Brevet FR2723980A1 — publié le 19960301

La présente invention concerne un procédé destiné à ouvrir et à étendre les fractures des forma- tions souterraines entourant un sondage pénétrant dans ces formations. L'invention est particulièrement utile dans les formations qui sont naturellement fracturées, telles que les filons de charbon, les schistes et les formations de craie. Dans de nombreux types de puits traversant les formations souterraines, un tubage est placé dans le sondage et le tubage est alors perforé afin qu'il établisse la communication entre le puits et la formation souterraine. Le tubage est habituellement cimenté en place dans le sondage. La formation de perforations dans le tubage établit avantageusement la communication à travers le tubage et le ciment qui l'entoure avec la formation souterraine adjacente. Il est souvent souhaita- ble de fracturer la formation souterraine au contact des perforations pour faciliter l'écoulement des hydrocarbu- res éventuels et autres fluides présents dans la forma- tion vers le puits. On a utilisé divers procédés et appareils pour réaliser la perforation d'un tubage d'un puits et fracturer une formation souterraine. On a produit des perforations mécaniquement, par exemple par projection de fluide et par utilisation de charges explosives, par exemple par perforation avec des éjecteurs. La fractura- tion a été réalisée par introduction d'un liquide aqueux ou d'un hydrocarbure liquide dans la formation par les perforations avec un débit et une pression qui suffisent pour provoquer la fracturation de la formation souterrai- ne. Dans certains cas, le fluide de fracturation peut contenir un agent de soutènement destiné à maintenir la fracture créée sous forme ouverte après la fin du traitement de fracturation. La fracture ainsi soutenue forme un canal libre par lequel les fluides peuvent circuler de la formation vers le puits. La fracturation a aussi été réalisée par détonation d'explosifs dans une partie d'un puits ou par allumage d'une certaine quantité d'un mélange de gaz combustible retenu dans le puits et qui crée une onde de pression intense ou élevée qui fracture la formation entourant le puits. Des liquides combustibles ou explo- sifs ont aussi été utilisés pour la fracturation d'une formation souterraine. Dans ce cas, les réactifs liquides sont injectés dans un puits et dans les parties poreuses adjacentes de la formation et les réactifs liquides détonent ensuite en créant des fractures dans la forma- tion. L'invention concerne un procédé perfectionné de production et d'extension de fractures dans des formations qui présentent des caractéristiques élastiques non linéaires ou dans des formations naturellement fracturées, ainsi qu'un système équivalent de stimulation des formations qui ne contiennent pas de fractures naturelles. Le procédé est mis en oeuvre en partie par introduction d'un explosif gazeux, comprenant un combus- tible gazeux et un oxydant et éventuellement un gaz inerte, dans les fractures contenues dans une formation souterraine et par allumage de l'explosif dans les fractures de la formation. L'énergie de détonation de l'explosif peut être réglée par la quantité de gaz inerte présente et par la pression du gaz au moment de la détonation. La détonation donne une pression suffisante pour ouvrir la fracture, pour l'étendre et pour former des éboulis en quantité suffisante pour soutenir la fracture à l'état ouvert. La présente invention s'applique de façon générale aux puits d'extraction d'un fluide quelconque d'une formation souterraine, ainsi qu'à l'exploitation minière par mise en solution dans laquelle des fluides sont injectés, puis récupérés avec des matières minérales dissoutes. La présente invention s'applique en particu- lier à la récupération du pétrole ou du gaz des forma- tions souterraines naturellement fracturées et des formations qui peuvent être initialement fracturées hydrauliquement pour la création de trajets de circula- tion par fracturation, permettant l'introduction de l'explosif gazeux. L'utilisation de la présente invention est particulièrement avantageuse dans le cas des forma- tions de schiste, de craie et contenant du charbon qui ont été fracturées. Dans un exemple d'application, un puits est foré depuis la surface du sol jusqu'à une profondeur voulue dans une formation souterraine. Un tubage peut être placé dans le puits et cimenté ou fixé autrement en position dans le puits. Si le tubage est placé sur toute la profondeur du puits jusqu'à une zone voulue, il peut être perforé ou fendu par tout procédé classique bien connu pour assurer la communication entre le puits et la formation. Si le tubage ne s'étend pas sur toute la profondeur du puits, la communication est établie par une zone non tubée, sans perforation ni fente. Une ou plusieurs garnitures d'étanchéité peuvent être placées dans le tubage ou le puits pour isoler une partie déterminée du puits qui doit être stimulée. La garniture ou les garnitures peuvent être de l'un quelconque des divers types disponibles dans le commerce. Un train de tiges peut alors être placé dans le tubage et peut descendre dans la garniture supérieure afin qu'il atteigne dans le puits une zone isolée qui doit être stimulée. Le gaz explosif est alors introduit dans la formation à partir du puits, par les fractures naturelles ou artificielles présentes. Le gaz explosif comprend un mélange d'un oxydant et d'un combustible. Le mélange peut aussi comprendre un gaz inerte, par exemple de l'azote, facilitant le réglage de la vitesse de détonation et du niveau de pression du mélange de gaz dans la formation. De préférence, l'oxydant est formé d'oxygène gazeux ou d'un gaz contenant de l'oxygène, par exemple d'air. Le combustible est de préférence du méthane, de l'éthane, de l'éthylène, du propane ou tout autre hydrocarbure à faible masse moléculaire ayant une tension de vapeur suffisamment faible pour être gazeux à la température et à la pression auxquelles est réalisé le traitement de stimulation. De préférence, les éléments constituants des gaz explosifs sont mélangés ou combinés juste avant introduction dans la formation. L'opération peut être réalisée par exemple par injection de l'oxydant par l'anneau créé par le tubage et le train de tiges et de l'hydrocarbure combustible par le train de tiges afin que les gaz se combinent à proximité des fractures de la formation. Ce procédé d'introduction réduit au minimum la quantité du mélange explosif gazeux présent dans le puits avant l'introduction dans la formation souterraine. Le gaz explosif est introduit avec un débit et une pression qui suffisent pour que le mélange pénètre dans les fractures de la formation que recoupe le puits. Les fractures peuvent être naturelles, existant dans la formation à traiter, par exemple dans un lit de charbon ou une formation de craie ayant des failles, ou peuvent être des fractures induites artificiellement, formées par un traitement de fracturation hydraulique exécuté auparavant à l'aide d'un fluide aqueux ou d'un fluide d'hydrocarbure. De nombreux procédés de traitement par fracturation hydraulique sont déjà connus des hommes du métier, et l'un quelconque pratiquement de ces procédés peut être utilisé pour la création de fractures dans la formation à partir du puits. On ne considérait pas jusqu'à présent qu'il serait possible de faire détoner un gaz contenu dans le volume réduit d'une fracture puisqu'il n'est pas possible de façon générale de faire détoner un gaz à pression atmosphérique contenu dans un train de tiges dont le diamètre est inférieur à environ 5 cm. Cependant, on a découvert de manière surprenante que, lorsqu'un gaz était soumis à une pression élevée, il était possible de faire détoner un mélange d'azote, d'oxygène et de propane dans un train de tiges ayant un diamètre qui est seulement de 2,1 mm sur toute la longueur du train de tiges. Cette découverte permet l'utilisation d'un gaz explosif à pression élevée pour la création et l'extension de fractures dans une formation souterraine. De manière surprenante, la détonation du gaz explosif peut provoquer une augmentation de la largeur d'une fracture d'un facteur compris entre environ 3 et 6 jusqu'à environ douze fois sa largeur initiale. En outre, la détonation provoque la formation d'une quantité suffisante d'éboulis ou de particules de la formation pour que la fracture garde une quantité appréciable de sa largeur après ouverture par soutènement de la fracture par les éboulis ou les particules. Le déplacement de l'onde de pression le long de la longueur de la fracture lorsque le gaz détone le long de la fracture provoque aussi un allonge- ment de la fracture sous l'action de la pression appli- quée à l'extrémité de la fracture. La force créée par la détonation est telle que la formation peut présenter une déformation permanente qui réduit la contrainte de ferme- ture placée sur la fracture créée à la suite du passage de l'onde temporaire à haute pression dans la formation. La détonation du gaz explosif peut être réalisée par tout moyen classique convenable, par exemple par une charge explosive raccordée par un câble de forage à la surface, de la même manière que des charges perfo- rantes sont amorcées, par un fil explosif de liaison, dans certains cas par une étincelle électrique, par un filament chauffé électriquement ou même par un détona- teur. N'importe quel moyen de détonation pratiquement peut être utilisé dans la mesure o il assure la détona- tion du gaz explosif dans les fractures à l'intérieur de la formation souterraine. Les niveaux d'énergie créés par détonation du gaz explosif dans la formation peuvent être modifiés par ajustement des concentrations d'oxydant et de combusti- ble. De préférence, l'oxydant et le combustible sont utilisés avec des rapports approximativement stoechiomé- triques. Pour le mélange de l'oxydant ou gaz inerte, le rapport peut varier entre environ 15 et 100 % et de préférence seulement entre environ 21 et 40 %. Le rapport peut être modifié par rapport à la valeur stoechiométri- que pour le combustible entre environ 80 et 150 % de la valeur stoechiométrique. Une petite variation d'environ 21 % à environ 25 % d'oxygène dans le mélange peut provoquer une augmentation d'énergie lors de la détona- tion d'un combustible, tel que le propane, d'environ 18 % qui peut donner une possibilité d'extension d'une fracture de largeur plus petite que celle des fractures qu'il a été possible d'utiliser jusqu'à présent. De manière générale, la quantité de gaz explosif utilisée dépend de la dimension et de la longueur de la fracture ou des fractures qui doivent être formées. En général, un traitement typique met en oeuvre une quantité de gaz, dans les conditions normales, c'est-à- dire à pression et température atmosphériques, comprise entre 5 600 et 000 m3. La possibilité d'introduction d'explosif gazeux dans les fractures de la formation souterraine permet la pénétration de l'explosif jusqu'à plusieurs dizaines de mètres du puits et dans certains cas jusqu'à plus de 300 m du puits avant détonation. Ainsi, on obtient une dimension de fracture bien supérieure à celle qui pourrait être obtenue par détonation d'un explosif simplement placé dans un puits. Dans l'application particulière d'exploita- tion minière par mise en solution, le procédé de l'inven- tion peut augmenter notablement la surface d'une zone souterraine contenant des matières minérales destinées à être au contact d'un solvant ou d'une matière d'extrac- tion. Dans ce cas, un puits est foré dans la formation contenant les matières minérales et, si aucune fracture naturelle n'existe, un traitement de fracturation hydraulique peut être utilisé pour la création de fractures dans la formation. Le mélange de gaz explosif est alors introduit dans les fractures de la zone contenant les matières minérales et est allumé comme décrit précédemment. Dans ce cas, la quantité d'énergie d'explosion est déterminée afin qu'elle donne un effet de création d'une quantité maximale d'éboulis dans la zone contenant les matières minérales et les rapports oxydant-combustible sont ajustés en conséquence. Ensuite, un solvant ou agent convenable d'extraction de la matière minérale qui doit être extraite peut être introduit dans la formation afin qu'il soit au contact des éboulis de la formation et assure la dissolution ou l'extraction de la matière minérale voulue de la formation. Le solvant ou agent d'extraction chargé de la matière minérale peut alors être retiré de la formation et la matière minérale peut être séparée du fluide d'exploitation par mise en solution. Suivant ce premier aspect de l'invention, le procédé de traitement d'une formation souterraine peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - l'oxydant gazeux est un gaz contenant de l'oxygène, - le combustible contient au moins une subs- tance choisie dans le groupe qui comprend le méthane, l'éthane, l'éthylène et le propane, - le gaz explosif contient une certaine quantité de gaz inerte destinée à régler l'énergie de détonation du gaz explosif, - la largeur de la fracture est augmentée d'un facteur au moins égal à 3 par détonation du gaz explosif dans la fracture, et - les fractures formées dans la formation recoupant le puits sont produites par un traitement de fracturation hydraulique précédant l'introduction du gaz explosif dans le puits. Suivant un deuxième aspect de l'invention, le procédé de soutènement d'une fracture dans une formation souterraine recoupant un puits pénétrant dans la forma- tion, est caractérisé en ce qu'il comprend: l'introduction d'un gaz explosif contenant un oxydant gazeux et un combustible gazeux dans une fracture formée dans la formation, l'allumage du gaz explosif à l'intérieur de la fracture pour la création d'une onde temporaire intense de pression, et la transmission de l'onde de pression à la formation par une face de la fracture, si bien que la face de la fracture produit des éboulis qui soutiennent la fracture à l'état ouvert. Le procédé de soutènement d'une fracture suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - l'oxydant gazeux comprend un gaz contenant de l'oxygène, - le combustible contient au moins une substance choisie dans le groupe qui comprend le méthane, l'éthane, l'éthylène et le propane, - le gaz explosif contient une certaine quantité de gaz inerte destinée à régler l'énergie de détonation du gaz explosif, - le procédé comprend en outre les étapes préliminaires suivantes: le forage d'un puits dans une formation souterraine, la création d'au moins une fracture dans la formation à partir du puits par injection d'un fluide de fracturation hydraulique, l'introduction d'un solvant ou agent d'extraction d'exploitation minière par mise en solution, dans le puits et la fracture contenant des éboulis, après allumage du gaz explosif, afin d'une partie au moins d'une matière minérale voulue soit extraite de la formation souterraine, et la récupération d'une partie au moins du solvant ou agent d'extraction contenant la matière minérale de la formation souterraine. Suivant un troisième aspect de l'invention, le procédé d'extension de fractures dans une formation souterraine recoupée par un puits qui pénètre dans la formation afin que le débit de fluides provenant de la formation et transmis au puits soit accru, est caracté- risé en ce qu'il comprend: l'introduction d'un gaz explosif comprenant un mélange d'un oxydant gazeux et d'un combustible gazeux dans le puits avec un débit et une pression qui suffisent pour que le gaz explosif pénètre dans l'une au moins des fractures recoupant le puits et s'écoule à une distance importante du puits dans la formation, l'introduction d'une source d'allumage du gaz explosif dans le puits et le positionnement de la source d'allumage dans une région contenue dans le puits à proximité de la fracture dans laquelle le gaz explosif a pénétré, et l'allumage du gaz explosif à l'aide de la source d'allumage, de manière que le gaz explosif détone sous l'action de la source d'allumage et crée une onde intense de pression qui se déplace sur la longueur de la fracture lorsque le gaz explosif détone, l'onde intense de pression provoquant un allongement de la fracture lorsqu'elle est au contact de la formation à l'extrémité de la fracture. Le procédé d'extension de fractures suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caracté- ristiques suivantes: - l'oxydant gazeux comprend un gaz contenant de l'oxygène, - le combustible contient au moins une substance choisie dans le groupe qui comprend le méthane, l'éthane, l'éthylène et le propane, le gaz explosif contient une certaine quantité de gaz inerte destinée à régler l'énergie de détonation du gaz explosif, et - la source d'allumage est introduite dans le puits par un câble de forage. On considère maintenant un exemple illus- trant l'invention à titre non limitatif. ll Exemple Un puits foré pour la production de méthane à partir d'une veine de charbon à une profondeur de 730 m, a un tubage de 14 cm descendant à 685 m, et débouchant dans un trou libre placé sous le tubage. La partie du trou libre de 45 m de longueur contient 18 m de charbon au total. Un train de tiges ayant un diamètre externe de 6 cm est placé dans le puits jusqu'à une profondeur de 682 m. Un outil placé à l'extrémité du train de tiges comporte des buses d'atomisation de propane dans la région annulaire et un collier de support d'un détonateur déplacé par le câble de forage. Le détonateur est réalisé de manière qu'il comprenne un détonateur électrique et une pastille explosive d'amorce à 3 m au- dessous du train de tiges. Le détonateur est descendu dans le train de tiges sur le câble de forage jusqu'à ce qu'il soit supporté par le collier de l'outil à la partie inférieure du train de tiges. Le puits est alors fracturé de manière classique avec un fluide de fracturation par une mousse contenant des réducteurs de filtrat. La mousse est pompée vers le bas dans l'anneau à raison de 9,5 m3/min. On suppose que ce débit donne une largeur de fracture d'environ 1,5 cm. 95 m3 au total de mousse sont injectés pour déclencher la fracture et réduire le filtrat. Ensuite, l'injection de mousse dans l'anneau est rempla- cée par l'injection d'un mélange de 25 % d'oxygène et % d'azote. Du propane est injecté dans le train de tiges à raison de 190 1/min afin que le propane et le mélange azote-oxygène atteignent la profondeur de 682 m à peu près en même temps. Bien que le propane soit introduit sous forme d'un liquide dans le train de tiges, il passe instantanément à l'état gazeux lorsqu'il est pulvérisé à la partie inférieure du tubage. Le débit total d'injection de propane, d'oxygène et d'azote équivaut à 9,5 m3/min à la pression et à la température de traitement existant au fond du sondage. La viscosité réduite du mélange gazeux permet à la largeur de fracture de se refermer jusqu'à 0,6 cm environ. 285 m3 au total du mélange explosif sont injectés avant que le déplace- ment ne commence. Ce volume est supposé étendre la fracture et faire passer le mélange explosif à une distance de plus de 460 m du puits. L'azote est utilisé pour déplacer le mélange azote-oxygène et l'eau est utilisée pour déplacer le propane. Le déplacement est synchronisé afin que le propane et le mélange azote-oxy- gène soient déplacés à peu près en même temps. Lorsque le combustible du train de tiges et l'oxydant de l'anneau ont été déplacés, l'injection s'arrête. Lorsque le déplacement est terminé à 95 %, le détonateur est activé par un signal électrique transmis par le câble de forage. La détonation se déplace du puits, vers l'extérieur dans les fractures. La pression calculée atteint 25 à 40 fois la pression originale de fracturation. La vitesse de l'onde de détonation dépasse i 830 m/s. La fracture peut s'ouvrir jusqu'à une largeur pouvant atteindre 6,4 cm, provoquant une déformation de la formation. Des éboulis créés par l'onde de pression tombent dans la fracture et la soutiennent à l'état ouvert. Le puits est alors arrêté pendant une certaine période destinée à permettre au propane qui n'a pas brûlé d'être absorbé par le charbon et à la chaleur de se dissiper. Le courant initial obtenu a un faible débit, pendant les tests de détermination de concentra- tion d'oxygène pour des raisons de sécurité. La fracture résultante peut être soutenue sur une largeur supérieure à 1,3 cm. L'onde de choc se déplace dans la formation en formant un angle par rapport à la fracture hydraulique. Des essais ont montré que cette onde de choc était réfléchie par les fractures naturelles existantes. Cette réflexion transforme une onde de compression en onde de traction et permet à ces fractures de se raccorder au puits. C'est ce phénomène qui donne son efficacité particulière au traitement dans des formations qui contiennent des fractures naturelles. Une quantité totale de 5,7 m3 de propane est injectée. En combinaison avec de l'oxygène, elle donne une énergie correspondant à 12,6 t d'explosif classique. Il est bien entendu qu'on n'a décrit l'inven- tion qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'une formation souterraine afin que des fractures recoupant un puits pénétrant dans la formation soient allongées ou élargies pour faciliter l'écoulement de fluides de la formation vers le puits, caractérisé en ce qu'il comprend: - l'introduction d'un gaz explosif contenant un oxydant gazeux et un combustible gazeux dans une fracture recoupant le puits pénétrant dans la formation souterraine, et l'allumage du gaz explosif dans la fracture de manière que la détonation du gaz produise une onde de pression intense à l'intérieur de la fracture, provoquant une expansion de la fracture dans la formation si bien que l'écoulement ultérieur des fluides vers le puits est accru. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'oxydant gazeux comprend un gaz contenant de l'oxygène. 3. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le combustible contient au moins une substance choisie dans le groupe qui comprend le méthane, l'éthane, l'éthylène et le propane. 4. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le gaz explosif contient une certaine quantité de gaz inerte destinée à régler l'énergie de détonation du gaz explosif. 5. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la largeur de la fracture est augmentée d'un facteur au moins égal à 3 par détonation du gaz explosif dans la fracture. 6. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les fractures formées dans la formation recoupant le puits sont produites par un traitement de fracturation hydraulique précédant l'introduction du gaz explosif dans le puits. 7. Procédé de soutènement d'une fracture dans une formation souterraine recoupant un puits pénétrant dans la formation, caractérisé en ce qu'il comprend: l'introduction d'un gaz explosif contenant un oxydant gazeux et un combustible gazeux dans une fracture formée dans la formation, l'allumage du gaz explosif à l'intérieur de la fracture pour la création d'une onde temporaire intense de pression, et la transmission de l'onde de pression à la formation par une face de la fracture, si bien que la face de la fracture produit des éboulis qui soutiennent la fracture à l'état ouvert. 8. Procédé selon la revendication 7, caracté- risé en ce que l'oxydant gazeux comprend un gaz contenant de l'oxygène. 9. Procédé selon la revendication 7, caracté- risé en ce que le combustible contient au moins une substance choisie dans le groupe qui comprend le méthane, l'éthane, l'éthylène et le propane. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le gaz explosif contient une certaine quantité de gaz inerte destinée à régler l'énergie de détonation du gaz explosif. 11. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes préliminaires suivantes: le forage d'un puits dans une formation souterraine, et la création d'au moins une fracture dans la formation à partir du puits par injection d'un fluide de fracturation hydraulique. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes suivantes: l'introduction d'un solvant ou agent d'extraction d'exploitation minière par mise en solution, dans le puits et la fracture contenant des éboulis, après allumage du gaz explosif, afin qu'une partie au moins d'une matière minérale voulue soit extraite de la formation souterraine, et la récupération d'une partie au moins du solvant ou agent d'extraction contenant la matière minérale de la formation souterraine. 13. Procédé d'extension de fractures dans une formation souterraine recoupée par un puits qui pénètre dans la formation afin que le débit de fluides provenant de la formation et transmis au puits soit accru, caracté- risé en ce qu'il comprend: l'introduction d'un gaz explosif comprenant un mélange d'un oxydant gazeux et d'un combustible gazeux dans le puits avec un débit et une pression qui suffisent pour que le gaz explosif pénètre dans l'une au moins des fractures recoupant le puits et s'écoule à une distance importante du puits dans la formation, l'introduction d'une source d'allumage du gaz explosif dans le puits et le positionnement de la source d'allumage dans une région contenue dans le puits à proximité de la fracture dans laquelle le gaz explosif a pénétré, et l'allumage du gaz explosif à l'aide de la source d'allumage, de manière que le gaz explosif détone sous l'action de la source d'allumage et crée une onde intense de pression qui se déplace sur la longueur de la fracture lorsque le gaz explosif détone, l'onde intense de pression provoquant un allongement de la fracture lorsqu'elle est au contact de la formation à l'extrémité de la fracture. 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'oxydant gazeux comprend un gaz contenant de l'oxygène. 15. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le combustible contient au moins une substance choisie dans le groupe qui comprend le méthane, l'éthane, l'éthylène et le propane. 16. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le gaz explosif contient une certaine quantité de gaz inerte destinée à régler l'énergie de détonation du gaz explosif. 17. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la source d'allumage est introduite dans le puits par un câble de forage.