Contribution à la surveillance d’un processus de forage pétrolier

La dépendance énergétique de l’homme s’est accentuée conjointement aux évolutions sociales, démographiques et technologiques. Elle sera d’autant plus forte que les besoins des populations y sont liés en grande proportion. L’énergie primaire couvre 85 % des besoins mondiaux. Les moyens de transport qui assurent la mobilité des êtres et des matériels sont énergivores et sont principalement dominés par les énergies fossiles (le gaz, le charbon et le pétrole) et nucléaires. Les avantages que procure le pétrole lui permettent de supplanter le charbon en 1960 pour s’imposer en qualité d’énergie bon marché et devenir la première source d’énergie exploitée par l’humanité. Il s’agit de l’avènement d’un monde « pétrolisé ». Cette « pétrolisation » a accompagné, dynamisé et catalysé le développement technologique. Ce qui lui confère un pouvoir d’influence majeur sur les décisions politiques, économiques et environnementales. Le pétrole représente la plus lourde balance commerciale de la planète en qualité et en quantité et joue un rôle considérable sur le flux des devises.

Généralités sur le forage et position du problème 

L’exploration pétrolière ou gazière, que ce soit en mer (offshore) ou sur terre (onshore), nécessite un processus de forage pour extraire la matière et parvenir aux réservoirs d’hydrocarbures. L’acheminement des hydrocarbures impose de connecter les réservoirs à la surface par des canaux reliés à des systèmes de pompage (FIG. 1.1).

La production des hydrocarbures passe par le fonctionnement d’un processus de forage dont le plus répandu dans l’industrie pétrolière se nomme : système de forage rotary (FIG. 1.2). Son fonctionnement dépend de plusieurs organes regroupés en deux sous-ensembles : l’installation et la garniture de forage. L’installation de forage se situe à la surface et sert de support aux instruments nécessaires au pilotage de la garniture. La garniture représente la partie opérative dans le puits. L’application d’une force verticale, sur le trépan, orientée dans la direction du forage est nécessaire pour le déroulement des opérations. Cette action s’effectue parallèlement à la rotation du trépan dont les taillants désagrègent la roche. La progression du forage requiert la circulation continue et en boucle fermée d’un fluide dont l’un des objectifs consiste à évacuer les déblais générés vers la surface. La nécessité de rechercher des gisements d’hydrocarbures dans des milieux de plus en plus profonds conduit à forer des puits qui s’étalent sur plusieurs kilomètres. Cela rend graduel le forage durant lequel plusieurs phases, séparées par la remontée à la surface de la garniture, sont nécessaires. Ces étapes ont pour but de favoriser la maintenance du processus et d’effectuer le tubage et la cimentation de la partie forée. Lorsque les poches contenant les hydrocarbures sont atteintes, les oléoducs ou les gazoducs sont installés afin d’acheminer le pétrole ou le gaz vers la surface. Durant le fonctionnement, les processus de forage sont soumis à des situations pouvant susciter l’apparition des défauts. Parmi les défauts les plus préoccupants et se répertoriant dans le monde du forage on enregistre ceux liés aux systèmes de circulation du fluide et aux trépans. Ces défauts altèrent le fonctionnement du processus et augmentent les coûts de production à cause des arrêts. La compréhension de l’origine et de la nature de ces défauts ainsi que les méthodes envisageables pour les diagnostiquer nous conduisent à consacrer ce chapitre à la description des  différents constituants du processus de forage, aux interactions entre leurs différentes composantes, aux dispositifs physiques délivrant les mesures et aux variables de forage disponibles. Par ailleurs, il existe une batterie de modèles régissant le comportement des efforts lors de l’interaction entre un trépan et une roche. Nous présentons dans ce chapitre celui que nous avons retenu et les raisons qui ont déterminé son exploitation en vue d’élaborer une stratégie de surveillance. Enfin, un état de l’art relatif aux méthodes expliquant les défauts qui se produisent sur les modules à surveiller et le principe de fonctionnement d’une approche de détection et d’isolation des défauts (FDI) seront mentionnés.

Description d’un processus de forage 

Installation de forage

L’installation de forage possède plusieurs modules (FIG. 1.2) : le système hydraulique (pompe et bac à boue), le système d’alimentation (moteurs), les obturateurs, la table de rotation, les réserves des tiges de forage ainsi que le système de suspension qui renferme le derrick.

Système hydraulique
La circulation du fluide dans le processus de forage est assurée par une pompe de circulation. La figure FIG. 1.2 présente une pompe connectée à un bac à boue et disposant d’un tamis pour le filtrage des déblais issus du forage avant la réinjection de ce fluide dans le puits. Plusieurs catégories de pompes de circulation existent dont la pompe à cavités progressives.

La pompe est rotative, volumétrique et constituée d’un engrenage composé de deux éléments hélicoïdaux : le rotor et le stator. La géométrie de l’ensemble comprend plusieurs séries de cavités séparées. La rotation du rotor dans le stator entraîne le déplacement axial du fluide de cavité en cavité, créant ainsi une action de pompage .

Système d’alimentation
Les moteurs électriques ou hydrauliques sont les sources d’alimentation les plus fréquentes dans l’industrie pétrolière. L’énergie produite est transmise sous forme électrique ou mécanique vers les différents constituants de l’installation : la pompe de circulation, le treuil et la table de rotation. La nécessité de réaliser des puits déviés incite l’utilisation des moteurs embarqués afin d’accéder aux poches latérales contenant des hydrocarbures.

Système de rotation
Le système de rotation regroupe une table de rotation (rotary table), une tige d’entraînement (kelly) et une tête d’injection (top drive).

Système de suspension
La tâche dédiée au système de suspension réside dans les déplacements du processus de forage (montée, descente) et dans le contrôle du poids appliqué sur l’outil. Il dispose d’un derrick, pouvant présenter une hauteur de plus de 80 mètres, un crochet et un treuil motorisé. Le derrick représente le point culminant de la plateforme. C’est une tour métallique qui soutient une tige au bout de laquelle se situe le trépan. La tige est rallongée au fur et à mesure que le trépan opère.

Garniture

La garniture désignée aussi par arbre de forage, en raison de la mécanique de liaison qu’elle établit entre la motorisation rotative en surface (table de forage) et le trépan, correspond à la partie opérative dans le puits. Elle effectue plusieurs tâches dont la transmission de l’énergie nécessaire à la désagrégation de la roche, le guide et le contrôle de la trajectoire du puits, la transmission de la force de poussée ainsi que la circulation du fluide. Elle est constituée essentiellement des masses tiges (Drill Collars) et des trains de tiges (Dill pipes). A cela se greffent des accessoires tels que les stabilisateurs des masses tiges, les amortisseurs de choc, les systèmes de mesures etc.

• Trains de tiges (Drill pipes)
Ils sont constitués de tuyaux en acier enchevêtrés les uns aux autres et pouvant s’étaler à des milliers de mètres. Ils transmettent le couple au trépan et servent de support aux masses tiges.

• Masses tiges (Drill Collars)
Les masses tiges sont des tubes en acier se situant au-dessus des trains de tiges. Elles contribuent à la création du poids agissant sur le trépan et sont soumises à plusieurs contraintes engendrées par le diamètre du trépan, la production des pertes de charge minimales, la résistance au flambage et la rigidité.

Assemblage de fonds (Bottom Hole Assembly) 

L’assemblage de fond, Bottom Hole Assembly (BHA), correspond à la partie inférieure de la garniture de forage et renferme les trains de tiges, les stabilisateurs ainsi que le trépan. Sa longueur fluctue entre 100 et 300 mètres et dépend de la pression envisagée.

• Stabilisateurs
Ils se situent dans la garniture de forage et plus particulièrement dans les masses tiges et facilitent le contrôle de la trajectoire du trépan.

• Mesures pendant le forage (Measurement While Drilling, MWD)
De nombreux systèmes permettant l’acquisition des mesures sont incorporés dans le processus de forage et conditionnent le bon déroulement des opérations. Ils assurent la transmission des informations, pendant le forage, vers la surface. Les systèmes de mesures MWD sont transportés dans les puits en étant soit intégrés dans l’assemblage de fond soit embarqués dans les masses tiges. Ils délivrent les mesures relatives aux natures des roches, aux pressions dans le puits, aux températures, aux vibrations, aux chocs, aux couples etc…Quelques mesures peuvent être enregistrées dans les systèmes MWD et les autres sont transférées à la surface en utilisant le système télémétrique modulé par la boue ou d’autres sources de transmissions de données. Ces appareils de mesures ont révolutionné le monde du forage directionnel en permettant au processus de forage de se munir d’accéléromètres et de magnétomètres fournissant à la surface les inclinaisons et les azimuts des puits. Les mesures suivantes sont transmises par les systèmes MWD :
✦ la vitesse de rotation des trains de tiges et donc du trépan ;
✦ les types et sévérités des vibrations ;
✦ la température dans le puits ;
✦ le couple et le poids agissant sur le trépan (T et W) ;
✦ le débit du fluide de forage.

L’augmentation de la fréquence d’acquisition de ces mesures permet d’effectuer en temps-réel un pilotage fin de la garniture de forage. La majorité des dispositifs MWD intègre ou est en liaison avec des dispositifs nommés digraphes pendant le forage (Logging While Drilling, LWD). Ils fournissent des mesures décrivant les propriétés de la formation et caractérisant des informations géologiques telles que, la porosité, la résistivité, l’inclinaison, la résonance magnétique, la pression de la formation etc…

Table des matières

Introduction
Chapitre 1. Généralités sur le forage et position du problème
1.1 Introduction
1.2 Description d’un processus de forage
1.2.1 Installation de forage
1.2.2 Garniture
1.2.3 Assemblage de fonds (Bottom Hole Assembly)
1.2.4 Méthodes de transmission des données
1.3 Progression du forage
1.3.1 Système de circulation du fluide
1.3.2 Trépans
1.4 Variables de forage
1.4.1 Facteurs mécaniques
1.4.2 Facteurs hydrauliques
1.5 Défauts possibles et modules à surveiller
1.5.1 Etat de l’art sur l’encrassement
1.5.2 Modèle d’interaction entre un trépan et une roche
1.5.3 Modèles de Detournay
1.5.4 Modèle d’un outil coupant
1.5.5 Energie spécifique E et résistance au forage S
1.5.6 Modèle d’interaction entre un trépan et une roche
1.5.7 Processus de coupe
1.5.8 Processus de frottement
1.5.9 Trépan lors de l’action de coupe
1.6 Défauts possibles sur le circuit hydraulique
1.7 Diagnostic de défauts sur les processus industriels
1.7.1 Introduction
1.7.2 Modules d’un système de surveillance
1.7.3 Méthodes de détection des défauts
1.7.4 Méthodes de détection des défauts développées
1.7.5 Estimateurs paramétriques
1.8 Approches de surveillance envisagées
1.8.1 Détection de l’encrassement
1.8.2 Détection de l’obturation
1.9 Conclusions
Chapitre 2. Surveillance par Identification
2.1 Introduction
2.2 Moindres Carrés Récursifs avec un Facteur d’Oubli
2.3 Moindres Carrés Récursifs avec un Facteur d’Oubli Variable
2.3.1 Méthode du gradient
2.3.2 Adaptation du facteur d’oubli suivant la méthode du gradient
2.3.3 Gradient de l’erreur quadratique dans l’espace des facteurs d’oubli
2.4 Moindres Carrés Récursifs avec un Facteur d’oubli et un pas variables
2.4.1 Evaluation des performances de l’algorithme avec des données simulées
2.4.2 Validation sur des données simulées
2.4.3 Evolution des pentes
2.4.4 Influence des conditions initiales
2.4.5 Evolution des facteurs d’oublis
2.4.6 Evolution du pas d’apprentissage
2.4.7 Evolution des erreurs quadratiques moyennes
2.5 Rappel sur la stabilité au sens de Lyapunov
2.5.1 Généralités
2.5.2 Stabilité
2.5.3 Stabilité asymptotique
2.5.4 Stabilité asymptotique globale
2.6 Deuxième méthode de Lyapunov
2.6.1 Théorèmes de stabilité
2.7 Stabilité par la seconde méthode de Lyapunov
2.8 Analyse de stabilité
2.8.1 Valeur maximum du pas
2.8.2 Evaluation des performances des moindres carrés récursifs avec un pas d’apprentissage adaptatif
2.8.3 Conclusions
Chapitre 3. Filtres particulaires
3.1 Introduction
3.2 Position du problème
3.3 Filtre de Kalman
3.4 Filtres particulaires pour le FDI
3.5 Utilisation des méthodes de Monte Carlo
3.5.1 Echantillonnage de Monte Carlo
3.5.2 Echantillonnage d’importance
3.5.3 Algorithme d’acceptation ou rejet
3.6 Statistique et estimation bayésienne
3.6.1 Statistique bayésienne
3.6.2 Estimation bayésienne récursive
3.7 Echantillonnage d’importance bayésien
3.7.1 Echantillonnage pondéré séquentiel
3.7.2 Distribution d’importance adéquate
3.7.3 Technique du ré-échantillonnage
3.7.4 Echantillonnage pondéré séquentiel avec ré-échantillonnage (ISR)
3.8 Variantes des filtres particulaires
3.9 Généralités sur les modèles à saut
3.10 Filtre particulaire rao-blackwellisé
3.10.1 Généralités
3.10.2 Fonctionnement du filtre particulaire rao-blackwellisé
3.11 Conclusions
Conclusion

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