Brevet FR3077841A1 — publié le 20190816

[1] L'invention concerne le domaine technique de l'exploitation de fluides contenus dans des aquifères au moyen d'une technique de pompage. [2] En particulier l'invention concerne un procédé de pompage optimisé dans lequel on réalise une interprétation d'essai de pompage pour un aquifère fracturé. [003] Un essai de pompage est un test hydraulique de l'aquifère ou du réservoir. C'est l'opération par laquelle l'hydrogéologue, ou l'ingénieur réservoir, détermine le débit d'exploitation d'un ouvrage et estime les paramètres physiques régissant les lois des écoulements souterrains. [4] L'essai de pompage permet notamment d'estimer le rayon d'action du pompage et de 10 calculer le coefficient de perméabilité des terrains lorsque l'épaisseur de la couche aquifère, ou réservoir, est connue. [5] Lors de ce type d'essai, un pompage est réalisé dans un puits et les variations du niveau piézométrique, ou de pression au sens large, en réponse à cette sollicitation, sont relevées dans les piézomètres d'observation situés aux alentours de cet ouvrage. Les 15 données récoltées sont ensuite interprétées afin d'estimer les paramètres hydrodynamiques de l'aquifère ou du réservoir (à minima transmissivité, conductivité hydraulique et coefficient d'emmagasinement) aux alentours de ce puits. [6] Afin d'interpréter de tel essai de pompage, on connaît des méthodes d'interprétation, utilisant des logiciels tel que le logiciel ISAPE (BRGM, France) ou OUAIP (BRGM, France). 20 [007] Bien que très performantes, les solutions proposées ne permettent pas de réaliser des interprétations précises dans tous types d'aquifère. Notamment, un problème à prendre en compte lors de l'interprétation de tels essais de pompage est la présence de fracture(s) dans le terrain étudié. [8] Le comportement de la variation du niveau de la nappe (ou de pression au sens large) 25 dû au pompage dans les roches fracturées a été étudiée depuis au moins 80 ans. Des solutions analytiques ont été proposées pour résoudre le problème d'un puits traversant (et pompant) une fracture verticale, horizontale ou inclinée mais uniquement dans le cas d'aquifères homogènes. [9] Donc, le domaine d'application de ces solutions est restreint aux aquifères infinis 30 isotropes ou anisotropes dont les limites potentielles doivent être parallèles ou orthogonales à la direction de la fracture. [0010] Le problème reste donc non résolu pour de nombreux types d'aquifère. Par exemple, un puits recoupant et pompant une fracture dans un aquifère multicouche ou à double porosité, où les fractures intersectées ne sont pas nécessairement parallèles ou 2 orthogonales aux limites de l'aquifère, où plusieurs fractures de diverses orientations recoupent le puits, ou le pompage se produit non seulement dans les fractures, mais aussi dans l'aquifère à travers l'intervalle crépiné du puits (partie productrice du puits de pompage). [0011] L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en fournissant un procédé de 5 pompage dans un aquifère fracturé, dans lequel on réalise une interprétation d'un essai de pompage prenant en compte tous types de fractures. [0012] Ainsi l'objet de l'invention concerne un procédé de pompage d'un réservoir souterrain contenant au moins un fluide, dans lequel on réalise au moins un forage afin d'installer un puits de pompage traversant au moins partiellement le réservoir, le puits recoupant et 10 pompant le fluide d'au moins une fracture. Le procédé comporte les étapes suivantes : - on interprète au moins un essai de pompage au moyen d'une méthode analytique dans laquelle : o on simule l'écoulement du fluide au sein du puits au moyen d'un modèle analytique basé sur une première équation différentielle décrivant un rabattement s de la nappe 15 à une distance r du puits de pompage avec un débit Q constant au bout d'un temps de pompage t; o on simule l'écoulement du fluide au sein de la fracture en intégrant le long du plan de la fracture une seconde équation différentielle décrivant un rabattement s de la nappe à une distance r du puits de pompage avec un débit Q constant au bout d'un temps 20 de pompage t ; - on déduit de l'interprétation de l'essai de pompage des paramètres décrivant la géométrie de la fracture, des paramètres hydrodynamiques du réservoir, et des paramètres décrivant un comportement du réservoir, et l'on en déduit une prédiction de différents scénarios d'exploitation de pompage ; 25 - on modifie des paramètres de pompage afin de réaliser un des scénarios d'exploitation de pompage. [0013] Outre la prise en compte des géométries des fractures interceptées par le puits (grâce à l'intégration le long des plans de fractures), cette méthode permet la prise en compte d'aquifères complexes (fracture(s) dans des aquifères multicouches, ou double porosité, 30 avec pompage dans la fracture(s) et dans la zone crépinée du puits) grâce à l'intégration dans la méthode de solutions mathématiques existantes décrivant le pompage au sein d'un puits seul, et donc une estimation plus précise des paramètres des aquifères (paramètres géométriques de la fracture(s), et paramètres hydrodynamiques des aquifères), ce qui ne peut pas être fait avec les méthodes classiques. De plus, il en résulte une meilleure prédiction 35 des scénarios d'exploitation de pompage. 3 [0014] Compte tenu du grand nombre de solutions analytiques existantes, ceci offre une très large gamme d'applications pour cette solution analytique générique, et aide ainsi à modéliser des fractures discrètes qui sont recoupées et pompées par un puits, dans la plupart des contextes hydrogéologiques, ou de réservoirs naturels. 5 [0015] Le procédé peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - le modèle analytique est fonction de la solution de Theis ; - la seconde équation différentielle est la fonction de Theis, dans laquelle l'intégrale interne est remplacée par une fonction de puits supposant qu'un flux du fluide pompé est uniformément réparti le long de la fracture ; - les paramètres décrivant la géométrie de la fracture sont choisis parmi les paramètres suivants : longueur, largeur, inclinaison ; - les paramètres hydrodynamiques du réservoir et les paramètres décrivant un comportement du réservoir sont choisis parmi les paramètres suivants : o transmissivité, emmagasinement du réservoir pompé ; o épaisseur du réservoir ; o perméabilité et emmagasinement de la matrice ; o transmissivité et emmagasinement d'autres réservoirs présents au-dessus et/ou en dessous du réservoir pompé. - les paramètres de pompage sont choisis parmi les paramètres suivants : o débit de pompage ; o nombre de puits possible dans le cas de champ captant ; o durée, ou cycles, de pompage de puits ; - la fracture est verticale, et le réservoir constitue un milieu double porosité ; - la fracture est verticale, le long du puits, sur une partie seulement de la longueur du puits, et le réservoir constitue un système multicouche ; - la fracture est inclinée par rapport à l'axe du puits, et recoupe donc le puits en un point, et le réservoir constitue un système multicouche ; - préalablement à l'interprétation de l'essai de pompage, on détermine la géométrie de la fracture au moyen de diagraphies de forage et/ou d'autres informations géologiques. [0016] L'invention sera mieux comprise à la lecture des figures annexées, qui sont fournies à titre d'exemples et ne présentent aucun caractère limitatif, dans lesquelles : - la figure 1 illustre les différentes étapes du procédé selon l'invention ; - la figure 2 illustre le principe permettant de simuler le pompage dans les fractures ; 4 - les figures 3A à 3D illustrent des exemples d'application à différents types d'aquifères. [0017] Comme illustré sur la figure 1, le procédé de pompage d'un réservoir naturel (aquifère souterrain, réservoir pétrolier,...) contenant au moins un fluide (tel que de l'eau par exemple 5 pour un aquifère) et étant recoupé au moins une fracture, comporte les étapes suivantes : i) on réalise au moins un forage afin d'installer un puits de pompage traversant au moins partiellement le réservoir, le puits recoupant et pompant le fluide d'au moins une fracture; ii) on détermine une géométrie de la fracture (étape optionnelle) ; iii) on interprète au moins un essai de pompage à partir de la géométrie de la fracture et au 10 moyen d'une méthode analytique ; iv) on en déduit une prédiction de différents scénarios d'exploitation de pompage ; v) on modifie des paramètres de pompage afin de réaliser un des scénarios d'exploitation de pompage. 15 [0018] On décrit ci-après les différentes étapes de ce procédé, dans le cas particulier où le réservoir est un aquifère. L'invention concerne également un procédé de pompage d'un réservoir pétrolier par exemple. Etape i) : réalisation d'un forage 20 [0019] Au cours de cette étape, on réalise au moins un forage permettant d'installer un puits de pompage traversant au moins partiellement l'aquifère. Le puits permet alors de pomper le fluide contenu dans l'aquifère. Le puits ainsi foré à travers l'aquifère recoupe au moins une fracture, et cette fracture recoupant l'aquifère, le puits pompe le fluide à travers cette fracture, et/ou à travers la partie crépinée du puits. 25 Etape ii) : détermination des géométries de fractures [0020] Cette étape peut être optionnelle, car la géométrie des fractures peut être déterminée, ou mise à jour, lors de l'étape d'interprétation de l'essai de pompage (étape iii)). Au cours de cette étape, on détermine la géométrie des fractures pompées par le puits. Pour ce faire, soit 30 on connait au moyen de diagraphies de forage et/ou d'autres informations géologiques, la géométrie de la ou des fractures (inclinaison, dimension), soit on procède par modélisation de l'évolution du rabattement, les inclinaisons et les dimensions des fractures étant des paramètres physiques régissant les lois d'écoulement. 5 Etape iii) : interprétation d'au moins un essai de pompage [0021] Au cours de cette étape, on interprète au moins un essai de pompage. L'essai de pompage est un test hydraulique de l'aquifère. C'est l'opération par laquelle l'hydrogéologue 5 détermine les paramètres des lois des écoulements souterrains, afin de calculer le débit d'exploitation d'un puits. [0022] Pour ce faire, on utilise une méthode analytique pour simuler l'essai de pompage. En d'autres termes, on réalise un pompage test, que l'on tente de modéliser au moyen d'une simulation basée sur des modèles physiques décrivant le pompage par le puits. 10 [0023] Ces modèles physiques comportent des paramètres qu'il est nécessaire de déterminer pour chaque configuration : puits, aquifère, fractures. On peut utiliser pour ce faire la géométrie de fracture déterminée à l'étape précédente, sinon elle est déterminée par le calcul, lors de l'interprétation de l'essai de pompage. [0024] On modifie ainsi les paramètres des modèles physiques, jusqu'à obtenir, par 15 simulation, des prévisions comparables à ce qui est observé dans la réalité. [0025] Selon l'invention, on simule l'écoulement du fluide dû au pompage dans l'aquifère, au sein du puits et au sein de la fracture. [0026] On simule l'écoulement du fluide, dû au pompage dans l'aquifère, au sein du puits au moyen d'un modèle analytique basé sur une première équation différentielle décrivant un 20 rabattement s de la nappe à une distance r du puits de pompage avec un débit Q constant au bout d'un temps de pompage t. [0027] Concernant la première équation différentielle, il peut s'agir par exemple de la solution analytique de Theis décrite dans le document suivant, et qui modélise le pompage d'un aquifère homogène isotrope et d'extension infini : 25 Theis, C.V., 1935. The relation between the lowering of the piezometric surface and the rate and duration of discharge of a well using groundwater storage. Trans. Am. Geoph. Union, 16, 519-524. [0028] Il peut également s'agir d'autres solutions analytiques décrites dans les documents suivants : 30 Moench, A.F., 1984. Double-porosity models for a fissured groundwater reservoir with fracture skin, VVater Resourc. Res., 20, 831-846; Hantush, M.S., 1961. Aquifer tests on partially penetrating wells. Proc. Am. Soc. Civil Engin., 87, 171-195; 6 - Hunt, B., 2005. Flow to vertical and nonvertical wells in leaky aquifers. J. Hydrol. Eng., doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0699(2005), vol.10, 477-484; - Hunt, B., Scott, D., 2007. Flow to a well in a two-aquifer system. J. Hydrol. Eng., doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0699(2007), vol. 12, 146-155. 5 [0029] On simule l'écoulement du fluide, dû au pompage dans l'aquifère, au sein de la fracture en intégrant le long du plan de fracture une seconde équation différentielle décrivant un rabattement s de la nappe à une distance r du puits de pompage avec un débit Q constant au bout d'un temps de pompage t. [0030] Concernant la seconde équation différentielle, il peut s'agir de la première équation 10 différentielle : par exemple la solution analytique de Theis. [0031] Dans le cas où l'on utilise la solution analytique de Theis, l'équation utilisée pour simuler l'évolution du rabattement au sein de la fracture verticale (figure 3A), en tous points de l'espace (xobs, yobs) s'écrit : 2 Eq.1 1 +xf ( 4Tq(x)E1 xobs)2 ± Y si(x,y,t)= obs S dx 4Ttn-T -xf ) I 15 Fonction de Theis Où, q(x) est le débit le long de la fracture, xf demie longueur de la fracture, T et S respectivement la transmissivité et l'emmagasinement de l'aquifère, t le temps et Ei : l'exponentielle intégrale. [0032] De façon avantageuse, la seconde équation différentielle est la fonction de Theis, 20 dans laquelle l'intégrale interne est remplacée par une autre fonction de puits, en supposant que le flux est uniformément réparti le long de la fracture. L'équation utilisée pour simuler l'écoulement du fluide au sein de la fracture s'écrit alors : - pour une fracture verticale (figure 3B): st, f(x,y,t,x f ,2,a,...). Eq.2 417-t-T .M =1,2,3.. 25 Où, szu (x, y, t, 2, oç ..) est une solution connue (double porosité, aquifère multicouche, puits captant partiellement l'aquifère, et szu j(x' y, t, xf, 2, oç ..) et la solution pour un pompage dans une fracture verticale de demie longueur xf (figure 3B) dans un aquifère où ces paramètres sont définis dans la solution szu (2, g ...).M est le nombre de segments nécessaires au calcul, x, abscisse du milieu de chaque segment (-xf REVENDICATIONS1. Procédé de pompage d'un réservoir souterrain contenant au moins un fluide, dans lequel on réalise au moins un forage afin d'installer un puits de pompage traversant au moins partiellement le réservoir, le puits recoupant et pompant le fluide d'au moins une fracture, caractérisée en ce que l'on réalise les étapes suivantes : - on interprète au moins un essai de pompage au moyen d'une méthode analytique dans laquelle : o on simule l'écoulement du fluide au sein du puits au moyen d'un modèle analytique basé sur une première équation différentielle décrivant un rabattement s de la nappe à une distance r du puits de pompage avec un débit Q constant au bout d'un temps de pompage t; o on simule l'écoulement du fluide au sein de la fracture en intégrant le long du plan de la fracture une seconde équation différentielle décrivant un rabattement s de la nappe à une distance r du puits de pompage avec un débit Q constant au bout d'un temps de pompage t ; - on déduit de l'interprétation de l'essai de pompage des paramètres décrivant la géométrie de la fracture, des paramètres hydrodynamiques du réservoir, et des paramètres décrivant un comportement du réservoir, et l'on en déduit une prédiction de différents scénarios d'exploitation de pompage ; - on modifie des paramètres de pompage afin de réaliser un des scénarios d'exploitation de pompage. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le modèle analytique est fonction de la solution de Theis. 3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la seconde équation différentielle est la fonction de Theis, dans laquelle l'intégrale interne est remplacée par une fonction de puits supposant qu'un flux du fluide pompé est uniformément réparti le long de la fracture. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les paramètres décrivant la géométrie de la fracture sont choisis parmi les paramètres suivants : longueur, largeur, inclinaison. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les paramètres hydrodynamiques du réservoir et les paramètres décrivant un comportement du réservoir sont choisis parmi les paramètres suivants : - transmissivité, emmagasinement du réservoir pompé ; - épaisseur du réservoir ; - perméabilité et emmagasinement de la matrice ; 11 - transmissivité et emmagasinement d'autres réservoirs présents au-dessus et/ou en dessous du réservoir pompé. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les paramètres de pompage sont choisis parmi les paramètres suivants : 5 - débit de pompage ; - nombre de puits possible dans le cas de champ captant ; - durée, ou cycles, de pompage de puits. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la fracture est verticale, et le réservoir constitue un milieu double porosité. 10 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la fracture est verticale, le long du puits, sur une partie seulement de la longueur du puits, et le réservoir constitue un système multicouche. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la fracture est inclinée par rapport à l'axe du puits, et recoupe donc le puits en un point, et le réservoir constitue un 15 système multicouche. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel préalablement à l'interprétation de l'essai de pompage, on détermine la géométrie de la fracture au moyen de diagraphies de forage et/ou d'autres informations géologiques. 20