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CA 02641395 2008-10-14
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
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- 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 oeuvre 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 oeuvre 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
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- 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
indépendant-e 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:
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= 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
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
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
forage dans le trou de drainage en cours de percement
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- 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
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
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 ;
= 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
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
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
étapes d'un procédé de production de gaz naturel selon
l'invention.
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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.
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Le dispositif d'autopropulsion 18 permet la
progression de la tête de forage dans le trou de drainage
et le maintien en place de ladite tête de forage 14
pendant l'opération de forage dudit trou de drainage 10 par
5 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
10 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
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- 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.
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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.
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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.
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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
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
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
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
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
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
moteur électrique 35 installé à l'arrière du dispositif
d'autopropulsion 18.
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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
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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
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
équivalent.
