Brevet FR2723141A1 — publié le 19960202

La présente invention se rapporte à un procédé de conduite de forage à faible diamètre et, plus particulièrement à un tel procédé dans lequel on détermine des pertes de charges dans un puits de forage pétrolier à faible diamètre. Dans un puits de forage, de la boue circule à l'intérieur d'une garniture, formée de tiges, passe dans un outil et remonte à la surface par un espace annulaire défini entre les tiges et la paroi du puits. La rotation de la garniture entraîne des pertes de charge dans l'écoulement de cette boue. I1 convient de rappeler que la boue de forage, qu'elle soit à base d'eau ou d'huile, a pour fonction - la prévention du cavage et des resserrements des parois du puits, - le maintien des déblais en suspension, - le refroidissement et la lubrification de l'outil et du train de sonde, - le nettoyage du puits, - le dépôt d'un film imperméable sur les parois du sondage, - la prévention des venues d'eau, de gaz ou d'huile, - l'augmentation de la vitesse d'avancement, - l'apport de renseignements sur le sondage grâce aux déblais remontés à la surface. La densité de la boue est variable, mais dans un forage pétrolier à faible diamètre, le domaine de variation est restreint car la densité est proche de la densité critique : densité au-delà de laquelle la boue provoque des fissurations des parois. Pour les forages à faible diamètre, on utilise un fluide dit "fluide en puissance" qui obéit en général à une loi en puissance caractérisée par une constante K et un exposant n. Par "diamètre réduit" dans le présent contexte, on entend la réduction du diamètre du puits de près de 22 cm à environ 12 cm, ou la réduction du diamètre des tiges de 12 cm à environ 8 cm, ou la réduction de l'espace annulaire de 5 cm à 2 cm approximativement. Dans un puits de forage de type classique, la taille de l'espace annulaire n'entraîne aucun problème d'hydraulique, les pertes de charge engendrées sont négligeables par rapport à celles engendrées par le reste de l'installation. En forage pétrolier à faible diamètre, l'espace annulaire est étroit, et la vitesse de rotation de l'outil est plus élevée, pouvant atteindre 500 tr/mn. Les pertes de charge engendrées s'avèrent donc importantes. En régime laminaire, les caractéristiques de l'écoulement sont connues, notamment grâce à la solution de Blasius, et les pertes de charges ne sont pas liées à la vitesse de rotation de la tige. Mais, à partir de quelques dizaines de tours par minute, le régime est turbulent autour de cette tige. I1 est connu que l'augmentation de la vitesse de rotation dans un faible annulaire engendre des pertes de charge non-négligeables. La présente invention a donc pour objet un procédé de conduite de forage à faible diamètre qui, à partir de la détermination des pertes de charges dans un puits de forage, permet d'obtenir le meilleur compromis de forage entre les caractéristiques du procédé de forage et la tenue de la paroi. Pour ce faire, l'invention propose un procédé de conduite de forage à faible diamètre consistant à - calculer la valeur d'un nombre de Reynolds amélioré tel que défini dans la description, à partir de la masse volumique de la boue, du calcul intermédiaire de la vitesse et de la viscosité globale de la boue à partir des données de forage et des données du fluide de forage, et du calcul du diamètre hydraulique, déduit des données du puits - déterminer un coefficient de frottement à partir du nombre de Reynolds amélioré et des abaques, préalablement construits ; - calculer les pertes de charges dans l'espace annulaire à partir du coefficient de frottement associé à l'angle que fait la trajectoire hélicoïdale avec le plan radial du puits, déduit des données de forage ; - déterminer la densité équivalente en circulation à partir des pertes de charge - comparer la valeur de la densité équivalente en circulation à laquelle on retire la valeur de la densité de fracturation, obtenue grâce aux données concernant la structure du puits, avec une marge de sécurité prédéterminée ; - si la différence de densité ne dépasse pas cette marge de sécurité, on maintient les paramètres de forage ou on optimise le forage ; - si la différence de densité dépasse cette marge de sécurité, on modifie activement les paramètres de forage et/ou de boue. La présente invention présente l'avantage de préciser l'écoulement de la boue en régime turbulent dans un espace annulaire, afin d'adapter les paramètres de forage ainsi que les débits, et de modéliser cet écoulement grâce à des modèles mathématiques. Les vibrations provoquées par la rotation des tiges sont tenues en compte par le modèle. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description suivante, donnée à titre explicatif mais nonlimitatif, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un puits de forage ; - les figures 2a et 2b sont des sections de deux puits pétroliers à diamètres différents - la figure 3 représente la nature de l'écoulement le long des tiges ; - la figure 4 est une vue plus précise de la trajectoire hélicoïdale ; - la figure 5 schématise le procédé de conduite de forage selon l'invention. - les figures 6 et 7 donnent les résultats des expériences respectives 1 et 2. Sur la figure 1, est représenté un ensemble de forage comprenant un mât 10 muni, de façon connue en soi, d'un crochet 12 auquel est suspendu un train de tiges, représenté généralement en 14. Le train de tiges 14 comprend un outil de forage 16, des masse-tiges 18 et des tiges de forage 20. Dans l'exemple illustré, le train de tiges 14 est mis en rotation par une table de rotation 22. La boue de forage sous pression passe d'une source (non-représentée) à l'intérieur des tiges 20 par un conduit flexible 24. Cette boue descend jusqu'à l'outil de forage 16 puis remonte dans l'espace annulaire 26 entre les tiges 20 et la paroi 28. La figure 2 illustre la différence entre les types de forage : traditionnel (figure 2a) et à faible diamètre (figure 2b). Ces sections de puits montrent l'espace annulaire 26 séparant le train de tige 14 de la paroi du puits 28. Cet espace peut être divisé par deux, voire trois, lors de forages à faible diamètre. Ce type de forage est utilisé pour les forages d'exploration. I1 présente les avantages suivants - coûts plus réduits, - carottages plus faciles, les données d'informations sont plus importantes sur la nature du terrain traversé, - protection accrue de l'environnement, - le débit de boue varie de 100 à 500 l/mn contre 200 à 1000 l/mn dans le cas d'un forage classique, - la vitesse de rotation est plus élevée : 500 tr/mn contre 40 à 200 tr/mn dans le cas d'un forage conventionnel. Sur la figure 3 sont représentés la trajectoire hélicoïdale 30 du fluide, le sens de rotation 100 du train de tiges 14 et le sens de l'écoulement 110 du fluide à l'intérieur de l'espace annulaire 26, avec les tourbillons de Taylor 32 créés comme conséquence du régime turbulent. La figure 4 représente la trajectoire hélicoïdale 30 du fluide, ainsi que l'angle a que fait le vecteur vitesse 120, donc la tangente à la trajectoire, avec le plan radial (orthogonal à l'axe du cylindre). Les pertes de charge verticales 130 sont liées aux pertes de charge sur l'hélice et à la longueur de cette hélice. L'étude dimensionnelle du système a fait apparaître le nombre de Reynolds (Re), lié à l'écoulement axial, le nombre de Taylor (Ta), lié à la rotation de la tige, qui sont définis par les équations suivantes # # W # Dh # # Dh # #o Re = Ta = où: - p : la masse volumique du fluide étudié, - W : la vitesse moyenne de débit, - IL : la viscosité, - #o : la vitesse de rotation de la tige, - Dh : le diamètre hydraulique. Des essais expérimentaux ainsi que l'utilisation d'un logiciel d'optimisation rhéologique et d'analyse hydraulique ont permis de définir un nombre de Taylor optimise : Taoptimisé = # # #o # (Rext - Rint)1.5 # Rint0.5 où - Rint est le rayon de la garniture, - Rext est le rayon de la paroi. L'étude de stabilité du système, afin de visualiser la transition entre l'écoulement laminaire et l'écoulement turbulent montre l'existence de tourbillons de Taylor (figure 3). Ces tourbillons de Taylor ont une importance assez grande dans la prédiction des pertes de charge à partir de ces seuls nombres adimensionnels Re et Taoptimisé. Ainsi, des écarts considérables entre théorie et expérience ont été constatés. I1 a été constaté un effet de synergie entre la rotation de la tige de forage et le débit du fluide de forage. Une autre voie devait être tentée, toutes les particules de fluide ont par hypothèse une trajectoire moyenne hélicoïdale (ce qui a été vu expérimentalement lors d'une expérience dans un tube en verre). On a alors défini un nombre de Reynolds amélioré qui tient compte des efforts d'inertie et de viscosité : # # vitesse # Dh Reamélioré = global - Global est fonction de la viscosité axiale ILax, de la viscosité de rotation yrot et des gradients de vitesse axial Gradax et de rotation Gradrot. L'étude de l'écoulement laminaire du fluide en conduites cylindriques coaxiales en résolvant le problème sans rotation, puis sans débit nous permet de déterminer la viscosité de l'écoulement quel que soit le régime, puis les gradients de vitesse - La vitesse est une vitesse moyenne que nous admettons égale à 2/3 de la vitesse maximum, sachant que 2 Vitesseaax = W2 + û,2 où - W : la vitesse moyenne de débit, - # : la vitesse approximative maximum de rotation en R = Rint + Rext 4 - Pour le diamètre hydraulique, Dh, la littérature utilise généralement la formule, D étant le diamètre Dh = Deit - Dint Pour des cylindres coaxiaux, on utilise généralement la formule donnée par le manuel du foreur Dh = 0.8165 (Dext - Dint) La reprise de l'analyse dimensionnelle de la perte de charge nous donne une relation entre la perte de charge linéaire et les différents paramètres qui caractérisent l'écoulement AE! p . Cf . Ramélioré P vitesse2 2 = . Cf . Reamelioré 2 . Dh où - 1 est la longueur de l'hélice, - Cf est appelé le coefficient de friction, le coefficient de frottement ou le coefficient de perte de charge ou fanning factor (au choix). Il est donc possible d'avoir les pertes de charges verticales Ap p Cf . Reaméijoré P Vitesse2 tana I vartical 2 Reamélioré . Dh ilitan2 Des anciens travaux avaient été effectués sur une tour du centre d'expérimentation et de recherche de l'écoulement des fluides de 25 m, l'installation pilote utilisée ensuite, mesure 2 m. Les appareils utilisés nous permettent d'accéder à la valeur des pertes de charge linéaires. Connaissant la valeur du coefficient de frottement pour un fluide et une vitesse donnés, il est possible de déterminer la valeur du coefficient de frottement pour vitesse différente grâce à la formule qui découle de celle donnant la valeur des pertes de charges linéaires Cf2 (Reéiioré? = vitesses P1 Cf1 (Rearélioré) La référence est choisie pour une vitesse nulle de rotation et un débit suffisamment faible pour être en régime laminaire, le coefficient de frottement et les pertes de charges s'écrivent, dans le cas d'une conduite cylindrique 16 Cf = Re Le tracé des abaques a été réalisé pour chaque valeur de n du fluide en puissance de la manière suivante à un débit fixé on a fait varier la vitesse de rotation de O à 350 tr/mn puis, après augmentation du débit, une nouvelle variation de la vitesse de rotation a été effectuée. Les exemples 1 et 2, dont les résultats sont donnés sur les figures 1 et 2 respectivement, ont les caractéristiques suivantes - Exemple n"l : une boue au K2C03 de densité d=1.37 pour un puits de diamètre extérieur Dext= 110 mm et de diamètre intérieur Dint 60 mm. L'essai a été effectué sur la tour de 25 mètres. - Exemple n"2 : un mélange bentonitique de densité d=1.02 pour un puits de diamètre extérieur Dext=1O7 mm et de diamètre intérieur Dint=60 mm. L'essai a été effectué sur le pilote. Les morceaux de courbe obtenus ont fait apparaître une courbe unique couvrant le domaine usuel de forage en faible diamètre pour chaque valeur de n du fluide en puissance. Une validation des abaques a été effectuée grâce à une analyse en composante principale. Cette méthode statistique a permis de comparer les pertes de charge prédites avec celles effectivement mesurées dans l'installation pilote. Plusieurs expériences supplémentaires ont été menées, le coefficient de corrélation entre les pertes de charge prédites et les pertes de charge expérimentales s'est avéré supérieur à 98%. A partir des abaques validées, on a construit un modèle de procédé de conduite de forage schématisé sur la figure 5 - Les données liées à la boue {p ; (K, n, 70) OU la courbe rhéologique) et celles liées au forage (Q, co et l'excentration) sont nécessaires. - Les données du puits (Des, Dint) donnent le diamètre hydraulique Dh qui, associé à p et les paramètres définis ci-dessus, permet de procéder au calcul de Fglobal et du nombre vitesse puis du nombre de Reynolds amélioré (ROéîioré) - Les abaques et le nombre de Reynolds amélioré permettent de calculer le coefficient de frottement (Cf). - Les données liées au forage permettent de déterminer l'angle a défini ci-avant. - L'angle a ainsi que le coefficient de frottement (Cf) donnent accès aux pertes de charges en utilisant les formules de la partie théorique de la présente invention. - Ces pertes de charge permettent de déduire la densité équivalente en circulation (ECD). - Les données liées au puits, notamment la structure du sous-sol, permettent le calcul d'une densité de fracturation (FD). Cette densité est la valeur limite de la densité équivalente en circulation au-delà de laquelle des problèmes destructifs peuvent apparaître dans le puits lors du forage. - On procède ensuite à une comparaison de la densité équivalente en circulation avec cette densité de fracturation et une certaine marge de sécurité (MS) prédéterminée. Si la valeur de ECD - FD est inférieure à cette marge de sécurité (MS), soit le forage pourra être effectué, soit on pourra procéder à une optimisation de certains paramètres de forage puis réutiliser le procédé de la présente invention. Si la valeur de ECD - FD est supérieure à cette marge de sécurité (MS), il faut activement modifier les paramètres de forage, par exemple vitesse de rotation (o), densité ou vitesse d'écoulement de la boue (Q), et refaire la série d'étapes précédente jusqu'à obtenir des valeurs satisfaisantes. REVENDICATIONS 1 - Procédé de conduite de forage d'un puits dont le diamètre est de l'ordre de 12 cm, lors duquel un outil est mis en rotation dans un puits par une tige de forage, le procédé consistant à - calculer la valeur d'un nombre de Reynolds amélioré à partir de la masse volumique de la boue, du calcul intermédiaire de la vitesse et de la viscosité globale de la boue à partir des données de forage et des données du fluide de forage, et du calcul du diamètre hydraulique, déduit des données du puits - déterminer un coefficient de frottement à partir du nombre de Reynolds amélioré et des abaques, préalablement construits - calculer les pertes de charges dans l'espace annulaire à partir du coefficient de frottement associé à l'angle que fait la trajectoire hélicoïdale avec le plan radial du puits, déduit des données de forage - déterminer la densité équivalente en circulation à partir des pertes de charge ; - comparer la valeur de la densité équivalente en circulation à laquelle on retire la valeur de la densité de fracturation, obtenue grâce aux données concernant la structure du puits, avec une marge de sécurité prédéterminée - si la différence de densité ne dépasse pas cette marge de sécurité, on maintien les paramètres de forage ou on optimise le forage - si la différence de densité dépasse cette marge de sécurité, on modifie activement les paramètres de forage et/ou de la boue. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisée en ce que le calcul du nombre de Reynolds amélioré s'effectue à partir de la vitesse de rotation de la tige. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que on construit les abaques en fonction de l'aspect turbulent ou non du fluide.