Brevet FR2922254A1 — publié le 20090417

Système de forage autonome d'un trou de drainage La présente invention concerne un système de forage autonome d'un trou de drainage transversalement à un puits de forage, notamment pour la production d'hydrocarbures et en particulier dans des réservoirs à gaz à très faible perméabilité, ou encore "tight gas reservoirs". Les � tight gas reservoirs � sont des réservoirs de gaz naturel dont la matrice présente une perméabilité très faible, par exemple inférieure à 0,5 mD (millidarcy), voire inférieure à 0,1 mD. Les taux de récupération, dans ces réservoirs très compacts, sont aux environs de 10% avec les technologies d'exploitation utilisées aujourd'hui. Le simple forage d'un puits ne permet donc pas d'obtenir une production de gaz économiquement rentable. Afin de pallier à ce problème, une approche consiste à augmenter la surface d'échange entre la matrice et le puits. A l'heure actuelle, l'augmentation de cette surface d'échange se fait le plus souvent au moyen d'une technique dite de fracturation hydraulique. Cette technique consiste à créer hydrauliquement une fracture qui est maintenue ouverte grâce à la mise en place d'agents de soutènement. Ceci permet de créer une plus grande surface d'échange entre la matrice et le puits. La technique de fracturation hydraulique présente cependant plusieurs inconvénients : - elle est coûteuse à mettre en oeuvre et nécessite un équipement spécifique à la surface du puits ; - lors de la mise en oeuvre, il n'est pas possible de contrôler la direction de fracturation. En effet, les fractures tendent à se diriger en fonction du champ des contraintes dans la matrice ; -2- - enfin, l'injection du fluide sous pression risque d'endommager et de polluer la surface d'échange qui se crée. Il existe d'autres techniques alternatives à la fracturation hydraulique, qui permettent d'augmenter la surface de contact entre le forage et le réservoir de manière aussi efficace. Les techniques de forage de drains horizontaux, notamment, sont utilisées depuis de nombreuses années (par exemple � Horizontal Radial Drilling System � de W. Dickinson et R.W. Dickinson, 1985, Society of Petroleum Engineers). Ces techniques sont mises en œuvre au moyen d'appareils de forage traditionnellement utilisés dans l'industrie, qui comprennent un outil directionnel entraîné hydrauliquement par le fluide de forage. L'inconvénient de ce type de forage, outre la lourdeur de sa mise en œuvre en termes d'équipements de surface, vient de la nécessité de faire circuler un fluide pour entraîner l'outil, ce qui peut endommager le drain foré lors du contact avec la formation. La présente invention a notamment pour objet de remédier à ces inconvénients, grâce à un système de forage autonome d'un trou de drainage transversalement à un puits de forage, comprenant: - une tête de forage comprenant un outil de percement d'un trou de drainage et un dispositif d'autopropulsion adapté pour faire progresser la tête de forage dans le trou de drainage en cours de percement; - une unité relais descendue dans le puits, agencée pour présenter la tête de forage contre la paroi du puits afin d'amorcer le percement du trou de drainage transversalement au puits; - un câble d'alimentation électrique de la tête de forage, dévidé depuis l'unité relais; et -3- - un système mécanique d'évacuation de débris de percement hors du trou de drainage en cours de percement, les débris évacués tombant au fond du puits. Dans certains modes de réalisation de l'invention, le système de percement selon l'invention permet au moyen de sa tête autopropulsée de percer un trou de drainage à une distance transversale prédéterminée à partir du puits de forage. Le percement d'un trou de drainage permet avantageusement d'augmenter la surface d'échange entre le réservoir de gaz et le puits de forage. La direction principale du drain horizontal est contrôlée au moyen du dispositif d'autopropulsion de la tête de forage, et avantageusement cette direction est indépendante du champ des contraintes dans la matrice. Il est ainsi possible d'orienter cette surface d'échange de manière optimale en fonction de la répartition des réserves de gaz dans la matrice. En outre, l'utilisation d'un système selon certains modes de réalisation de l'invention ne risque ni d'endommager ni de polluer la surface d'échange créée lors du percement d'un trou de drainage. En effet, certains modes de réalisation de l'invention ne nécessitent pas obligatoirement l'injection d'un fluide sous pression pouvant être à l'origine d'endommagements et/ou de pollutions de la surface d'échange. De plus, le système selon l'invention ne requiert qu'un équipement léger en surface, contrairement à d'autres dispositifs tels que celui décrit dans US 6 220 372. Dans certains modes de réalisation, un camion muni d'un treuil et d'un générateur électrique suffit à utiliser le dispositif selon l'invention. De préférence, le système selon l'invention comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: -4- • le système d'évacuation de débris de percement comprend le câble d'alimentation électrique entraîné en rotation sur lui-même à l'intérieur du trou de drainage; • le câble d'alimentation électrique comporte un relief moulé ou fixé sur sa surface ; • le câble d'alimentation électrique présente un relief sensiblement hélicoïdal ; • la tête de forage comporte un moteur pour l'entraînement en rotation du câble d'alimentation ; • l'unité relais comporte également un moteur pour l'entraînement en rotation d'une partie de l'unité relais stockant le câble d'alimentation ; • la tête de forage présente une section transversale de diamètre inférieur à 10 centimètres. Un autre aspect de l'invention se rapporte à un 20 procédé de production d'hydrocarbures, dans lequel un puits est foré jusqu'à un réservoir d'hydrocarbures présent dans le sous-sol, le procédé comprenant les étapes suivantes : descendre une unité relais dans le puits; réaliser au moins un trou de drainage 25 transversalement au puits avec une tête de forage alimentée électriquement par un câble d'alimentation dévidé à partir de l'unité relais, la tête de forage comprenant un outil de percement du trou de drainage et un dispositif d'autopropulsion adapté pour faire progresser la tête de 30 forage dans le trou de drainage en cours de percement ; -5- évacuer des débris de percement hors du trou de drainage en cours de percement par un système mécanique, les débris évacués tombant au fond du puits ; et extraire des hydrocarbures du réservoir par 5 l'intermédiaire du trou de drainage et du puits. De préférence, le procédé selon l'invention comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: • un relief hélicoïdal est formé sur le câble d'alimentation, et le câble d'alimentation est 10 entraîné en rotation sur lui-même à l'intérieur du trou de drainage pour évacuer des débris de percement ; • le trou de drainage a un diamètre inférieur à 10 centimètres ; 15 • le réservoir d'hydrocarbures est présent dans une zone du sous-sol ayant une perméabilité inférieure à 0,1 millidarcy. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après 20 d'exemples de modes de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique du système selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'une tête de 25 forage d'un système de forage autonome selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique d'un système selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique de différentes 30 étapes d'un procédé de production de gaz naturel selon l'invention. -6- Pour des raisons de clarté, les différentes pièces représentées sur les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle. On a représenté sur la figure 1 un système de forage autonome d'un trou de drainage 10 transversalement à un puits de forage 12 dans un réservoir à gaz à très faible perméabilité, selon un premier mode de réalisation de l'invention. Typiquement, le puits de forage présente un diamètre de l'ordre de 10 à 50 centimètres et une profondeur pouvant atteindre plusieurs centaines ou milliers de mètres. Le trou de drainage 10 percé par le système selon l'invention présente un diamètre inférieur à 10 cm, de préférence inférieur à 5 cm, sur une longueur de l'ordre de 200 m. Dans ce premier mode de réalisation, le système de forage autonome selon l'invention comprend une tête de forage 14 comprenant un outil de percement 16 d'un trou de drainage 10 et un dispositif d'autopropulsion 18 adapté pour faire progresser la tête de forage 14 dans le trou de drainage 10 en cours de forage. Le système selon l'invention comprend en outre une unité relais 20 descendue dans le puits 12, agencée pour présenter la tête de forage 14 contre la paroi 22 du puits 12 afin d'amorcer le forage du trou de drainage 10 transversalement au puits 12. Le système selon l'invention est également pourvu d'un câble d'alimentation électrique 24 de la tête de forage 14, dévidé depuis l'unité relais 20 et un système mécanique d'évacuation de débris de percement hors du trou de drainage 10 en cours de percement, les débris évacués tombant au fond du puits 12. Des outils de forage comprenant des têtes autopropulsées 14 sont connues de l'homme du métier et décrits par exemple dans US 7 055 625. -7- Le dispositif d'autopropulsion 18 permet la progression de la tête de forage dans le trou de drainage 10 et le maintien en place de ladite tête de forage 14 pendant l'opération de forage dudit trou de drainage 10 par l'outil de percement 16. Différents dispositifs de propulsion connus de l'homme du métier peuvent être utilisés. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, l'outil de percement 16 peut comprendre, par exemple, un moteur électrique 26 entraînant en rotation une mèche 28 permettant de percer un trou de drainage 10, par exemple d'un diamètre d'environ 7 cm. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le dispositif d'autopropulsion 18 peut comprendre, par exemple, un vérin d'ancrage arrière 30 et un vérin d'ancrage avant 32. Ledit dispositif d'autopropulsion 18 comprend en outre un piston axial 34. Le principe de fonctionnement du système d'avancement selon ce mode de réalisation comprend les 5 étapes successives suivantes : - une étape d'ancrage arrière au cours de laquelle le vérin d'ancrage arrière 30 exerce une force de pression à la surface du trou de drainage dans une direction perpendiculaire à l'axe de la tête de forage 14 ; - une étape de forage au cours de laquelle l'outil de percement 16 fore une partie du trou de drainage 10 sous l'effet d'une force de poussée axiale exercée par le piston axial 34 ; - une étape d'ancrage avant au cours de laquelle le vérin d'ancrage avant 32 exerce une force de pression sur la surface du trou de drainage dans une direction perpendiculaire à la direction axiale et au cours de laquelle le vérin d'ancrage arrière 30 est rétracté ; -8- -une étape d'avancée au cours de laquelle le piston axial 34 se contracte ; et - une étape d'ancrage arrière au cours de laquelle le vérin d'ancrage arrière 30 s'ancre à la surface du trou de drainage 10 et le vérin d'ancrage avant 32 se désancre de ladite surface du trou de drainage. Le cycle d'avancement du dispositif d'autopropulsion est répété autant de fois que cela est nécessaire. La tête de forage 14 est alimentée par un câble d'alimentation électrique 24 dévidé depuis l'unité relais 20. Ledit câble d'alimentation est entraîné en rotation par un moteur rotatif 35. Dans le mode de réalisation illustré dans la figure 3, l'unité relais 20 comprend une unité d'ancrage 36, une unité de stockage du câble 38 et une unité de positionnement 39. L'unité d'ancrage 36 est ancrée, par exemple, au moyen de vérins d'ancrage (non représentés) aptes à exercer une force de pression sur les parois du puits de forage 12 dans une direction perpendiculaire à l'axe principal du puits. Selon ce mode de réalisation l'unité d'ancrage 36 distribue de la puissance électrique aux autres unités de l'unité relais 20. La puissance électrique peut venir d'un câble électrique général 41 reliant électriquement l'unité d'ancrage 36 à la surface. Dans ce mode de réalisation, l'unité d'ancrage 36 transmet la puissance électrique à l'unité de stockage de câble 38 au moyen d'un collecteur tournant 40. Le collecteur tournant 40 permet de transmettre la puissance électrique entre les deux unités malgré le mouvement de rotation de l'unité de stockage du câble 38. -9- D'autre part, les différents éléments de l'unité de positionnement sont alimentés électriquement, par exemple au moyen de simples câbles électriques. L'unité de stockage de câble 38 permet de stocker le câble d'alimentation électrique 24 de la tête de forage 14. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, le câble d'alimentation est embobiné. Le câble d'alimentation électrique 24 peut comporter un relief sur sa surface, par exemple un relief hélicoïdal ou une simple rugosité. L'unité de stockage de câble 38 est liée à l'unité de positionnement 39 au moyen d'un support rotatif 42. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, le support rotatif 42 repose sur un roulement à billes 43 et comprend un dispositif (non représenté) de blocage du câble. Le dispositif de blocage du câble permet de contrôler le dévidement du câble d'alimentation électrique 24 de l'unité de stockage du câble 38. Dans le mode réalisation représenté à la figure 3, l'unité de positionnement 39 comprend un premier 44 et un deuxième 46 plateau d'ancrage ainsi qu'un tube de guidage 52. Les premier et deuxième plateaux d'ancrage sont disposés sensiblement perpendiculairement à l'axe principal du puits de forage 12. Ces plateaux sont ancrés par exemple au moyen de vérins d'ancrage 48 aptes à exercer une force de pression sur les parois du puits de forage 12 dans une direction perpendiculaire à l'axe principal du puits. Le premier plateau d'ancrage 44 supporte le roulement à billes 42 sur lequel repose l'unité de stockage du câble 38. Le premier plateau d'ancrage 44 supporte également un moteur électrique 50 entraînant en rotation l'unité de stockage du câble 38. -10- Le câble d'alimentation électrique traverse le premier plateau d'ancrage 44 en son centre. Le deuxième plateau d'ancrage 46 est lié mécaniquement au premier plateau d'ancrage 44 au moyen d'éléments de liaison mécanique élastique 54, par exemple des ressorts. Le deuxième plateau d'ancrage 46 est également lié électriquement au premier plateau d'ancrage 44, par exemple au moyen des éléments de liaison mécanique ou encore par un câble électrique souple 56. Le deuxième plateau d'ancrage 46 est conformé de manière à permettre à des débris de percement formés pendant le forage de tomber au fond du puits de forage 12. Par exemple, le deuxième plateau d'ancrage 46 comprend un ensemble de trous permettant le passage des débris. Dans ce mode de réalisation, l'unité de positionnement 39 comprend entre le premier 44 et le deuxième 46 plateau d'ancrage un tube de guidage 52. Le tube de guidage 52 est un tube coudé creux de diamètre sensiblement égal au diamètre de la mèche 28 de la tête autopropulsée 14. Ledit tube 52 est conformé de manière à permettre l'évacuation de débris qui se forment pendant le forage, par exemple, il comprend un ensemble de trous à sa surface permettant le passage des débris. Lors de la mise en place du système de forage autonome selon le mode de réalisation de la figure 3, la tête de forage 14 est placée dans le tube de guidage 52 et le câble d'alimentation électrique relié à la tête de forage 14. La figure 4 illustre différentes étapes d'un procédé de production d'hydrocarbures selon l'invention. Selon ce procédé, un puits sensiblement vertical est foré jusqu'à un réservoir présent dans le sous-sol. -11- Au cours d'une première étape, l'unité relais 20 est descendue à une profondeur voulue dans le puits de forage 12. Le deuxième plateau d'ancrage 46 est alors ancré en 5 position contre les parois du puits de forage 12, au moyen des vérins d'ancrage 48. Les ressorts 54 sont alors comprimés, par exemple par le poids de l'unité relais 20, jusqu'à ce que le tube de guidage 52 vienne buter contre la paroi du puits de forage 10 12. Le premier plateau d'ancrage 44 est alors ancré en position au moyen des vérins d'ancrage 48. L'outil de percement 16 est ensuite mis en place dans le tube de guidage 52, afin de se trouver contre la paroi 15 du puits de forage 12. Le dispositif d'autopropulsion 18 est alors ancré à la surface interne du tube de guidage 52 et emboîté dans l'outil de percement 16 formant ainsi une tête de forage 14. Ladite tête de forage 14 est alimentée électriquement 20 par un câble d'alimentation dévidé à partir de l'unité relais, en particulier à partir de l'unité de stockage du câble. Le dispositif d'autopropulsion prend alors appui à l'intérieur du tube de guidage 42 pour permettre le début 25 du forage du trou de drainage par l'outil de percement 16. Dans ce mode de réalisation particulier, le câble d'alimentation électrique 24 comprend un relief hélicoïdal L'élimination de débris de percement est réalisée par rotation du câble d'alimentation électrique 24 au moyen du 30 moteur électrique 35 installé à l'arrière du dispositif d'autopropulsion 18. -12- Des débris de percement sont alors entraînés par la rotation du câble d'alimentation électrique 24 hors du trou de drainage et tombent au fond du puits de forage 12. L'unité de stockage du câble 38 tourne autour de son axe principal, sensiblement parallèle à l'axe du puits de forage 12, afin d'éviter que le câble d'alimentation électrique 24 ne torsade pendant sa rotation. De préférence, l'unité de stockage du câble 38 tourne à la même vitesse et/ou dans le même sens que le moteur électrique 35 entrainant le câble d'alimentation électrique 24 en rotation. Le câble d'alimentation électrique 24 se dévide de l'unité de stockage du câble 38 grâce à la rotation de ladite unité de stockage du câble et par le relâchement du dispositif (non représenté) de blocage du câble au cours de l'avancement de la tête de forage 14 dans le trou de drainage 10. Avantageusement, le relief à la surface du câble d'alimentation électrique augmente le frottement entre les débris et le câble en rotation augmentant ainsi l'efficacité de l'évacuation des débris. Avantageusement, une différence de pression naturelle entre le gaz contenu dans le � tight gas reservoir � et le puits de forage 12 va induire un flux de gaz dans le trou de drainage 10, en direction du puits de forage 12, facilitant ainsi l'évacuation des débris. Lorsque l'ensemble du câble d'alimentation électrique 24 a été dévidé de l'unité de stockage du câble 38, ledit câble d'alimentation électrique 24 peut être rembobiné à l'intérieur de l'unité de stockage du câble et l'unité relais remontée à la surface. La tête de forage 14 peut être tirée par le câble pour être ramenée vers le puits, ou déconnectée du câble d'alimentation électrique 24 au niveau -13- du dispositif d'autopropulsion 18, et abandonnée au fond du trou de drainage ou ramenée à la surface par tout autre moyen connu de l'homme du métier. Il est à noter que de très nombreuses variantes 5 peuvent être apportées à la structure et au procédé précédemment décrits. L'invention ne se limite pas à ces types de réalisation et doit être interprétée de façon non limitative, et englobant tout mode de réalisation 10 équivalent. REVENDICATIONS 1. Système de forage autonome d'un trou de drainage (10) transversalement à un puits de forage (12), comprenant: une tête de forage (14) comprenant un outil de percement (16) d'un trou de drainage (10) et un dispositif d'autopropulsion (18) adapté pour faire progresser la tête (14) dans le trou de drainage (10) en cours de percement ; une unité relais (20) descendue dans le puits (12), agencée pour présenter la tête de forage (14) contre la paroi (22) du puits (12) afin d'amorcer le percement du trou de drainage (10) transversalement au puits (12); un câble d'alimentation électrique (24) de la tête de forage (14), dévidé depuis l'unité relais (20) ; et un système mécanique d'évacuation de débris de percement hors du trou de drainage en cours de percement, les débris évacués tombant au fond du puits. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le système d'évacuation de débris de percement comprend le câble d'alimentation électrique (24) entraîné en rotation sur lui-même à l'intérieur du trou de drainage (10). 3. Système selon la revendication 2, dans lequel le câble d'alimentation électrique (24) comporte un relief moulé ou fixé sur sa surface. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel le 30 câble d'alimentation électrique (24) présente un relief sensiblement hélicoïdal.-15- 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tête de forage (14) comporte un moteur pour l'entraînement en rotation du câble d'alimentation. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité relais comporte également un moteur (50) pour l'entraînement en rotation d'une partie de l'unité relais (20) stockant le câble d'alimentation. 10 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tête de forage (14) présente une section transversale de diamètre inférieur à 10 centimètres. 8. Procédé de production d'hydrocarbures, dans lequel un puits (12) est foré jusqu'à un réservoir d'hydrocarbures présent dans le sous-sol, le procédé comprenant les étapes suivantes : descendre une unité relais (20) dans le puits (12); réaliser au moins un trou de drainage (10) transversalement au puits (12) avec une tête de forage (14) alimentée électriquement par un câble d'alimentation (24) 25 dévidé à partir de l'unité relais (20), la tête de forage (14) comprenant un outil de percement (16) du trou de drainage et un dispositif d'autopropulsion (18) adapté pour faire progresser la tête (14) dans le trou de drainage (10) en cours de percement ; 30 - évacuer des débris de percement hors du trou de drainage en cours de percement par un système mécanique, les débris évacués tombant au fond du puits ; et 15 20-16- extraire des hydrocarbures du réservoir par l'intermédiaire du trou de drainage (10) et du puits (12). 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel un relief hélicoïdal est formé sur le câble d'alimentation (24), et le câble d'alimentation est entraîné en rotation sur lui-même à l'intérieur du trou de drainage (10) pour évacuer des débris de percement. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel le trou de drainage (10) a un diamètre inférieur à 10 centimètres. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le réservoir d'hydrocarbures est présent dans une zone du sous-sol ayant une perméabilité inférieure à 0,1 millidarcy.