Effet de la taille des bulles sur la rétrodiffusion des ultrasons par les nuages ​​de bulles dans le contexte de la détection des coups de gaz dans les forages

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11825 (2023) Citer cet article

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La détection précoce de l’afflux de gaz dans les forages pendant le forage présente un intérêt considérable pour les opérateurs de forage. Plusieurs études suggèrent une bonne corrélation entre la rétrodiffusion/atténuation des ultrasons et la fraction volumique de gaz (GVF) dans les boues de forage, et proposent ainsi des méthodes de quantification du GVF dans les forages. Cependant, les études mentionnées ci-dessus négligent l’influence de la taille des bulles, qui peut varier considérablement dans le temps. Cet article propose un modèle pour combiner les théories existantes sur la rétrodiffusion des ultrasons à partir des bulles en fonction de leur taille, à savoir. Diffusion Rayleigh pour les petites bulles et réflexion spéculaire pour les bulles plus grosses. Le modèle proposé est démontré à l'aide de simulations et d'expériences, où la rétrodiffusion des ultrasons est évaluée à partir de nuages ​​de bulles de différentes tailles. Il est démontré que la taille et le nombre de bulles influencent fortement l'intensité de la rétrodiffusion des ultrasons et qu'ils ne sont corrélés au GVF que lorsque la distribution de la taille des bulles est connue. Les informations sur la taille des bulles sont difficiles à obtenir sur le terrain, ce qui entraîne la rupture de cette corrélation. Par conséquent, il est difficile d’appliquer de manière fiable des méthodes basées sur la rétrodiffusion des ultrasons, et par extension sur leur atténuation, pour la quantification du GVF lors d’événements d’afflux dans un forage. Ces méthodes peuvent cependant être appliquées comme détecteurs très sensibles de bulles de gaz pour GVF \(\ge\)1 vol\(\%\).

Le forage de trous de forage à travers la formation souterraine est nécessaire pour l’extraction d’hydrocarbures des réservoirs souterrains de pétrole et de gaz, le développement des ressources d’énergie géothermique et le captage et le stockage du carbone. La pression de la boue de forage dans le trou de forage est généralement maintenue à un niveau légèrement supérieur à la pression de formation. Cependant, certains événements au cours du forage peuvent faire chuter la pression du trou de forage en dessous de la pression de formation, provoquant un afflux involontaire de fluide de formation dans le trou de forage. De tels événements sont appelés « coups de pied », et la détection précoce des coups de pied est souvent cruciale pour la sécurité des opérations de forage. Dans le pire des cas, une réponse tardive à un coup de pied peut dégénérer en une libération incontrôlée d'hydrocarbures à la surface, connue sous le nom d'« éruption ».

La pression et la température de la formation augmentent généralement avec la profondeur verticale, et pour les forages profonds, des valeurs de 10 000 psi et 150 \(^{\circ }\)C ne sont pas rares. Dans ces conditions, des afflux de gaz ou de condensats de gaz existent à l’état supercritique de la matière, et donc leur masse et leur densité sont plus proches de celles de leurs états liquides. Les gaz d'afflux augmentent de volume à mesure qu'ils montent dans le trou de forage, vers la surface, à mesure que la pression et la température chutent en dessous de leurs points critiques. En fonction de la profondeur de forage, l'afflux de gaz peut mettre plusieurs minutes à monter jusqu'à ce point où il peut devenir détectable dans les paramètres du processus de forage, si la quantité de gaz dans la boue est suffisamment importante. La faible sensibilité de la détection entrave la capacité des exploitants de puits à lancer des mesures correctives en temps opportun. La solubilité du gaz dans la boue de forage complique encore ce phénomène1,2,3. Dans le forage de gaz peu profond où la profondeur est généralement < 1 000 m, le gaz entrant envahit le trou de forage directement à l'état gazeux et même une petite masse d'afflux se manifeste par un changement important de volume de la boue de forage dans le trou de forage. Par conséquent, le délai entre l’afflux réel et sa manifestation en surface est très court, ce qui signifie que les exploitants de puits disposent d’un laps de temps très court pour mener des actions efficaces4. Par conséquent, la détection précoce de l’afflux de gaz dans la boue de forage pendant le forage présente un intérêt considérable pour les opérateurs de forage du point de vue de la sécurité et de l’efficacité du forage.

Les méthodes actuellement utilisées dans le domaine pour la détection des coups de gaz impliquent la surveillance du débit volumique de la boue de forage de retour, qui augmentera régulièrement si du gaz est présent dans la boue de retour. Cependant, la sensibilité de cette méthode est généralement très faible. Une autre méthode courante consiste à mesurer le débit massique dans la conduite de retour de boue à l'aide de débitmètres Coriolis, mais elle nécessite que la conduite de boue soit entièrement chargée de gaz pour une mesure précise5,6, ce qui implique une faible sensibilité. La diagraphie avancée de la boue utilisant la chromatographie en phase gazeuse est également utilisée pour la détection des rejets de gaz, entre autres, par l'analyse de la composition du gaz dans la conduite de retour de la boue7. Récemment, des techniques d’apprentissage automatique ont été développées pour être utilisées sur des enregistrements avancés de gaz de boue en vue de leur évaluation rapide8. Ces méthodes sont cependant limitées à une utilisation en surface car elles reposent sur des instruments sophistiqués pour l’analyse. Cela peut entraîner un retard important dans l'information en fonction de la profondeur du puits, du diamètre et du taux de circulation de la boue de forage.