Brevet FR2640682A1 — publié le 19900622

Méthode pour prédire La qualité d'exécution d'une cimentation de puits pétrolier et évaluer cette exécution La présente invention concerne le secteur de La cimentation de puits pétrolier, de gaz, d'eau, géothermique, d'injection ou de production, et analogues. On sait que, après le forage d'un puits, par exemple pétrolier ou de gaz, on descend un tubage métallique avant de cimenter l'annulaire ainsi créé entre la roche et le tubage. Le ciment a pour fonctions d'empêcher l'effondrement du puits sous la pression des roches et d'isoler les diverses zones des formations souterraines. On sait que le laitier de ciment est injecté par l'intérieur du tubage (derrière un fluide inerte) jusqu'au fond du puits, après quoi le ciment remonte dans l'annulaire en chassant la boue de forage. Bien entendu, on calcule la quantité de laitier de ciment de telle sorte que l'intérieur du tubage ne soit pas cimenté (dans ce tubage, on place un fluide inerte). Ces techniques, ainsi que les nombreux produits et compositions s'y rapportant, sont parfaitement connus de l'homme du métier. Les problèmes rencontrés lors de la mise en oeuvre de ces techniques sont également bien connus. Notamment, il peut arriver que, en certains endroits du puits, la cimentation ne soit pas parfaite en raison d'un déplace- ment imparfait de la boue, d'une perte de fluide imprévue vers une formation souterraine très perméable ou fissurée, d'une asymétrie du tubage, etc. Or, il est extrêmement important que la cimentation soit aussi parfaite que possible sur toute la hauteur utile du puits afin d'éviter tout "point de faiblesse" ou "communication" dans l'annulaire cimenté. If est donc totalement habituel, après une opération de cimentation, Je vérifier la qualité du ciment sur toute la hauteur utile du puits par un outil de fond bien connu que l'on descend dans le tubage. Cet outil analyse La propagation et L'atténuation d'ondes (très généraLement acoustiques) et produit une courbe de réponse appeLée "diagraphie" (ou plus communément "log") dont l'analyse par un spécialiste permet de déceler les zones o, pour une raison quelconque, existe un point de faiblesse dans le ciment: poche de boue, mauvaise liaison ("bond") ciment/roches ou ciment/tubage, etc. Cette courbe est communément dénommée "CBL" ("Cement Bond Log" ou courbe de qualité de cimentation). Le spécialiste preconise aLors un second traitement de cimentation de ces zones ("réparation"). Toutes ces opératicns sort absolument connues dans tous leurs detaiLs et iL est inutile de Les excLiquer ici plus avant. (cf. SPE 16 652, 1987). On sait éogalement cue des effets secondaires ainsi que des paramètres que L'on ne sait pas traiter utilement à ce jour, peuvent affecter La précision du log. Ceci est absolument inévitable étant donne la nature des operations qui sont conçues et commandées depuis la surface, mais se déroulent en fond de puits dans des conditions qu-, a L'évidence, ne peuvent pas être garanties à 100 %. Il peut donc arriver que certaines anomalies du log ne puissent pas être interprétées correctement, ce qui peut conduire, par exemple, à recommander par sécurité des traitements curatifs de cimentation dont certains peuvent être en fait inutiles. Etant donné que chacun de ces traitements secondaires ou curatifs de cimentation est extrêmement coûteux pour l'exploitant du puits (retard dans la production, coût de L'opération elle-même, etc.), on conçoit l'intérêt énorme que présenterait une méthode permettant de prédire avec précision le log que l'on devrait obtenir après la cimentation compte tenu de tous les paramètres accessibles de l'opération et du puits. En effet, un tel lcg "prédictif", permettrait, par comparaison avec le Log "réel" obtenu après cimentation, de loca- liser les zones o existe réellement un point de faiblesse dans la cimentation, sans que l'interprétation du log puisse être faussée par les inévitables "effets secondaires" mentionnés ci-dessus, (ou seulement dans une proportion minime). Cet intérêt a bien entendu été perçu depuis 20 ou 30 ans, mais les facteurs capables d'influencer le log sont si nombreux, si complexes, et quelquefois si incertains, qu'aucun log prédictif n'existe à ce jour. L'invention permet d'atteindre ce but. Il a été démontré que l'atténuatón des ondes acoustiques émises (puis recueillies) par l'outil permettant de tracer le log de cimentation (CBL) était directement fonction de l'impédance acoustique du ciment (cf. SPE 16 652). Il a également été montré que L'épaisseur du ciment en un point donné était l'un des facteurs les pLus critiques. On rappellera que l'impédance acoustique Z du ciment est le produit de la densité ç du ciment par la vitesse de propagation de la pulsation acoustique dans le ciment (UPV), c'est-a-dire vitesse des ondes de compression dans le ciment. On pourra se référer également aux documents SPE 16 139 et 18 028 dont l'enseignement est incorpore ici par référence. Une étape décisive a consisté à réussir à corréler Z, avec une excellente approximation, avec certains des très nombreux paramètres du ciment, du puits, des formations souterraines, et avec le temps (tc) écouLé entre le moment o la cimentation a été effectuée et le moment o le log de cimentation est tracé. Le problème majeur était d'obtenir une bonne approximation malgré le nombre et la complexité des paramètres, et l'imprécision qui pèse obligatoirement sur certains d'entre eux, et de faire en sorte que cette approximation soit utilisable pour atteindre le but de l'invention. Il a été sélectionné une approximation rendue par l'équa- tion suivante: X+a X + a Z = K x p x (1) c bX + c Z = imepédance acousticue théorique du ciment = ^.UPV K = f (tc, temps de prise ETT] du ciment, température) c = densité du ciment (kg/l) calcuLée pour la mise en oeuvre de l'opération de cimentation X = P [Corosité du laitier x Y Evolume de laitier obtenu à partir de ciment] d'un sac de ciment, c'est-àdire 94 livres (oounds) ou 43 kg environ} a, c: sont des constantes établies par l'approximation. On a recrésenté, sur 'a figure 1 annexée, les courbes obtenues pour deux tyces de ciment d:'fé-er.ts à deux températures différentes. Il est tcut à faî su-zrenant ae constater que l'on a pu parvenir a une accrox.nation aui soit 1) indécencante du type de cimernt (ce oui est nature!leeat u-n mzeratif absolu pour une utilisatisn sur les c-vers cnarrcs éetczliers du monde, o divers types ce cirent sont cliîatoirenent utilisés en fonction des sources d'acDrovisionre-ent, des conditions climatiques, etc.) et 2) oui puisse.être utilisee (cf. ci- oessous) comme point de départ vers le log prézictif, objet de l'invention. En;n, 'la se:o-de étace dcécsive ce l'invention, en ccmnpnaiscn ave eL'tace crécéente Z = f óp, X), a consisté à déccuv-ir qj'il exsta4t une relation enccre une fois indéoendante au tvce ce ciment et, ce plus, irdéze-oa-te ce la température entre LZ et 4t, có: U = différence entre pc prévu Lcrs de la conception de l'oDération de cimentation ("job design") et Pm mesuré en temps réel lors de la cimentaticn; et _Z = différence entre Z calculée à partir de c et Z calculée à c c m partir de Pm (car l'équation (I) ci-dessus). Bien que les ciments pétroliers présentent des diffé- 3 rences importantes et bien connues selon leur type, leur marque, etc., on voit sur la ficure 2 annexée cue la relation LZ = f (^a) peut être représentée par deux seg-ents de droite indépendamment de la température et du type de ciment. Etant donné que l'on peut accéder à \o par enregistrement de la densité réelle durant la cimentation, en temps réel, par un appareil d'acquisition de données ("PACR"), la relation représentée sur la figure 2 permet d'accéder à LZ et donc de corriger la valeur Z approximative caLculée par la formule (I) ci-dessus à partir des paramètres théoriques de La cimentation. On accède ainsi à la valeur réelle de Z. D'autre part, on sait corréler Lz et la profondeur du puits, en faisant intervenir la géométrie du puits (diamètre, etc.) qui est connue, et le débit de pompage en fonction du temps, qui est également connu par mesure en surface. On accède donc a Zréel = f (profondeur), c'est-à-dire (puisque l'on sait que l'atténuation acoustique est fonction de l'impédance) au "log" de cimentation CBL "prédictif" (le log que l'on doit obtenir, après avoir tenu compte de tous les paramètres importants grâces aux étapes ci-dessus), si la qualité de la cimen- tation est parfaite. Lorsque l'on compare ce log prédictif avec le log- réel obtenu par mesure dans le puits par un outil de fond connu, on est capable de localiser sans erreur les zones o une seconde cimenta- tion de réparation est, éventuellement, réellement nécessaire. On évite ainsi d'effectuer des cimentations secondaires aux endroits du puits cou, dans les logs antérieurs, les éléments secondaires imprévisibles et inévitables pouvaient fausser l'inter- prétation. L'ensemble des opérations a été schématisé sur la figure 3 annexée. Enfin, la figure 4 annexée représente un rapport d'opéra- tion de cimentation. Les courbes de densité, de réponse au rayonnement y et de CBL proviennent d'une opération réelle de cimentation effectuée en 1986, à l'exception de la courbe "CBL prédictif" qui a été tracée récemment en laboratoire par la méthode exposée ci-dessus, sur la base des données du dossier réel de 1986, et superposée aux courbes de 1986. La courbe de réponse y a été conservée par simplicité, mais n'est pas utilisée ici. Quant à la courbe "CBL" prédictif, cn n'en a fait apparaître que les portions utiles (zones A, B, C, D et E) afin de ne pas surcharger la courbe "CBL réeL". - "Conception" désigne la courbe theoriQue a suivre durant l'opéra- tion de cimentation; - "PACR" désigne la courbe enregistrée en terros réel par un appareil d'acQu4sition de dornnées, durant 'o:ération; - CBLreeL = courbe de CBL réeLLement ootenue par l'outil de fond apres l'operation ce cîmentation; - CBL = courbe de CBL thrcriqce obtenue a partir des données prevu de La conception (CBL ce L'art antér-eur); - CBLpredictif = courbe de CBL theoricue "corrgée", obtenue par la méthode seLon l'inverntion. On voit eue La comoaraison usueLLe du CBL "réel" et du CBL "prévu" conduit a La délimitation de 5 zones A à E o l'écart entre Les deux courbes peut être interprété commre une zone o la cimentation necessite une réparation. Par contre, la comparaison de La cour-e CBL "prédictif" obtenue selon l'invention avec le même CBL "réel" permet de montrer que, en fait, seule la zone E peut présenter un probleme de réparation. C'est en effet la seuLe zone o subsiste, après la méthoce de correction selon L'invention, un écart notable entre les deux courbes CBLrée et CBLprédictif réel prédictif' REVENDICATIONS 1. Méthode pour prédire La qualité d'exécution d'une opé- ration de cimentation de l'annulaire d'un puits pétrolier, à gaz, d'eau, géothermique, d'injection ou de production, et analogues, caractérisée en ce que: a. on calcule l'impédance acoustique théorique Z du ciment en fonction des paramètres et données de la conception de la cimen- tation (ou "job design"); b. on évalue la différence LD entre la densité théorique du laitier de ciment prévue lors de la conception et la densité réelle mesurée en temps reet, durant la cimentation, par un appareil d'acquisition de données; c. on établit une corrélation entre ta et:Z, AZ représentant la différence entre Z calculée sous a) et la valeur Z réelle du c m ciment; d. on calcule Z par Z = Z + AZ o úZ est calculée grâce à la m m c corrélation établie sous c); e. on établit une corrélation, de manière connup, entre o et la profondeur en un point donne du puits, de manière connue, en tenant compte de la géométrie - connue - du puits et des para- mètres de cimentation enregistrés en temps réel par appareil d'acquisition de données; f. par l'intermédiaire de la corrélation entre AP et la profondeur, on établit la corrélation entre Zm (valeur "prédictive" réelle) et la profondeur; cette corrélation est en fait une diagraphie ou "log" ("CBL") représentant la qualité théorique de la cimen- tation corrigée d'après les paramètres réels de la cimentation; g. on compare le CBL "prédictif" obtenu sous f) avec un log CBL réel enregistré par un outil de fond approprié (connu); h. on détermine les zones o l'écart entre le CBL "réel" et le CBL "prédictif' est suffisamment net pour être interprété comme localisan4 une zone o une cimentation de réparation peut être nécessaire. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape a) Z est obtenue par: c X + a X±a Z = K x z x (I) c c bX + c o - K = f (t, TT, T) o: t = temps écoule depuis la cimentation c TT = temps de prise du ciment T = température c = densité du ciment caLcuLée pour la mise en oeuvre de L'opé- ration de cimentaticn -X=PxY ou: P = pcrosité du laitier de ciment Y = volume de laitier de ciment obtenu à partir d'un 'sac" (env. 43 kg, 94 pounds) de ciment. - a et c sont des constantes établies par approximation 3. Méthod, selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la relation úZ = f(L:) peut être représentée par deux segments de droite ayant l'allure de la courbe représentée sur la figure 2 annexee.