Brevet FR3129001A1 — publié le 20230512

La présente invention concerne un procédé pour exploiter une ressource d’une formation souterraine. A partir de mesures, on construit une représentation maillée ayant une valeur de propriétés de la formation en chaque maille. En chaque maille, on attribue une note représentant la pertinence de chaque valeur de propriétés pour l’exploitation de la ressource. On définit des ensembles de mailles en fonction d’une contrainte géologique variable spatialement, et pour chaque ensemble de mailles, on détermine des coefficients de pondération des propriétés en appliquant une analyse hiérarchique des procédés. En chaque maille, on détermine une note représentative du potentiel d’exploitation de la ressource par la somme des notes attribuées à chaque propriété et pondérées par les coefficients de pondération des propriétés dans la maille. A partir des notes représentatives du potentiel d’exploitation, on détermine un schéma d’exploitation de la ressource et on exploite la ressource selon le schéma d’exploitation. Figure 1 à publier Procédé pour exploiter une ressource d’une formation souterraine, au moyen d’une analyse décisionnelle multi-critères La présente invention concerne le domaine de l’exploitation d’une ressource d’une formation souterraine de manière générale, telle qu’une ressource géothermique, une ressource pétrolière et/ou gazière, une ressource minière, ou une ressource hydrogéologique. De manière générale, la présente invention peut être utilisée dans tout domaine nécessitant l’analyse du potentiel d’exploitation d’une ressource d’une formation souterraine. Afin de répondre aux enjeux de la transition énergétique, le marché mondial de la production géothermique est appelé à doubler dans les dix années à venir. La ressource géothermique exploite le gradient géothermique naturel de la Terre (c’est-à-dire l’augmentation de la température avec la profondeur) qui peut être très variable en fonction des sites. Ainsi, pour capter l'énergie géothermique, on fait circuler un fluide dans le sous-sol, à plus ou moins grandes profondeurs en fonction de la température désirée et selon le gradient thermique local. Ce fluide peut être naturellement présent dans la roche (aquifère) ou bien être volontairement injecté dans le sous-sol. Le fluide se réchauffe au contact des roches du sous-sol et remonte, chargé de calories (énergie thermique), qui sont transmises dans un échangeur de chaleur. Puis le fluide est réinjecté dans le milieu, une fois refroidi et après filtrage. Préalablement à toute exploitation géothermique, il convient de déterminer dans un premier temps si une formation souterraine donnée est adaptée ou non à une telle exploitation, et si tel est le cas, dans un deuxième temps, de définir le schéma d’exploitation de la ressource géothermique présente dans la formation souterraine choisie, notamment le positionnement des puits injecteurs et producteurs, formant des doublets, à forer. L'exploration pétrolière consiste à rechercher des gisements d'hydrocarbures au sein d’un bassin sédimentaire. La démarche générale de l’évaluation du potentiel pétrolier d’un bassin sédimentaire comporte des allers-retours entre une prédiction du potentiel pétrolier du bassin sédimentaire, réalisée à partir d’informations mesurées relatives au bassin étudié grâce aux analyses d’affleurements, aux campagnes sismiques, aux forages par exemple, et des forages d'exploration dans les différentes zones présentant le meilleur potentiel, afin de confirmer ou infirmer le potentiel prédit préalablement, et d'acquérir de nouvelles informations permettant de préciser les prédictions de potentiel pétrolier du bassin étudié. L’exploitation pétrolière d’un gisement consiste, à partir des informations récoltées lors de la phase d’exploration pétrolière, à sélectionner les zones du gisement présentant le meilleur potentiel pétrolier, à définir des schémas d’exploitation pour ces zones, à forer des puits d’exploitation et, de façon générale, à mettre en place les infrastructures de production nécessaires au développement du gisement. Ainsi, de manière générale, quel que soit le type de ressource considéré, préalablement à toute exploitation, il convient de déterminer si une formation souterraine donnée présente un potentiel d’exploitation suffisant par rapport à des objectifs prédéfinis (par exemple en termes de quantité ou de volume de la ressource, de la qualité de la ressource, des risques) et de déterminer son schéma d’exploitation (notamment l’emplacement des infrastructures à mettre en œuvre pour atteindre les objectifs). Cela implique un grand volume de données à analyser, qui plus est de différente nature (géologique, géochimique, sédimentologique, sismique, diagraphique, etc) et de prendre en compte un grand nombre de critères d’évaluation pour sélectionner une formation souterraine et/ou définir le meilleur schéma d’exploitation. Ainsi, la prise de décision en vue de l’exploitation d’une ressource d’une formation souterraine est un processus complexe impliquant l’analyse de données très variées pour répondre à des objectifs multiples formalisés par des critères. Les documents suivants seront cités au cours de la description : Abdel Zaher, M., Elbarbary, S., El-Shahat, A., Mesbah, H., & Embaby, A. (2018). Geothermal resources in Egypt integrated with GIS-based analysis. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 365, 1–12. Chen, T. and Guestrin, C., 2016, August. Xgboost: A scalable tree boosting system. In Proceedings of the 22nd acm sigkdd international conference on knowledge discovery and data mining (pp. 785-794). https://dl.acm.org/doi/pdf/10.1145/2939672.2939785. Gao, Y., Liu, L., Liu, H., Zheng, F., Wu, L., Zhou, J., & Qu, D. (2010). Application of an analytic hierarchy process to hydrocarbon accumulation coefficient estimation. Petroleum Science, 7(3), 337-346. DOI 10.1007/s12182-010-0075-z. Kimball, S. (2010). Favourability map of British Columbia geothermal resources. MS thesis dissertation. University of British Columbia . DOI:10.14288/1.0071365 Moghaddam. M.K.. Samadzadegan. F.. Noorollahi. Y.. Sharifi. M.A.. Itoi. R. [2014]. Spatial analysis and multi-criteria decision making for regional-scale geothermal favorability map. Geothermics 50. 189-201. Natekin, A. and Knoll, A., 2013. Gradient boosting machines, a tutorial. Frontiers in neurorobotics , 7 , p.21. https://doi.org/10.3389/fnbot.2013.00021 Noorollahi, Y., Itoi, R., Fujii, H., & Tanaka, T. (2007). GIS model for geothermal resource exploration in Akita and Iwate prefectures, northern Japan. Computers & Geosciences, 33(8), 1008–1021. Osman, A.I.A., Ahmed, A.N., Chow, M.F., Huang, Y.F. and El-Shafie, A., 2021. Extreme gradient boosting (Xgboost) model to predict the groundwater levels in Selangor Malaysia. Ain Shams Engineering Journal , 12 (2), pp.1545-1556. https://doi.org/10.1016/j.asej.2020.11.011 Saaty. R.W. (1987) The Analytic Hierarchy Process—What It Is and How It Is Used. Mathematical Modelling 9(3). 161–76. Svozil, D., Kvasnicka, V. and Pospichal, J., 1997. Introduction to multi-layer feed-forward neural networks. Chemometrics and intelligent laboratory systems , 39 (1), pp.43-62. https://doi.org/10.1016/S0169-7439(97)00061-0. On connaît depuis plusieurs décennies des méthodes mises en œuvre par ordinateur permettant une analyse décisionnelle multi-critères automatisée, aussi appelées ‘méthodes MCDA’, de l’anglais ‘Multi-Decision Criteria Analysis’. Ces méthodes permettent de structurer des problèmes complexes et de considérer de multiples critères de manière explicite afin d’aboutir à des décisions rationnelles et systématiques, tenant compte de l’ensemble des données disponibles et critères. Dans le domaine de la géothermie, on connait notamment les documents (Kimball, 2010 ; Moghaddam et al., 2014) qui permettent de générer des cartes dites de ‘prospectivité’ (prospectivity map’ en anglais). On appelle carte de prospectivité une carte représentative du potentiel d’exploitation de la ressource considérée en des points de la formation souterraine. Généralement, ce potentiel d’exploitation est représenté sous la forme de notes, par exemple les notes peuvent varier de 0 à 5, la valeur 5 (respectivement la valeur 0) représentant une zone de la formation souterraine à fort potentiel d’exploitation (respectivement à faible potentiel d’exploitation), réparties en fonction des positions spatiales en deux dimensions à la surface de la formation (carte 2D ou bidimensionnelle). Mais on peut aussi obtenir une notation du potentiel d’exploitation dans le volume de la formation, par exemple par la génération de cartes de prospectivité pour une pluralité de profondeurs de la formation en tenant compte de la profondeur de la formation comme troisième dimension (cartes multi-2D ou volume 3D). De telles cartes permettent de déterminer les zones 2D (surfaces en deux dimensions) ou 3D (volumes) les plus propices à l’exploitation de la ressource considérée. De manière générale, la méthode d'analyse décisionnelle multi-critères fait intervenir trois concepts principaux, à savoir un objectif (par exemple, choisir le meilleur site à prospecter), les différents critères éventuellement contradictoires (par exemple, le volume et la qualité de la ressource) et les alternatives (par exemple, les différents emplacements des puits à forer). Compte tenu de l'objectif, l’application de la méthode MCDA consiste à noter les différentes alternatives en tenant compte des critères. Parmi les méthodes MCDA, on connait plus particulièrement une méthode d’analyse hiérarchique multi-critères ou méthode d’Analyse Hiérarchique des Procédés (aussi connue sous le terme de ‘méthode AHP’, de l’anglais ‘Analytical Hierarchy Process’) décrite dans le document (Saaty, 1987). Cette méthode d’analyse hiérarchique multi-critères, particulièrement facile de mise en œuvre, consiste à décomposer le problème global en une hiérarchie de sous-problèmes, qui sont analysés deux à deux. On connait notamment une mise en œuvre de la méthode AHP à la ressource géothermique, par exemple décrite dans le document (Kimball, 2010). Dans ce cadre, elle est appliquée sur des données spatiales, la dépendance spatiale étant implicitement contenue par les coordonnées géographiques (longitude et latitude) de chaque point de mesure. Notamment, cette mise en œuvre comporte, à partir de mesures de propriétés réalisées en des positions éparses de la formation souterraine, les étapes suivantes : (i) : interpolation des propriétés mesurées (par exemple la porosité, la densité de fracture, le flux de chaleur, etc.) sur une grille ou attribution d’un rayon d'influence (ou ‘bufferisation’ ou ‘buffering ‘ en anglais) à chaque point de mesure de la propriété afin de constituer une grille pour laquelle tout point (en fait toute cellule de la grille) est renseignée avec une valeur pour chacune des propriétés considérées. Chaque propriété est alors considérée comme un facteur et chaque cellule de la grille est alors considérée comme une alternative pour l’application de la méthode AHP ; (ii) : attribution pour chaque facteur (par exemple la porosité, le gradient de température, le flux de chaleur) d’une note sur une échelle de 0 à 5, en fonction de l’importance à donner à ce facteur dans la prise de décision ; cette étape est aussi classiquement appelée étape de ‘reclassement’ (en anglais ‘reclassification‘) ; (iii) : comparaison des facteurs deux à deux (c’est-à-dire entre chaque couple de facteurs) afin d'attribuer à chacun de ces facteurs un coefficient de pondération normalisé, la normalisation imposant que la somme de ces coefficients soit égale à l’unité, ce coefficient quantifiant l’importance relative de chaque facteur, et (iv) : pour chaque alternative, c'est-à-dire pour chaque point (ou cellule ou cellule) de la grille, attribution d’une note globale égale à la somme des notes attribuées à chaque facteur pondérées par les coefficients de pondération associés à chaque facteur. Toutefois, de telles approches souffrent de trois inconvénients majeurs de manière générale : (i) la bufferisation ou l’interpolation des mesures éparses qui induit une résolution spatiale faible (aspect de pixellisation) ; (ii) l'absence de prise en compte de contraintes/facteurs géologiques pour définir les poids relatifs quantifiant l’importance des critères de décision (la géologie étant intégrée comme un simple critère supplémentaire, telle que la porosité ou la densité de fracture) ; (iii) l'absence d'une carte de fiabilité, c’est-à-dire d’une carte d’incertitudes, pour la prévision de la prospectivité. La présente invention permet de pallier ces inconvénients. Notamment, la présente invention définit des coefficients de pondération, intervenant dans l’analyse multi-critères, fonction de contraintes géologiques, ce qui améliore la qualité de la décision prise à l’issue de l’analyse multi-critères. De plus, la présente invention peut faire appel à une méthode de régression pour renseigner les valeurs des propriétés en tout point d’une grille, ce qui améliore la résolution spatiale des données en entrée de l’analyse multi-critères. Enfin de manière optionnelle, le procédé selon l’invention peut produire une carte d’incertitudes, ce qui permet de quantifier la qualité de la carte de prospectivité produite. La présente invention concerne un procédé pour exploiter une ressource présente dans une formation souterraine, caractérisé en ce qu’on applique au moins les étapes suivantes : a) on mesure des grandeurs physiques en des points de mesure de ladite formation au moyen de capteurs et on en déduit des valeurs de propriétés relatives à ladite formation en lesdits points de mesure ; b) à partir desdites valeurs desdites propriétés relatives à ladite formation en lesdits points de mesure, on construit une représentation maillée représentative de ladite formation, chaque cellule de ladite représentation maillée comportant une valeur de chacune desdites propriétés ; c) pour chacune desdites propriétés et en chaque cellule de ladite représentation maillée, on détermine une note représentative de la pertinence de la valeur de ladite propriété en ladite cellule pour l’exploitation de ladite ressource, à partir de critères prédéfinis pour chacune desdites propriétés ; d) on détermine des ensembles de cellules de ladite représentation maillée en fonction d’une contrainte géologique variable spatialement, et on applique une méthode d’analyse hiérarchique des procédés pour chacun desdits ensembles de cellules afin de déterminer, pour chacun desdits ensembles de cellules, un ensemble de coefficients de pondération représentatifs de la pertinence relative de chacune desdites propriétés pour l’exploitation de ladite ressource dans lesdites cellules dudit ensemble de cellules ; e) en chaque cellule de ladite représentation maillée, on détermine une note représentative du potentiel d’exploitation de ladite ressource comme étant égale à la somme des notes représentatives de la pertinence desdites valeurs desdites propriétés en ladite maille pour l’exploitation de ladite ressource et pondérées par lesdits coefficients de pondération dudit ensemble de coefficients de pondération déterminés pour lesdites propriétés et pour ledit ensemble de cellules auquel appartient ladite cellule ; f) à partir au moins desdites notes représentatives du potentiel d’exploitation déterminées en chacune des cellules de ladite représentation maillée, on détermine un schéma d’exploitation de ladite ressource et on exploite ladite ressource selon ledit schéma d’exploitation. Selon une mise en œuvre de l’invention, ladite méthode d’apprentissage automatique supervisé peut être choisie parmi la liste suivante : une méthode d’amplification de gradient, une méthode d’amplification extrême de gradient, un réseau de neurones à propagation avant, et un réseau de neurones convolutif. Selon une mise en œuvre de l’invention, lesdites mesures desdites grandeurs physiques peuvent comprendre au moins des mesures diagraphiques et des mesures sismiques. Selon une mise en œuvre de l’invention selon laquelle ladite ressource est une ressource géothermique, lesdites propriétés peuvent comprendre au moins un gradient thermique et un flux de chaleur. Selon cette mise en œuvre de l’invention, on peut préférentiellement déterminer lesdits ensembles de cellules à partir d’une carte géologique relative à ladite formation, et de telle manière que la lithologie soit invariante dans chaque cellule d’un ensemble de cellules. Selon une mise en œuvre de l’invention selon laquelle ladite ressource est une ressource gazière et/ou pétrolière, lesdites propriétés peuvent comprendre au moins une porosité et une perméabilité. Selon cette mise en œuvre de l’invention, on peut préférentiellement déterminer lesdits ensembles de cellules à partir d’une carte de la distribution des hydrocarbures dans ladite formation, et de telle manière que la distribution des hydrocarbures soit invariante dans chaque cellule d’un ensemble de cellules. Selon une mise en œuvre de l’invention, à l’étape b), lesdites valeurs en chaque cellule d’au moins une desdites propriétés peuvent être déterminées au moyen d’une méthode d’apprentissage automatique supervisé. Selon une mise en œuvre de l’invention, à l’étape f), on peut déterminer un schéma d'exploitation de ladite ressource comprenant au moins une implantation d'au moins un puits injecteur et/ou d'au moins un puits producteur, et on peut exploiter ladite ressource de ladite formation souterraine au moins en forant lesdits puits de ladite implantation et en les équipant d'infrastructures d'exploitation. En outre, l’invention concerne un produit programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, comprenant des instructions de code de programme pour la mise en œuvre au moins des étapes b) à e) du procédé tel que décrit ci-dessus, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après. Liste des figures La présente une carte de prospectivité déterminée au moyen du procédé selon l’invention, et la présente une carte de prospectivité déterminée au moyen d’un procédé selon l’art antérieur. La présente la différence entre une carte de prospectivité déterminée par le procédé selon l’invention et une carte de prospectivité déterminée par une modification du procédé selon l’invention dans laquelle la contrainte géologique est invariable spatialement. La présente la carte géologique de la province de Colombie Britannique. Procédé pour exploiter une ressource présente dans une formation souterraine, caractérisé en ce qu’on applique au moins les étapes suivantes : a) on mesure des grandeurs physiques en des points de mesure de ladite formation au moyen de capteurs et on en déduit des valeurs de propriétés relatives à ladite formation en lesdits points de mesure ; b) à partir desdites valeurs desdites propriétés relatives à ladite formation en lesdits points de mesure, on construit une représentation maillée représentative de ladite formation, chaque cellule de ladite représentation maillée comportant une valeur de chacune desdites propriétés ; c) pour chacune desdites propriétés et en chaque cellule de ladite représentation maillée, on détermine une note représentative de la pertinence de la valeur de ladite propriété en ladite cellule pour l’exploitation de ladite ressource, à partir de critères prédéfinis pour chacune desdites propriétés ; d) on détermine des ensembles de cellules de ladite représentation maillée en fonction d’une contrainte géologique variable spatialement, et on applique une méthode d’analyse hiérarchique des procédés pour chacun desdits ensembles de cellules afin de déterminer, pour chacun desdits ensembles de cellules, un ensemble de coefficients de pondération représentatifs de la pertinence relative de chacune desdites propriétés pour l’exploitation de ladite ressource dans lesdites cellules dudit ensemble de cellules ; e) en chaque cellule de ladite représentation maillée, on détermine une note représentative du potentiel d’exploitation de ladite ressource comme étant égale à la somme des notes représentatives de la pertinence desdites valeurs desdites propriétés en ladite maille pour l’exploitation de ladite ressource et pondérées par lesdits coefficients de pondération dudit ensemble de coefficients de pondération déterminés pour lesdites propriétés et pour ledit ensemble de cellules auquel appartient ladite cellule ; f) à partir au moins desdites notes représentatives du potentiel d’exploitation déterminées en chacune des cellules de ladite représentation maillée, on détermine un schéma d’exploitation de ladite ressource et on exploite ladite ressource selon ledit schéma d’exploitation. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite méthode d’apprentissage automatique supervisé est choisie parmi la liste suivante : une méthode d’amplification de gradient, une méthode d’amplification extrême de gradient, un réseau de neurones à propagation avant, et un réseau de neurones convolutif. Procédé selon l’une des revendications précédentes, et dans lequel lesdites mesures desdites grandeurs physiques comprennent au moins des mesures diagraphiques et des mesures sismiques. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite ressource est une ressource géothermique, et dans lequel lesdites propriétés comprennent au moins un gradient thermique et un flux de chaleur. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on détermine lesdits ensembles de cellules à partir d’une carte géologique relative à ladite formation, et de telle manière que la lithologie soit invariante dans chaque cellule d’un ensemble de cellules. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite ressource est une ressource gazière et/ou pétrolière, et dans lequel lesdites propriétés comprennent au moins une porosité et une perméabilité. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on détermine lesdits ensembles de cellules à partir d’une carte de la distribution des hydrocarbures dans ladite formation, et de telle manière que la distribution des hydrocarbures soit invariante dans chaque cellule d’un ensemble de cellules. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, à l’étape b), lesdites valeurs en chaque cellule d’au moins une desdites propriétés sont déterminées au moyen d’une méthode d’apprentissage automatique supervisé. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, à l’étape f), on détermine un schéma d'exploitation de ladite ressource comprenant au moins une implantation d'au moins un puits injecteur et/ou d'au moins un puits producteur, et on exploite ladite ressource de ladite formation souterraine au moins en forant lesdits puits de ladite implantation et en les équipant d'infrastructures d'exploitation. Produit programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, comprenant des instructions de code de programme pour la mise en œuvre au moins des étapes b) à e) du procédé selon l'une des revendications 1 à 9, lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur.