Brevet FR2619156A1 — publié le 19890210

Procédé de contrôle des venues de fluides dans les puits d'hydrocarbures L'invention se rapporte au contrôle 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 dudit fluide. 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 ("blow-out" en anglais). Le plus souvent cette venue de fluide est détectée assez tôt pour que l'éruption catastrophique ne se produise pas. 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 2 6 19 1 5 6 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 fond ait une valeur légèrement supérieure à la pression de la formation. 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. En pratique, le foreur n'utilise pas ces informations de façon efficace après qu'une venue de fluide ait été détectée. En particulier, il n'utilise pas les mesures de pression et de niveau dans les bacs à boue qui sont pourtant à sa disposition. Il a donc peu de moyens de détection d'évènements qui peuvent avoir de graves conséquences pour les opérations. La présente invention a pour but d'aider le foreur à détecter, pendant la circulation d'une venue de gaz, des évènements dangereux, tels qu'une nouvelle venue ou des pertes de boue. Ceci est accompli en calculant, à partir desdites mesures dont dispose le foreur, la valeur d'un paramètre qui reste sensiblement constante si le phénomène est stable. Tout écart sensible par rapport à cette valeur est interprété comme une instabilité, nouvelle venue de fluides de la formation ou perte de boue dans la formation. Selon le mode de réalisation préféré, le paramètre choisi est la masse de gaz présente dans l'annulaire. Cette masse calculée reste inchangée tant que le puits reste intègre, c'est-à-dire tant qu'il n'y a pas d'échange avec la formation. De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de contrôle en temps réel des venues de gaz d'une formation souterraine dans un puits que l'on fore, selon lequel on mesure les pressions d'injection Pi et de retour Pr de la boue de forage et le débit Q de la boue de forage circulant dans le puits, et on ajuste la pression de retour Pr de la boue de forage pour maintenir une pression au fond 2619 1 56 du puits supérieure à la pression de la formation. On détermine périodiquement, à partir desdites pressions et dudit débit, une valeur caractéristique d'un paramètre du gaz au cours de son ascension dans le puits vers la surface, ledit paramètre ayant une valeur sensiblement constante pour une venue déterminée, et en ce que l.'on-suit l'évolution de ladite valeur. 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 généralement utilisé pour le forage du type "rotary" d'un puits. La figure 2 montre d'une manière schématique l'annulaire et la position du gaz dans ledit annulaire. La figure 3 montre un exemple de résultat de la méthode proposée dans le cadre de la présente invention. On voit sur la figure 1 le circuit de boue d'un puits 1 pendant 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, 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 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, qui peut comporter un cuvelage. En opération normale, la boue de forage passe à travers une vanne anti-éruption 12 qui est ouverte et se déverse dans le bac à boue 4 par une goulotte 24 et à travers un tamis vibrant pour séparer les débris de la boue. Lorsqu'une venue de fluides est détectée, on ferme la vanne 12. En arrivant 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 Q de la boue est mesuré avec un débitmètre 16 et la densité de la boue est mesurée avec un capteur 21 tous deux insérés dans 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 20 placé dans le bac 4. Les signaux Q, dm, Pi' Pr et n ainsi créés sont appliqués à un dispositif de traitement 22, o ils sont traités afin de contrôler la circulation des venues. Afin d'expliquer la méthode de contrôle de venue'de gaz de la formation, on peut considérer deux cas extrêmes. Selon une première hypothèse, le puits est ouvert en surface (la vanne 12 est ouverte et la duse 13 fermée) et l'opération de forage se poursuit sans changement. Le gaz produit par la formation souterraine monte dans l'annulaire et au fur et à mesure de sa montée se détend puisque la pression hydrostatique diminue. Le gaz occupe donc un volume de plus en plus grand dans l'annulaire, ce volume de gaz remplaçant un volume équivalent de boue de forage laquelle est de densité plus grande que celle du gaz. Il s'ensuit une diminution progressive de la pression hydrostatique au fond, au regard de la formation productrice. Du gaz s'échappe par conséquent de plus en plus de la formation et une éruption catastrophique va se produire si le foreur n'intervient pas. Pour ce faire, et c'est la deuxième hypothèse extrême, le foreur ferme la vanne anti-éruption 12. Le gaz, produit initialement par la formation à la pression de fond, remonte à la surface mais, cette fois, sans se détendre puisque le puits est fermé. Arrivé en surface, le gaz est toujours à la pression initiale du fond. Il en résulte que la pression du fond est maintenant égale à la pression du gaz augmenté de la pression hydrostatique exercée par la colonne de boue de forage dans l'annulaire. Cette pression hydrostatique est égale à la pression de fond initiale puisque, ni le volume, ni la densité de la boue n'ont changé. La pression au fond est donc maintenant égale à deux fois la pression de fond initiale. Cette pression est généralement supérieure à la pression de fracturation de la formation. Si on opérait selon cette deuxième hypothèse, on fracturerait donc la formation et la boue de forage serait perdue dans la formation, produisant des dommages irréparables. En pratique, le foreur se place dans une situation intermédiaire entre ces deux extrêmes, puits complètement ouvert ou fermé. La vanne anti-éruption 12 est fermée et l'ouverture de la duse 13 est ajustée périodiquement pour maintenir la pression au fond sensiblement constante. Le traitement des signaux mesurés en surface va maintenant être décrit en utilisant un modèle relativement simple pour la description du comportement du gaz pendant l'opération de contrôle. La méthode qui va être décrite peut cependant être adaptée à des modèles plus complexes le cas échéant. La figure 2 représente de manière très simple la distribution de gaz dans l'espace annulaire 10 de la figure 1. Pour la clarté de l'explication de la méthode, il sera supposé ici que la section de I'annulaire a une aire A constante de bas en haut du puits. Mais la méthode peut être utilisée même si cette section n'est pas d'aire constante. Soit pf la pression qui règne à un instant donné au fond du puits. Lorsque la boue circule dans les tiges 3, cette pression pf peut être déterminée à partir de la pression d'injection pi de la boue dans les tiges 3, qui est mesurée par le capteur 18. La détermination de la pression pf à partir de Pi peut- être faite par calcul, en tenant compte des pertes de charge par frottement de la boue contre les parois du train de tiges, ou encore à l'aide de calibration sur le site, lorsque la boue circule directement vers le bac 4 à la surface, sans passer à travers la duse 13. Cette procédure de calibration est faite de manière systématique sur les chantiers de forage. Soit L la profondeur totale du puits, c'est-à-dire la différence de côte entre le capteur 19 et le trépan 2. A un instant donné, le gaz qui était entré dans le fond du puits lors de la venue se trouve entre le bas et le haut du puits. Supposons que ce gaz soit réparti uniformément dans la boue sur une distance h, comme le montre la figure 2, et que le haut de cette zone o le gaz et la boue sont présents ensemble dans l'annulaire soit à la cote verticale z par rapport au capteur 19. Si l'on ignore, en première approximation, les 2 6 19156 pertes de pression dues à la friction de la boue dans l'annulaire, sur les parois du puits et des tiges de forages, la relation suivante est vérifiée: Pf-Pr =dm g L + g9 (1- d(1) dans laquelle d est la densité moyenne du gaz, g est l'accélération g de la gravité, et M est la masse totale de gaz présente dans g l'annulaire. Cette expression permet donc de calculer M si l'on connait g dg, sachant que dm, A et L sont connus par ailleurs. Ceci est intéressant, car cette masse calculée M doit rester constante si g l'annulaire reste isolé pendant la circulation, c'est-à-dire s'il n'y a ni entrée, ni perte de fluide. La densité moyenne d du gaz est reliée à sa pression g moyenne pg par la relation: dg =Pg (2 d ZkT ( dans laquelle Z est le facteur de compressibilité du gaz, k est le rapport de la constante de Boltzmann à la masse molaire du gaz, et T est la température absolue du gaz. La pression moyenne pg du gaz en se plaçant au milieu du gaz, à la profondeur ( z + h/2) peut être donnée approximativement par: h P= dmg (z +) (3) On remarque que pour calculer Mg, on calcule d'abord la valeur de pg, à l'aide de l'équation (3), le calcul de Mg dépend de l'estimation de la position moyenne z + h/2 du gaz. On connait l'instant o le gaz a pénétré depuis la formation dans le puits. En effet, cet instant correspond à une augmentation subite de plusieurs paramètres: le niveau de boue dans le bac à boue, le débit de la boue en sortie et généralement la vitesse de pénétration du trépan dans la formation. La connaissance de cet instant initial et de débit de boue permet de déterminer à chaque instant la profondeur moyenne z + h/2 du gaz dans l'annulaire. Cependant, le gaz placé dans la boue de forage tend à s'élever sous l'effet de la poussée d'Archimède. En conséquence, le gaz se déplace vers la surface plus rapidement que ne le fait la boue de forage. Pour calculer la densité. moyenne du gaz pendant la circulation, il faut donc faire appel à un modèle de glissement du gaz par rapport à la boue. Il existe de tels modèles publiés dans la littérature, du plus simple qui suppose que cette vitesse est constante, à de plus compliqués qui prédisent des valeurs de vitesse de glissement qui dépendent de manière assez détaillée de la structure de l'écoulement diphasique. A titre d'exemple, la présente invention utilise les équations ci-dessus pour calculer la masse de gaz présente dans l'annulaire en supposant une vitesse de glissement constante V à g partir de l'instant initial de production du gaz. La profondeur du gaz dans l'annulaire est donné par la relation: +2= (L+2 )- ( vg) t (4) dans laquelle Q est débit de boue mesuré en surface et ho la hauteur initiale de gaz au fond du puits. Selon le principe général de la présente invention, on calcule périodiquement la pression du gaz dans l'annulaire à des instants successifs et on calcule la masse de gaz M correspondante, g à partir des équations (1) à (4). Cette masse de gaz est constante s'il n'y a pas d'échange de fluides avec la formation. Par contre, une augmentation de la valeur calculée de M montre qu'une nouvelle g entrée de gaz dans l'annulaire s'est produite. Le foreur doit donc modifier l'ouverture de la duse 13 afin d'augmenter la pression pf au fond du puits. Inversement une diminution de la valeur Mg correspond à une perte de boue dans la formation. Le foreur doit donc agir sur le réglage de la duse 13 pour diminuer la pression de fond pf. On peut bien entendu mettre en oeuvre la présente invention en calculant la profondeur du gaz dans l'annulaire à partir de l'équation (4). En pratique, on peut cependant calculer directement la pression pg du gaz dans l'annulaire après un temps t à partir du temps initial t par l'expression: pg = pf - dmg Q + vg) dt (5) A On remarque que pg est une fonction uniquement de Q et de V9. On calcule ensuite la densité d du gaz correspondant à la g g pression pg par l'expression: dg = dgo P9 (6} Pgo d et pgo étant respectivement la densité et la pression du gaz à g g l'instant to. On remarque que pgo = Pf' A partir de dg, on détermine la masse Mg correspondante à partir de l'équation (1). Il est à noter cependant que la validité du modèle de glissement utilisé peut être vérifiée, en particulier lorsque la circulation commence, en utilisant la mesure n du niveau de boue dans le bac 4. Cette mesure de niveau peut être utilisée pour déterminer l'augmentation de volume du gaz lors de la circulation. En effet, lorsque le gaz se détend, il déplace la boue de l'annulaire, et le niveau du bac 4 augmente. Cette variation de volume du bac 4 peut donc être utilisée pour connaitre l'expansion du gaz dans l'annulaire, et donc la pression moyenne du gaz, reliée à sa profondeur moyenne. Ceci peut être utilisé pour calculer la vitesse d'ascension du gaz, et donc pour vérifier le modèle choisi pour la méthode de contrôle, et au besoin l'ajuster. Il est à noter que le niveau du bac 4 ne peut être une mesure précise instantannée, du fait de l'agitation dans le bac, mais peut néammoins être utilisée pour contrôler la vitesse d'ascension du gaz si ce niveau est moyenné en fonction du temps. Selon une variante de mise en oeuvre de l'invention, on détermine tout d'abord la masse de gaz Mg tel qu'exposé précédemment, puis on suppose au cours de la ou des mesures suivantes qu'il n'y a pas d'échange de fluides avec la formation. En conséquence, toute variation de la valeur de M est interprétée comme une erreur g initiale sur la valeur de la vitesse de glissement V (ou sur le g modèle choisi pour Vg). On corrige cette valeur Vg (ou le modèle) en prenant pour valeur de M la valeur calculée initialement. Cette g35 correction étant effectuée, les mesures suivantes sont utilisées pour correction étant effectuée, les mesures suivantes sont utilisées pour 2 619156 calculer la valeur de M. Toute variation du cette valeur est g interprétée comme un échange de fluide avec la formation. La figure 3 montre différentes courbes représentant au cours du temps t, l'évolution des pressions de retour Pr et d'injection Pi, du débit Q de la boue, du volume de boue dans le bac à boue (courbe 30) et de la masse- de gaz Mg calculée. Les courbes sont représentées à partir du temps initial to, lorsque le gaz est apparu dans le puits. On remarque que le volume de boue dans le bac (courbe 30) augmente jusqu'à une valeur maximale qui correspond au temps d'arrivée ta du gaz en surface. Au même temps ta, la valeur de M commence à décroitre. Le débit Q et la pression Pi restent sensiblement constants. Revendications 1. Procédé de contrôle en temps réel des venues de gaz d'une formation souterraine dans un puits que l'on fore, selon lequel on mesure les pressions d'injection Pi et de retour Pr de la boue de forage et le débit Q de la boue de forage circulant dans le puits, et on ajuste la pression de retour Pr de la boue de forage pour maintenir une pression au fond du puits supérieure à la pression de la formation, caractérisé en ce que l'on détermine périodiquement, à partir desdites pressions et dudit débit, -.une valeur caractéristique d'un paramètre du gaz au cours de son ascension dans le puits vers la surface, ledit paramètre ayant une valeur sensiblement constante pour une venue déterminée, et en ce que l'on suit l'évolution de ladite valeur. 2. Procédé selon la revendication 1, caracterisé en ce que ledit paramètre est la masse de gaz M présente dans le puits à un g instant initial t. o 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que, afin de déterminer ladite masse de gaz, on détermine la pression du gaz à partir de la.valeur de la vitesse de glissement V du gaz par g rapport à la boue de forage et en ce qu'on détermine la valeur correspondante de la densité d du gaz. g 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3 caractérisé en ce que la vitesse de glissement V est déterminée en mesurant l'augmentation de volume du gaz au cours de son ascension dans le puits. 5. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'après avoir déterminé la valeur de la masse de gaz Mg, on utilise cette valeur pour ajuster la valeur de la vitesse de glissement Vg au cours de la ou des mesures suivantes et en ce que l'on suit ensuite l'évolution de ladite masse de gaz M avec ladite valeur V gainsi ajustée. ainsi ajustée.