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METHODE ET SYSTEME POUR LE CALCUL DE PERTES DE
CHARGE PRENANT EN COMPTE LES EFFETS THERMIQUES
La présente invention concerne une méthode et un système pour
calculer les pertes de charge dans un circuit en prenant en compte les effets
thermiques le long du circuit.
On connaît par le document US-5850621 une méthode informatique qui
permet de calculer les pertes de charge dans les différentes parties d'un
circuit,
par exemple, constitué par : un puits foré dans le sol, l'espace intérieur de
tiges
de forage ou de tubes dans le puits, l'espace annulaire entre ces tiges ou
tubes
et la paroi du puits. Dans les méthodes connues de calcul de pertes de charge,
on prend en compte les données sur la géométrie du puits, les caractéristiques
du fluide en circulation et les conditions d'écoulement. Dans la plupart des
modèles de calculs, il est pris en compte une rhéologie plus ou moins
représentative de celle du fluide : modèles de Bingham, d'Ostwald, ou autres.
Certains tiennent également compte de l'influence de la rotation des tiges
et/ou de leur excentration dans le puits. Cependant, ces modèles de calculs ne
prennent pas en compte l'influence de la variation de température et/ou de la
pression sur la rhéologie du fluide, paramètre relativement important sur le
calcul des pertes de charge. Or, les conditions de température et de pression
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dans un puit foré, offshore ou onshore sont excessivement variables ce qui
induit
actuellement des erreurs de calculs.
La présente invention vise une méthode pour optimiser des caractéristiques
de circulation d'un fluide de forage dans un circuit constitué d'un puits foré
et d'un
espace intérieur de tubes dans ledit puits, le circuit ayant un profil
thermique
déterminé pour comparaison avec une pression de refoulement mesurée dans le
circuit, caractérisée en ce que l'on effectue les étapes suivantes:
a) on constitue une base de données (BD) basée sur des mesures
expérimentales, donnant une rhéologie de différents fluides au moins
en fonction d'une température,
b) on segmente ledit profil thermique (2, 3) en tronçons (4, 5, 6, 7) et on
détermine une valeur de température (Tl, T2, T3, T4) représentative
de celle du fluide dans chaque tronçon,
c) on utilise la base de données pour déterminer la rhéologie du fluide
dans chaque tronçon à ladite valeur de température représentative,
d) on calcule et on additionne des pertes de charge dans chaque
tronçon compte tenu de la rhéologie déterminée,
e) on compare les pertes de charges obtenues à l'étape d) avec ladite
pression de refoulement mesurée, pour obtenir une valeur
d'optimisation; et
f) on optimise les caractéristiques de circulation du fluide de forage dans
le circuit en se basant sur la valeur d'optimisation.
On peut segmenter le profil thermique pour un intervalle de
température sensiblement constant.
On peut prendre la température moyenne du fluide dans chaque tronçon
comme température représentative.
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La base de données peut comprendre la rhéologie de fluides en fonction
de la pression.
On peut prendre en compte la pression moyenne du fluide dans chaque
tronçon pour déterminer la rhéologie du fluide dans ledit tronçon.
On peut organiser la base de données en familles de fluides.
La base de données peut comprendre des lois de variation de la rhéologie
en fonction de la température et/ou en pression pour chaque famille de fluide.
La présente invention vise aussi un système pour optimiser des
caractéristiques de circulation d'un fluide de forage dans un circuit
constitué d'un
puits foré et d'un espace intérieur de tubes dans ledit puits, le circuit
ayant un profil
thermique déterminé pour comparaison avec une pression de refoulement mesurée
dans le circuit, caractérisé en ce que ledit système comprend:
- une base de données (BD) basée sur des mesures expérimentales,
donnant une rhéologie de différents fluides au moins en fonction d'une
température,
- des moyens pour segmenter ledit profil thermique (2, 3) en tronçons
(4, 5, 6, 7) et déterminer une valeur de température (Tl, T2, T3, T4)
représentative de celle du fluide dans chaque tronçon,
- des moyens pour déterminer à partir de la base de données la
rhéologie du fluide dans chaque tronçon à ladite valeur de
température représentative,
- des moyens pour calculer et additionner des pertes de charge dans
chaque tronçon compte tenu de la rhéologie déterminée,
- des moyens pour comparer les pertes de charges obtenues par les
moyens pour calculer et additionner avec ladite pression de
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refoulement mesurée, pour obtenir une valeur d'optimisation; et
des moyens pour optimiser les caractéristiques de circulation du fluide de
forage dans le circuit en se basant sur la valeur d'optimisation.
De préférence, l'invention concerne également un système pour le calcul de
pertes de charge dans un circuit en mettant en oeuvre la méthode décrite ci-
dessus, le
système comprenant des moyens de segmentation du profil thermique le long
du circuit, des moyens de gestion d'une base de données donnant la rhéologie
de différents fluides en fonction de la température et/ou de la pression, des
moyens de calcul des pertes de charge dans chaque tronçon.
La méthode est avantageusement appliquée au calcul des pertes de
charge dans un puits en forage.
La présente méthode est mise en oeuvre pour prendre en compte
l'influence, notamment, des effets thermiques sur la perte de charge au
travers
de la rhéologie du fluide. L'évolution de la température et de la pression
dans
le puits modifie localement la viscosité de la boue et donc les pertes de
charge
engendrées. La précision de l'interprétation de la valeur et des variations de
la
pression de refoulement mesurée à la surface du sol est grandement améliorée.
La présente invention sera mieux comprise et les avantages
apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit des
2o exemples, nullement limitatifs, et illustrés par les figures ci-annexées,
parmi
lesquelles
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les figures lA, 1B et 1C illustrent le principe de la présente
invention,
les figures 2a et 2b montrent plus précisément la procédure de
segmentation,
- la figure 3 schématise le couplage avec une base de données,
la figure 4 montre un exemple de profil thermique dans un puits
onshore utilisé pour traiter un exemple,
la figure 5 montre un exemple de profil thermique dans un puits
offshore.
La représentation des figures 1A, B et C résument le principe de la
méthode. La figure 1A donne le profil de la température (T en C) en fonction
de la profondeur ÇP en mètre). La courbe 1 donne la température géostatique.
A partir de cette donnée locale et des paramètres d'échange thermique dans le
puits (X acier, formation, fluide ; débit de fluide ; géométrie, etc...) on
détermine par un modèle thermique le profil de la température à l'intérieur
des tiges (courbe référencée 2) et à l'extérieur (courbe référencée 3). On
peut
citer, par exemple, le logiciel WELLCAT (marque déposée) de la Société
ENERTECH (USA) qui permet de déterminer ce type de profil thermique dans
un puits en cours de forage. Le profil thermique est ici découpé en tronçons
4,
5, 6, 7, selon la profondeur. On a représenté ici quatre tronçons dont les
températures représentatives sont respectivement Ti, T2, T3 et T4.
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La figure 1B représente symboliquement une base de données sur la
rhéologie du fluide en circulation dans le puits. Pour chaque température Ti,
T2, T3 et T4, on associe un rhéogramme que l'on retrouve dans la base.
La figure 1C schématise la coupe du puits et les différents tronçons de
5 circuits 4, 5, 6 et 7 auxquels correspondent les rhéogrammes déterminés.
Les figures 2a et 2b décrivent plus précisément la méthode pour
segmenter le profil thermique. La figure 2a est identique à la représentation
de la figure 1A et montre la segmentation en quatre tronçons pour lesquels la
température moyenne de chaque tronçon a été choisie comme température
représentative pour le tronçon considéré. La figure 2a est transformée en la
représentation de la figure 2b où, dans chaque tronçon, la température est
considérée comme constante et égale à la température moyenne dans cette
partie.
Le découpage en tronçon peut être fait automatiquement. C'est, de
préférence, un découpage régulier en température et non en longueur. Le profil
thermique peut être coupé tous les 3 C par exemple, ou d'une manière plus
précise, tous les 0,5 C. Ainsi, l'amplitude de température est la même dans
chaque tronçon. L'utilisateur peut choisir en fonction des circonstances
l'intervalle de segmentation.
La température et la pression dans chaque section permet de
déterminer la rhéologie correspondante par l'intermédiaire de la base de
données boue. En première approximation, on peut choisir la pression
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hydrostatique moyenne pour chaque tronçon déterminé par l'intervalle de
température choisi. L'effet de la température est généralement prépondérant
par rapport à la pression en ce qui concerne la variation de rhéologie du
fluide
de forage.
Le calcul de perte de charge se fait alors par tronçon, avec la rhéologie
déterminée pour chaque tronçon, avant d'être sommé pour obtenir la perte de
charge totale dans le circuit.
La figure 3 schématise le calcul et la détermination de la rhéologie avec
la base de données BD. La base de données a été réalisée à partir de familles
de fluides de forage (MF) utilisés sur chantier. Elle comprend des boues à
base
d'eau et des boues à base d'huile. Des mesures expérimentales ont été faites
pour des températures comprises entre 20 C et 170 C, des variations de
pression jusqu'à 400 bars et pour des masses volumiques variables (MW). Un
rhéomètre Fann 70 (HP-HT) est classiquement; utilisé pour effectuer les
mesures permettant de tracer les rhéogrammes.
A partir de la connaissance de la famille de fluide auquel appartient le
fluide de forage considéré (MF), de sa masse volumique (MW), on recherche
dans la base BD les données rhéologiques existantes, correspondantes. Il est
possible de déterminer des lois donnant la variation de la rhéologie par
famille, ou sous famille, de fluide, que ce soit en fonction du paramètre
masse
volumique, pression ou température. L'existence de telles lois simplifiera le
calcul dans le module de calcul de perte de charge.
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Le calcul des pertes de charge peut donc ainsi être réalisé à l'aide d'une
rhéologie du fluide proche de la réalité. Un bouclage sur la valeur de la
pression est possible pour affiner le calcul. En effet, si l'on a pris
initialement
une valeur simplifiée de pression, par exemple, la pression hydrostatique
moyenne du tronçon, le modèle de calcul peut recalculer plus précisément la
pression moyenne, prenant en compte la pression statique et dynamique, qui
sera prise en compte pour la recherche dans la base de données.
Il est clair que la segmentation du profil thermique, telle que décrite
plus haut, peut se faire de façon indépendante entre le circuit intérieur et
le
circuit annulaire. L'invention n'est pas limitée à une découpe en tronçons
identiques de même cote pour le circuit intérieur tiges et le circuit
annulaire.
Exemple:
Un puits test onshore de profondeur 4000m est simulé dans un logiciel
de calcul thermique permettant d'obtenir le profil de température au bout
d'une demi-heure de forage, à partir de l'équilibre de la température du
fluide
avec la température de la formation. La figure 4 donne ce profil de
température T en C en fonction de la profondeur en mètre (abscisse). La
courbe 8 donne la température du fluide dans les tiges en fonction de la
profondeur. La courbe 9 donne la température du fluide dans l'annulaire.
Le circuit est ici constitué par
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- un trou tubé par un casing 13"3/8 (diamètre intérieur :323 mm),
longueur de 3000 m,
un trou de diamètre 12,25 inches (311,15 mm) de 1000 mètres de
long,
- tiges 5"-Grade G, longueur 3820 m,
- masses-tiges 8"(OD=203,2 mm ; ID=72 mm), longueur 180 m.
Si le calcul de la somme des pertes de charge Op est effectué sans
prendre en compte les effets thermiques (c'est à dire à température constante
égale à la température de surface), dans le cas d'une boue à l'eau et d'une
boue
à l'huile, les résultats obtenus sont les suivants :
Boue à l'eau bentonitique F1 : Ap=133,5 bars
Boue à l'huile 01: Ap=223,5 bars
Compte tenu du profil thermique découpé en 23 sections de 4 C
d'amplitude (on a vérifié qu'après 23 sections les résultats sont identiques),
et
l'utilisation de la base de donnée de la rhéologie en température et pression
(pression hydrostatique moyenne dans le tronçon considéré) les résultats sont
Boue à l'eau bentonitique F1 : Op=128,7 bars (écart :4,8 bars -4%)
Boue à l'huile 01: Ap=195,8 bars (écart :27,7 bars =12%)
Un puits test offshore de profondeur 4000m est simulé dans un logiciel
de calcul thermique permettant d'obtenir le profil de température au bout de 5
heures de forage, à partir de l'équilibre de la température du fluide avec la
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température de la formation. La figure 5 donne ce profil de température T en
C en fonction de la profondeur en mètre (abscisse). Les courbes 10 et 11
donnent la température du fluide en fonction de la profondeur respectivement
à l'intérieur des tiges et dans l'annulaire. L'effet de refroidissement du
riser de
forage à travers d'une tranche d'eau de 2000 m est très sensible. Le circuit
en
exemple est exactement le même que celui de l'exemple précédent, si ce n'est
qu'il y a une tranche d'eau de 2000 m, le forage dans le sol ne faisant alors
que
2000 m.
Compte tenu du profil thermique découpé en 23 sections de 0,5 C
d'amplitude, les résultats obtenus sont les suivants:
Boue à l'eau bentonitique F1 : zp=131,3 bars (écart :2,2 bars =1,5%)
Boue à l'huile 01: Op=216,2 bars (écart :7,3 bars =3,5%)
Les écarts sont moindres dans cet exemple car la variation de
température est beaucoup plus faible.
Ces exemples montrent que les effets thermiques et de pression qui
modifient la rhéologie du fluide en circulation correspondent dans certains
cas
critiques à environ 5 à 10% de la somme des pertes de charge. La présente
invention permet notamment d'augmenter d'autant la précision du calcul, ce
qui peut autoriser des comparaisons pertinentes entre la valeur calculée et la
valeur mesurée de la pression de refoulement.
