Brevet FR2840014A1 — publié le 20031128

rappel (40). Rhau = It el, Qh Kim. K6 Rstm/c bar Than/ PG PF + IP 1 2840014 La presente invention concerne les procedes pour determiner la qualite de reserve d'un puits de petrole debitant un fluide donne provenant d'une couche productrice, par la mesure de la reponse R du puits et plus particulierement un procede d'evaluation du potentiel hydraulique (dans le cas le plus simple, determination de la transmissivite ou de la permeabilite moyenne, du skin d'endommagement et de la pression de gisement locale) de la section d'une strafe poreuse remplie d'un effluent mobile entrant ou sortant delimitee par deux cotes respectivement Zbas et Zhaut On salt que le petrole est produit a partir de puits qui vent realises dans les champs petroliferes, et que ces champs petroliferes se trouvent dans differents types de sol et soul-sol qui n'ont pas tous la meme qualite de production. Cette qualite est essentiellement representee par ['index de productivite IP du puits qui depend du rayon du puits rw, du rayon de drainage Re du puits, de la viscosite,U du petrole recuperable, mais aussi de la transmissivite de la couche productrice qui est definie comme le produit de sa permeabilite k par sa hauteur h, ainsi que d'un eventuel colmatage des pores de la roche aux abords de la paroi du puits que l'on quantifie par un parametre sans dimension S communement qualifie par les technicians par le terme generique de logarithme neperien. L'index de productivite IP mesure directement la facilite avec laque!le le petrole peut s'ecouler usqu'au puits sous l'effet d'un rabattement AP de!a pression moyenne du aisement regnant autour du puits, poisque le debit Q du puits rnesure en conditions de fond est alors simplement egal a: Q=IP /\P Ce debit de fond est ensuite evacue vers la surface selon des techniques connues en elies-memes. Afin d'optimiser la production d'un puits, notamment de petrole, il est done utile de conna^tre sa qualite reserve, notamment en determinant la valeur de certains parametres predefinis. En se reportant a ['expression de ['index de 2 284001 4 productivite I P defini ci-dessus, un premier parametre important est la permeabilite k de la couche productrice du soul-sol da ns lequel le pu its a "te fore et un autre est le a SKIN '> S qui quantifie un possible endommagement de cette couche productrice. On peut ainsi etablir deux classes parmi les puits qui produisent peu: les puits maintenus dans des conditions d'exploitation ideales (S = 0) mais qui soutirent le petrole d'une roche faiblement permeable, et les - puits fores dans des gisements presentant une permeabilite elevee mais qui vent colmates (S > 0) et qui pourront produire d'avantage quand ils auront ete restaures a ['aide de techniques connues en elles-memes. 11 est done important de pouvoir deceler la formation d'une couche de colmatage afin d'intervenir le plus tot possible de fa,con utile pour i'eliminer et continuer ['exploitation du putts. Differents procedes ont ete mis au point pour surveiller la qualite de production d'un putts. La plupart des anciens procedes etaient fondes sur I'utilisation de relations empiriques ou statistiques entre differentes mesures qui peuvent etre effectuees sur un tel putts. Un autre procede donnant des resultats plus precis consiste a obturer completement le puits a sa sortie et a etudier la montee en pression du petrole dans le puits en fonction du temps de fermeture, I'examen des courbes de variation de cette pression permettant de deduire si le puits est dans son etat ideal ou s'il est colmate. Ce procede permet d'obtenir de bons resultats, mais presente ['inconvenient majeur d'etre long a etre mis en cauvre. Pour obtenir une courbe exploitable, il faut en effet attendre plusieurs heures voire plusieurs jours pour certains puits pendant lesquels le puits n'est pas exploite, ce qui constitue un manque a gagner certain auquel il faut ajouter le coGt du redemarrage lorsque la pression du gisement n'est plus suffisante pour que ie puits demeure eruptif. Pour pallier cet inconvenient. on a alors tense de mettre au point un autre procede qui consiste a moduler la fermeture du puits a sa sortie et a etudier la variation de pression du fluide en fonction de cette modulation. Ce procede el i mine ['i nconvenient mention ne ci-dessus de la fermetu re totale du pu its, mais presente ['inconvenient de ne pas conduire a des mesures assez precises. Un autre procede est par exemple decrit dans le US-A-3.559.476 et le FR 3 2840014 A-2.678.679. II consiste a moduler, par une fonction sinusodale le debit du fluide dans le puits et a mesurer les variations de debit et de pression du fluide, puis a en deduire, dans des cas particuliers, la reponse R du putts. Ce procede donne des resultats relativement satisfaisants dans le cas d'un endommagement du puits qui consiste en un colmatage de la paroi qui donne un USKIN" d'une valeur positive, mais d'une epaisseur consideree comme nulle. II est bien evident que ce type de a SKIN >> infiniment mince n'est qutune abstraction mathematique commode et souvent satisfaisante mais qu'il peut exister d'autres types d'endommagement qui correspondent a un USKIN" positif mais dont I'epaisseur ne peut etre consideree comme nulle, ou un SKIN" negatif, par exemple pour un puits relic a un reseau de fissures naturelles ouvertes ou pour un puits stimule par fracturation hydraulique, c'est-a-dire traverse par une fracture induite artificiellement qui est generalement symetrique par rapport a l'axe du putts. 11 est aussi deja connu un procede pour determiner la qualite de reserve d'un puits de petrole ou analogue debitant un fluide donne provenant d'une couche productrice, par la mesure de la reponse (R) du pu its, led it procede consistent a moduler, par une fonction sinusoidale, le debit du fluide dans le puits, et a mesurer les variations de debit et de pression du fluide, caracterise par le fait que - (1) la reponse (Rc) du puits dans le cas ou la couche productrice comporte une zone endommagee presentant un "SKIN" positif d'bpaisseur non nulle, est obtenue par J'equation: RC -, et que - CRo(Bzw) + A - (11) la reponse (Rf) du puits dans le cas ou la couche productrice comporte une fracture presentant un "SKIN" negatif. est obtenue par ['equation: Z Rf=, +Swf I iZf 2/z AI E FCD equations dans lesquelles: A B C et D vent des fonctions des parametres Zw, oc et,B definis ci-apres, et 4 284001 4 sont respectivement definies par les quatre equations ci-dessous: A(wa, 0=i e [kelbeo()kelke7W)-kelbe3kelkeO(] B(W'a,[3= 1[kelbeo()kelkeo -kelbeo kelkeo(] C(zwa'03=it3z2wkelbel( Zw kelke3-kelbe)kelke( zw)] D(iw,a,0=i e 4 elbeo( Zw kelkell3zN)-kelbellizwkelkeo( Zw)] - en precisant que' dans les equations donnees ci-dessus, kelken(x) = kern(x) + i keinx) et kelben(x) = bernx) + i bein(x) ou i est le nombre unite imaginaire dans la theorie mathematique des nombres complexes, et kern, kein, bern, bein vent les fonctions de Kelvin; a= kS est la permeabilite a-dimensionnelle de la zone endommagee, kS representant la permeabilite de la zone endommagee et k reprbsentant la permeabilite de la couche productrice;,0= rs est le rayon a-dimensionnel de,a zone rw endommagee, (s representant le rayon de la zone endommagee et Cw reprbsentant le rayon du puits; Zw = rwou est la pulsation de la fonction sin uso dal e et est la d iffusivite de la couche prod uctrice eg ale a, tp representant la porosite de la couche productrice, representant la viscosite du 2840014 fluide et Ct representant la compressibilite totale du fluide; Ro= Ko(zw) ou Ko et K1 vent les fonctions de Hankel modifiees; i7:wKl(iZw) avec aussi zf = xf.4OU Xf est la longueur d'une aile de fracture supposee en compter deux; FCD est la conductivite a-dimensionnelle de la fracture representee par la formule kf, kf representant la permeabilite du materiau de kXf soutenement de la fracture et W representant l'epaisseur moyenne de la fracture soutenue; EfD= kf4)Ct est la diffusivite a- dimensionnelle de la fracture, f representant la porosite du materiau de soutenement remplissant la fracture et Cff representant la compressibilite totale du fluide dans la fracture; Swf est un skin eventuel existent entre le fond du puits et ['entree de la fracture. La presente invention a done pour but de perfectionner les procedes anterieurs et ceux definis notamment ci-avant pour evaluer la qualite de reserve d'un puits de petrole ou analogue, et de mettre en ceuvre un procede qui tout en etant facile a etre mis en aeuvre, permette d'obtenir cette evaluation a tous les niveaux du puits et quel que soit le type d'endommagement de la couche productrice, a ['aide de mesures qui peuvent etre interpretees avec un faible pourcentage d'erreurs ou d'incertitude, et plus precisement un procede d'evaluation du potentiel hydraulique (dans le cas le plus simple, determination de la transmissivite ou de la permeabilite moyenne, du skin d'endommagement et de la pression de gisement locale) de la section d'une strafe poreuse remplie d'un effluent mobile entrant ou sortant delimitee par deux cotes respectivement Zbas et Zhaut Plus precisement, la presente invention a pour objet un procede d'evaluation du potentiel hydraulique de la section d'une strafe poreuse remplie d' un effluent mobile entrant ou sortant deli mitee par deux cotes respectivement Zbas et Zhaut, caracterise par le fait qu'il consiste a generer une modulation 6 2840014 periodique du debit du puits7 a descendre dans le puits et 1'activer durant quelques periodes a la profondeur fixe Zbas une sonde munie: i) d7un dispositif de reperage precis en cote soit par rapport aux series geologiques par detecteur de rayons gamma connu des technicians sous ia terminologie anglaise t7Gamma Ray" soit par rapport aux elements du puits par detecteur de manchon de tubage connu des technicians sous le sigle "COL7'7 ii) d7une horloge7 iii) de capteurs physiques apses a au moins mesurer l'ecoulement de ['effluent dans le puits, la pression, la temperature, la densite moyenne, le gradient des pertes de charge, a extraire, de ces mesures: i) I'amplitude i\Qbas de la composante sinusodale de la modulation du debit relative a 1'une T des periodes imposees, ii) I'amplitude APb,sde la composante sinusodale de la modulation de la pression relative a la meme periode T. ainsi que iii) le retard de phase de i'onde sinusoidale de la pression par rapport a celle du debit (9bas, a determiner la reponse complexe Rbas de toutes les zones actives dont ['effluent se deverse dans le puits entre le fond du puits et la cote Zbas au test cyclique de periode T. selon la formule: Rbas=-e-; , a remonter la sonde jusqu'a la cote Zhau7 17activer durant quelques periodes a cette profondeur7 effectuer de nouvelles mesures et7 de cellesci7 extraire i) 1'amplitude Qhau de la composante sinusodale de la modulation du debit relative a la periode T imposee7 ii) 17amplitude LPhau' de la composante sinusoidale de la modulation de la pression relative a la meme periode T7 ainsi que iii) le retard de phase de 1'onde sinusodale de la pression par rapport a celle du debit hau' determiner la reponse complexe Rhau de toutes les zones actives dont ['effluent se deverse dans le puits entre le fond du puits et la cote Zhaut selon la formule: Rhaut= /\Phau' e-i', a calculer la reponse complexe Qhaut Rsrae de ia strafe definie par le fait que ['effluent qu'elle contient debouche dans le puits entre les cotes Zbas et Zhauf par la formule Rsrae= haut teas a posturer un teas haut modele physique pour la strafe par inversion numerique de la formule: mathematique donnant la reponse complexe theorique, determiner les caracteristiques hydrauliques de la strafe definie par la reponse mesuree Rsrae, a calculer 1'indice de productivite du puits IPsrae relatif a la strafe consideree et en i 7 2840014 deduire la pression de gisement moyenne PG dans la strafe selon la formule: PG = PF + QI'paie puisque, a ['aide de la sonde, avant d'activer le modulateur de debit, il a ete mesure a la fois la pression de fond PF stabiiisee et le debit net Qstrate provenant de la strafe. D'autres caracteristiques et avantages de la presente invention appara'^tront au cours de la description donnee ci-apres. On salt qu'un puits de petrole est creuse dans un sol jusqu'aux couches productrices ou strafes enfermant le petrole. D'une fa,con generale, ces couches vent formees de roches ou sables permeables et vent situees en dessous de couches impermeables. i e petrole est ainsi confine dans ces couches permeables et peut etre extrait a condition que le puits penetre jusqu'a elles. Pour mettre en oeuvre le procede selon ['invention comme decrit ci-apres, on utilise une sonde denommee ci-apres PLT, outil bien connu des hommes du metier dans le domaine petrolier et abreviation de ltexpression anglaise '"Production Logging Tool't, qui est un appareil de diagraphie de production fine comportant notamment: - un obturateur commendable permettant de moduler la valeur de la section de passage du conduit qui forme le puits au niveau des couches petroliferes. Cet obturateur commendable peut par exemple etre constitue par un manchon comportant des ailettes pouvant etre deployees au moyen d'un moteur a partir d'un point eloigne. II peut aussi etre constitue par une pluralite de parois agencees les unes avec les autres pour former un cone a angle variable, ie coulissement des parois les unes par rapport aux autres pouvant etre commande au moyen d'un cable tracteur. - un debitmetre pour mesurer le debit du fluide qui s'ecoule dans le conduit du putts. Un tel debitmetre est connu en lui-meme et peut etre constitue schematiquement par un manchon dans lequel est dispose un mesureur comportant une helice, ou moulinet selon la terminologie des technicians, et des moyens pour comptabiliser le nombre de tours de cette helice par unite de temps, a ce manchon pouvant etre eventuellement associe un deflecteur afin de capter ['ensemble du guide s'ecoulant dans le conduit et le forcer a passer entierement dans le manchon. i e debitmetre est agence pour delivrer a sa sortie un signal representatif du debit du guide qui le traverse. t 8 2840014 - un capteur de pression bien connu en lui-meme, constitue par exemple a partir de jauges de deformation a base par exemple dun cristal mineral tel que du quartz ou du saphir, ou analogue. II est apte a delivrer a sa sortie un signal representatif de la pression du fluide dans le conduit. Pour mettre en oeuvre le procede selon ['invention, ces trots elements vent assembles les uns avec les autres de fa,con qu'ils puissent etre descendus a partir de la tete de puits par tout moyen de liaison, par exemple un cable ou analog ue, j usqu 'au niveau des couches prod uctrices. I ls vent en outre associes de fa,con que, lorsqu'ils vent descendus dans le puits, le debitmetre et le capteur de pression soient situes en dessous de l'obturateur commendable. De plus, ces trots elements vent relies par une ligne bus qui permet, a partir d'un organe de traitement, de commander l'obturateur, eventuellement la mise en marche du debitmetre et du capteur de pression, mais aussi de recevoir et traiter les signaux emis par ces deux derniers elements. 11 est precise que, en plus de ces trots elements definis ci-dessus, il est prevu, pour obtenir ['acquisition des donnees, une horloge qui determine un temps unique auquel se refereront les mesures de debit et de pression du fluide. L'outil decrit ci-dessus ayant ete descendu dans le puits, a un niveau determine de la couche productrice, le procede consiste tout d'abord a commander i'obturateur pour faire varier la section de passage du conduit entre deux valeurs minimale et maximale suivant une loi mathematique sinusodale de pulsation, la valeur minimale n'etant pas nulle afin de ne jamais obturer completement le conduit et de permettre au fluide de continuer a s'ecouler pendant tout le temps des mesures. Dans le cas ou le debitmetre et le capteur de pression ne vent pas en etat de marche permanent, ils vent mis en marche pendant quelques periodes de la fonction mathematique de la commande de l'obturateur. Ils delivrent a leur sortie des signaux respectivement representatifs des variations de debit et de pression du fluide dans le poits en dessous de l'obturateur, mais au niveau de I'emplacement des deux autres elements. On constate que ies courbes de ces variations vent des fonctions sinusodales de meme periode T que celle de la commande de l'obturateur, mais dephasees l'une par rapport a l'autre. La mesure conjointe du dephasage entre 9 2840014 ces deux signaux et du rapport de leur amplitude respective permet de deduire simultanement une valeur qui est representative de la permeabilite des couches productrices en dessous de l'obturateur commendable qui se trouvent situees entre le niveau du debitrnetre et le fond du puits ainsi qu'une valeur qui est representative du colmatage. Ce procede est interessant a double titre car, outre qu'il permet d'evaluer la permeabilite et le colmatage au sein meme des couches petroliferes, et done d'eliminer nombre d'incertitudes inherentes aux procedes selon l'art anterieur, il permet en pJus d'evaluer cette permeabilite et le colmatage a tous les niveaux d'une couche productrice, etant rappele que, par colmatage, on entend le phenomene qui freine l'ecoulement du p&trole et qui presente un SKIN S positif (une image de la resistance a l'ecoulement) . En revanche on entend parfracture" le moyen qui favorise la productivite du puits, en presentant un SKIN S negatif (une image de la moindre resistance a ltecoulement du fluide Le procede selon ['invention, pour ['evaluation du potentiel hydraulique (dans le cas le plus simple, determination de la transmissivite ou de la permeabilite moyenne, du skin d'endommagement et de la pression de gisement locale) de la section d'une strafe poreuse remplie d'un effluent mobile entrant ou sortant delimitee par deux cotes respectivement Zbas et Zhau, consiste: - a generer une modulation periodique, pas necessairement sinusodale, ou une superposition de modulations periodiques de differentes periodes, du debit du putts. Cette modulation peut etre obtenue a ['aide, soit d'un dispositif direct ou indirect mecanique reglable ou servocommande et programmable independent de la sonde precedemment decrite place sur la ligne de production "tubing" n'importe ou en aval du ou des capteurs de debit dans le cas d'un effluent sortant ou respectivement en amont dans le cas d'un effluent entrant, c'est-a-dire soit dans le decouvert, le tubage dit "casing" ou la colonne perdue cite "Liner" cimentee ou crepinee en-dessous de l'obturateur annulaire de production dit "Packer de production" ou dans la colonne de production entre l'obturateur annulaire et la tete de puits ou encore dans la tete de puits elle-meme ou bien sur la ligne reliant le puits selon le cas au separateur de test ou au reseau de collectes, soit d'un dispositif mecanique reglable ou servocommande et programmable avantageusement place au sommet de la sonde. Comme dispositif direct mentionne ci-dessus, on peut utiliser une "duse" ou pompe reglable 2840014 programmable de surface (le plus pratique) ou eventuellement dans le poits dans le cas d'un "PLT a memoire ancre". Un dispositif indirect mentionne ci-dessus est par exemple constitue d'une pompe asservie programmable pour injecter ou soutirer du fluide en surface; - a descendre dans le puits et l'activer durant quelques periodes a la profondeur fixe Zbas, une sonde 'iPLT" ou "PLT precis" munie i) d'un dispositif de reperage precis en cote soit par rapport aux series geologiques par un detecteur de rayons gamma dit "Gamma-Ray" soit par rapport aux element du puits "CCL" (un "CCL" est un outil bien connu des hommes du metier dans le domaine petrolier et est l'abreviation de ['expression anglaise "Casing Gollar Locator" ou en fran,cais "detecteur de manchon de tubage"), ii) d'une horloge, iii) de capteurs physiques diverges la rendant capable de mesurer certaines caracteristiques de l'ecoulement de ['effluent dans le puits, notamment le debit total, le debit gazeux, le debit liquide, le debit aqueux, le debit d'hydrocarbures, la pression, la temperature, la densite moyenne ou le gradient des pertes de charge et, iv) soit d'une memoire lui permettant de stocker les valeurs mesurees en fonction du temps ("PLT a memoire' descendus avec une ligne en acier connu des hommes du metier sous la terminologie anglaise "slick line" suspendus ou ancres dans un siege) soit d'un dispositif capable de transmettre les mesures en temps reel vers un ordinateur en surface tel qu'un cable electrique ou une fibre optique ou un emetteur radio ou acoustique, - a extraire, de ces enregistrements: i) I'amplitude AQ6asde la composante sinusodale de la modulation du debit relative a l'une T des periodes imposees, ii) J'amplitude APbasde la composante sinusodale de la modulation de la pression relative a la meme periode T. ainsi que iii) le retard de phase de l'onde sinusodale de la pression par rapport a celle du debit bas, et - a determiner la reponse complexe Rbas de toutes les zones actives dont ['effluent se deverse dans le puits entre le fond du puits et la cote Zbas au test cyclique de periode T. selon la formule: 6as = 6: e puis - a remonter la sonde jusqu'a la cote Zhaut et l'activer durant quelques periodes a cette profondeur, a extraire, des renseignements mesures par les elements composant la sonde: i) I'amplitude AQhau,de la composante sinusodale de ia modulation du debit relative a la periode T imposee, ii) I'amplitude APh',,de la composante sinusodale de la modulation de la pression relative a la meme periode T. ainsi que iii) le retard de phase de l'onde sinusodale de la pression par rapport a celle du debit ht, et - a determiner la reponse complexe Rhau' de toutes les zones actives dont I'effluent se deverse dans le puits entre le fond du puits et la cote Zhau selon la formule: Rhaut = hauf e-iht Qht puis: - a calculer la reponse complexe Rsrae de la strafe definie par le fait que I'effluent qu'elle contient debouche dans le puits entre les cotes Zbas et Zhau. par la formule: Rhaut Rbas RSrrate = R6as-Rhaut En postulant un modele physique pour la strafe (dans le cas le plus simple: couche homogene infinie de permeabilite k et de skin d'endommagement S), par inversion numerique de la formule mathematique donnant la reponse complexe theorique, on peut determiner les caracteristiques hydrauliques de la strafe definie par la reponse mesuree Rsrae; pour le cas le plus simple, on determine la permeabilite moyenne k et le skin d'endommagement S. En s'appuyant sur le modele physique retenu ainsi que sur la geometric de I'aire de drainage, on peut calculer l' ind ice de productivite du pu its IPsrae relatif a la strafe consideree et en deduire la pression de gisement moyenne PG dans la strafe, par application de la formule: P& =PF +QIP - 'e, puisque, a ['aide de la sonde, avant d'activer le rnodulateur de debit, on a mesure a la fois la pression de fond PF stabilisee et le debit net Qsrae provenant de la strafe. 12 2840014 R EVE N D I CATI O N 1- Procede d'evaluation du potentiel hydraulique de la section d'une strafe poreuse remplie d'un effluent mobile entrant ou sortant delimitee par deux cotes respectivement Zbas et Zhau, caracterise par le fait qutil consiste a generer une modulation periodique du debit du puits, a descendre dans le puits et l'activer durant quelques periodes a la profondeur fixe Zbas une sonde munie: i3 d'un dispositif de reperage precis en cote soit par rapport aux series geologiques par detecteur de rayons gamma dit "Gamma-Ray" soit par rapport aux elements du puits (CCL), ii) d'une horloge, iii) de capteurs physiques apses a au moins mesurer l'ecoulement de ['effluent dans le puits, la pression, la temperature, la densite moyenne, le gradient des pertes de charge, a extraire, de ces mesures: i) I'amplitude AQba5de la composante sinusodale de la modulation du debit relative a l'une T des periodes imposees, ii3 I'amplitude Pbas de la composante sinusodale de la modulation de la pression relative a la meme periode T. ainsi que iii) le retard de phase de l'onde sinusodale de la pression par rapport a celle du debit bas' a determiner la reponse complexe Rbas de toutes les zones actives dont ['effluent se deverse dans le puits entre le fond du puits et la cote Zbas au test cyclique de periode T. selon la formule: Rbas= teas e-i' a remonter la sonde Qbas jusqu'a la cote Zhau, I'activer durant quelques periodes a cette profondeur, effectuer de nouvelles mesures et, de celles-ci, extraire i) I'amplitude l\Qha,,, de la composante sinusodale de la modulation du debit relative a la periode T imposee, ii) I'amplitude Phau, de la composante sinusodale de la modulation de la pression relative a la meme periode T. ainsi que iii) le retard de phase de l'onde sinusodale de la pression par rapport a celle du debit hau'' determiner la reponse complexe Rhau de toutes les zones actives dont ['effluent se deverse dans le puits entre le fond du puits et la cote Zhau selon la formule: Rhau = Qht ei', a calculer la reponse complexe Rsrare de la strafe deEnie par ie fait que ['effluent qu'elle contient debouche dans le puits entre les cotes Zbas et Zhau par la formule Rshae= haut teas a posturer un modele physique pour la strafe par Rbas-Rhaut : 13 2840014 inversion numerique de la formule mathematique donnant la reponse complexe theorique, determiner les caracteristiques hydrauliques de la strafe definie par la reponse mesuree Rs,e, a calculer l'indice de productivite du puits IPsrae relatif a la strafe consideree et en deduire la pression de gisement moyenne PG dans la strafe selon la formule: PG =PF + QIpate puisque, a ['aide de la sonde, avant d'activer le modulateur de debit, il a ete mesure a la fois la pression de fond PF stabilisee et le debit net Qstrate provenant de la strafe.