. Puis, le débit de sortie augmentant de plus en plus vite, les recalibrations se rapprochent et des alarmes de niveaux plus élevés sont déclenchées. Afin d'éviter les fausses alarmes durant les périodes o ont lieu de grandes variations de débit de boue, lesqu*elles peuvent causer des différences de débit importantes entre l'entree et la sortie, mais de courte durée, en raison du retard naturel que présente le débit de sortie par rapport au débit d'entrée, il convient de prendre la précaution de suspendre la surveillance de la différence.de débit (quantité C): 2618 181 - pendant 60 secondes après détection d'une variation du débit d'entrée plus rapide qu'une valeur prédéterminée; - pendant 10 secondes après détection d'une variation de la position du train de tiges plus rapide qu'une valeur prédéterminée, afin de tenir compte des fluctuations du volume occupé par le train de tiges dans le puits; - lorsque le débit d'entrée s'abaisse au-dessous de 100 l/min, en raison du manque de fiabilité de la réponse de l'indicateur de débit de sortie pour les faibles débits. A chaque reprise de la surveillance de la différence de débit C, une recalibration est effectuée. 2 6 18 181 Revendications 1. Procédé de détection, dans un puits en cours de forage tel qu'un puits d'hydrocarbures, d'une venue de fluide pouvant présager une éruption, la détection se fondant sur la différence des débits d'entrée et de sortie de La boue de forage injectée dans le puits, caractérisé par le fait qu'il consiste essentiellement à mesurer le débit d'entrée A de la boue de forage dans le puits et le débit de sortie B de la boue de forage remontant du puits, à former la quantité C = a.B - A o a est un facteur d'échelle dbnt la valeur peut être modifiée pour effectuer une recalibration de la mesure du débit de sortie, à opérer une telle recalibration chaque fois que la valeur moyenne de la quantité C par rapport au temps révèle un écart significatif entre les débits d'entrée et de sortie, et à déclencher une alarme suivant un critère prédéterminé en fonction de la fréquence des recalibrations qui correspondent à un excès du débit de sortie par rapport au débit d'entrée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une alarme est déclenchée lorsqu'ont lieu, dans une période de durée fixée, un certain nombre prédéterminé de recalibrations consécutives correspondant toutes à un accroissement de la valeur moyenne de la quantité C. 3. Procédé selon la revendication 1 ou- 2, caractérisé par le fait que l' on détermine la valeur moyenne de la quantité C en calculant la quantité D = fC dt à partir de la précédente recalibration, puis l'on compare cette quantité D à un seuil positif P1 et à un seuil négatif P2 et, lorsque la valeur de la quantité D atteint le seuil positif, on effectue une recalibration en modifiant la valeur du facteur a de telle manière que, à une (i-1)ième recalibration, ce facteur passe de ai_1 à i5- a; = a:_1 mi 1 i- C ii-i ai = ai. 1m / Ci- i-i 1 26 18 181 i-1 i-1 C et B désignant les valeurs moyennes des quantités C et B m m calcuLées avec la précédente valeur a1 à partir de la recalibration de rang i-1, une recalibration analogue, mais de sens opposé, étant effectuée lorsque la valeur de la quantité D atteint le seuil négatif P2, tandis que la valeur de ladite quantité est ramenée à zéro à chaque recalibration. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que l'on détermine la valeur moyenne de la quantité C et son écart par rapport à zéro à L'aide de l'algorithme de Hinkley. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que le seuil positif P1 précité est choisi égal à 50 litres environ, et que la fréquence des recalibrations pour laquelle est déclenchée une alarme est choisie égale à 3 en 20 minutes environ. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à , caractérisé par le fait que les seuils positif et négatif P1 et P2 sont égaux.en valeur absolue. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait qu'on ne fait porter l'intégration de la quantité C que sur les valeurs de celle-ci qui sont extérieures à un intervalle Z compris entre des seuils de sensibilité positif et négatif ± q, égaux en valeur absolue. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la valeur absolue des seuils de sensibilité est choisie égale à 10 l/min environ.