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Hydraulics modelling for drilling automation

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L’automatisation peut améliorer la sécurité des opérations de forage de pétrole et de gaz

Un projet financé par l’UE a présenté de nouveaux modèles et logiciels qui aident les opérateurs et entrepreneurs en forage à relever un défi présent de longue date, et fréquemment rencontré dans les forages profonds: forer en toute sécurité avec une fenêtre de pression limitée.

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Le forage représente une technologie essentielle dans plusieurs applications d’importance stratégique ou sociétale, notamment la recherche et l’extraction de pétrole, de gaz, de ressources géothermiques et minérales, et le stockage géologique du CO2. La réussite pratique repose sur la capacité à exploiter les réservoirs en eaux profondes de plus en plus difficiles à atteindre.

Deux préoccupations majeures: la productivité et le contrôle de la pression

Les coûts de construction des puits ont fortement augmenté au cours des dernières années, alors qu’il existe également un manque de technologies susceptibles d’améliorer l’efficacité des activités de forage. L’adoption de processus automatisés au lieu de solutions focalisées sur l’humain constitue une étape importante dans le domaine du forage profond. Les marges de forage étroites, en termes de fenêtres de pression sûres en fond de forage, représentent également un défi insurmontable compliquant les opérations de forage profond. Le maintien d’une légère différence entre la pression interstitielle (pression de fluide dans les pores rocheux poussant vers l’extérieur) et le gradient de fracture (pression de fluide nécessaire à l’extérieur de la roche pour la fracturer) dans les limites prévues est essentiel à la sécurité de telles opérations. Un excès de pression (du puits), et la formation peut fracturer le trou de sonde; une insuffisance causera une instabilité au niveau du trou et augmentera les risques d’entrée de fluide de formation dans le puits. Cette situation est appelée «incident dans le contrôle du puits». Elle peut s’aggraver dans le pire des cas, c’est-à-dire que la force du fluide/gaz qui s’échappe peut être suffisamment élevée pour endommager l’appareil de forage. L’explosion du puits de la plate-forme Deepwater Horizon dans le Golf du Mexique en avril 2010, qui s’est produite par 1 500 m de fond, est l’exemple le plus notable de ce type de catastrophe. «En plus d’éviter de graves accidents de forage, le maintien d’une fenêtre de pression limitée aboutit à une continuité des opérations, et, par conséquent, n’entraîne aucune perte de productivité», remarque Nathan van de Wouw, coordinateur du projet HYDRA, qui a reçu un financement dans le cadre du programme Actions Marie Skłodowska-Curie.

Créer des scénarios virtuels de forage

HYDRA a développé des modèles hydrauliques capables de prévoir avec précision la pression et l’écoulement de la boue dans le puits. Ces modèles, ainsi que d’autres outils numériques, ont été intégrés dans un logiciel développé récemment et permettant de simuler différents types d’opérations de forage. «Les résultats d’HYDRA soutiennent une évaluation plus fiable des scénarios virtuels de forage. En amont des opérations de forage effectives, les principales compagnies pétrolières et gazières peuvent, par exemple, lancer différents scénarios afin de déterminer la viabilité et la sûreté d’une opération. En exécutant plusieurs instances du modèle d’écoulement avec différentes propriétés de boue/puits et conditions opérationnelles, les opérateurs sont en mesure de prévoir la réponse de pression en fond de forage, ce qui limite le nombre d’accidents», ajoute Nathan van de Wouw. Les outils logiciels qui simulent les fluides et les écoulements polyphasiques inondent peut-être le marché, mais la modélisation du large éventail de leurs propriétés complexes prend beaucoup de temps. Il existe potentiellement des modèles simples qui ne décrivent pas avec justesse les propriétés d’écoulement. «Au sein d’HYDRA, nous avons trouvé un équilibre en développant des modèles tenant compte des principaux effets d’écoulement, mais qui sont simples et suffisamment rapides pour être utilisés dans le cadre de l’évaluation de scénarios virtuels de forage», observe Nathan van de Wouw. Les chercheurs du projet ont également mis au point des techniques de réduction de l’ordre des modèles afin de réduire davantage la complexité de calcul de leurs modèles mathématiques dans les simulations numériques. «Les techniques de ce type permettent non seulement d’accélérer les simulations, mais rendent également possible de concevoir de meilleurs contrôleurs pour automatiser le forage à pression contrôlée», conclut-il.

Mots‑clés

HYDRA, forage, simulations, pétrole, gaz, scénarios virtuels de forage, fenêtre de pression limitée, réduction de l’ordre des modèles, forage à pression contrôlée

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