EP1144804B1 - Procede de detection d'une venue de fluide de formation dans un puits en cours de forage et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede - Google Patents

Procede de detection d'une venue de fluide de formation dans un puits en cours de forage et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procede Download PDF

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EP1144804B1
EP1144804B1 EP99961157A EP99961157A EP1144804B1 EP 1144804 B1 EP1144804 B1 EP 1144804B1 EP 99961157 A EP99961157 A EP 99961157A EP 99961157 A EP99961157 A EP 99961157A EP 1144804 B1 EP1144804 B1 EP 1144804B1
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EP
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mud
thermal equilibrium
heat flow
loaded
drilling
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EP99961157A
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EP1144804A1 (fr
Inventor
Thierry Botrel
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Elf Exploration Production SAS
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Elf Exploration Production SAS
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/10—Locating fluid leaks, intrusions or movements
    • E21B47/103—Locating fluid leaks, intrusions or movements using thermal measurements

Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting comings of formation fluids in a well being drilled, as well as a device for the implementation of this process.
  • a drilling installation comprises a drill string hollow cylindrical arranged inside a casing, provided at its lower end of a drilling tool and coupled at its upper part to a drive device in rotation.
  • the installation also includes a tube extension that connects the upper part of the casing to the surface equipment.
  • the mud injected inside the drill string is loaded with rock cuttings formed by the action of the tool drilling on the formation, goes up in the annular space defined by the drill string on the one hand and the casing extended by the extension tube and the wall of the hole in drilling on the other hand and then returns to the storage tanks after removal of spoil.
  • a known method for detecting the inflow of fluids in the well in drilling is to measure the difference between the flow of fresh mud injected and the flow of charged sludge which rises and then compare this difference to a predetermined threshold. Exceeding this threshold signifying an inflow of fluid.
  • This difference in flow is generally determined indirectly at from the measurement of the level of the mud in the corrected storage tanks known additions of fluids to the mud, such as chemicals, and variations in the volume of mud in the well linked to equipment maneuvers.
  • This determination is also affected by the loss of mud in a part of the training that can mask or delay the variation of the difference between the flow of fresh mud and the flow of charged mud resulting from the coming of fluids in the well, the difference that is the basis of the detection.
  • the object of the present invention is precisely to remedy these disadvantages and in particular of providing a detection method and device early arrival of formation fluid in a well during drilling.
  • This method and this device can be used for the detection of comings of fluids in the form of liquid or gaseous hydrocarbons, or water, during drilling on land or at sea, this detection making it possible to take measures to stop the development of these events or minimize their effects.
  • the characteristic representative of thermal equilibrium is the rate of change of heat flux circulating between fresh mud and loaded mud through the wall of the train stems, at a given depth.
  • the characteristic representative of thermal equilibrium is the difference between the instantaneous value and a sliding time average value of the heat flux circulating between the sludge fresh and the mud loaded through the wall of the drill string, to a depth given.
  • the present invention provides a a process which also consists, in case of detection of a variation in the characteristic, greater than a threshold, to transmit a signal to said system indicative of said detection so that it generates an alarm.
  • the characteristic characteristic of thermal equilibrium is the rate of variation of the heat flow circulating between the fresh mud and the charged mud through the wall of the drill string, at a given depth.
  • the representative characteristic of thermal equilibrium is the difference between the instantaneous value and a sliding time average value of the heat flux circulating between fresh mud and loaded mud through the wall of the train stems, at a given depth.
  • said device comprises transmission means connected to the output of the processing means, to transmit to the said system the signal indicative of a coming of fluid, so that said system generates an alarm.
  • the characteristic characteristic of thermal equilibrium is the rate of variation of the heat flow circulating between the charged mud and the sea water through the wall of the extension tube, at a given depth.
  • the representative characteristic of thermal equilibrium is the difference between the instantaneous value and a sliding time average value of the heat flux flowing between charged mud and seawater through the wall of the tube extension, to a given depth.
  • the characteristic characteristic of thermal equilibrium is the rate of variation of the measured heat flux.
  • the representative characteristic of thermal equilibrium is the difference between the instantaneous value and the sliding average value of the measured heat flux.
  • the drilling installation being conducted from a control system, it comprises transmission means connected to the output of the processing means, to transmit to the said system the signal indicative of a coming of fluid, so that said system generates an alarm.
  • FIG. 1 represents an oil well 1 underwater during drilling, realized by means of an installation which includes, a floating platform 2 which supports a train 3 of rods, consisting of cylindrical tubes screwed end to end, provided at its lower end of a drilling tool 4 and at its upper part of a head 13 injection.
  • the train 3 of rods is rotated by means not shown in Figure 1, mounted on platform 2.
  • a mud pump 10 sucks fresh mud stored in a tank 8 at through a suction pipe 11 and discharges this mud into the head 13 injection.
  • the well being drilled has a casing 5 extended in its part upper by an extension tube 6 and at its lower part by the wall of the hole 5a in progress.
  • the extended casing 5 surrounds the train 3 with rods for form an annular space 7, the upper part of which is connected by a line 9 to tank 8.
  • the fresh mud discharged by the pump 10 into the injection head 13 is injected inside the train 3 of rods in which it flows from top to bottom and crosses the drilling tool 4 is loaded with cuttings, then goes back up into space 7 annular and returns via line 9 to the storage tank 8.
  • the device for detecting the arrival of formation fluid in the well 1 includes a sensor 14 for measuring heat flow mounted against the wall external of the drill string 3 in the lower part of the annular space 7 to 10 meters above the drilling tool 4.
  • the sensor 14 delivers on an output 15 a signal representative of the flow which flows between the fresh mud and the loaded mud through the internal and external walls of the drill string, at its mounting point.
  • the flow thermal measured by the sensor 14 is the quantity of heat exchanged by the sludge charged which circulates in the annular space 7, with the fresh mud injected into the inside of the drill string 3, by means of said drill string, per unit of time and per unit area of the external wall of the string 3 of rods, it is expressed by example in Watt per cm2.
  • This rupture causes a variation in the heat flux measured by means of the sensor 14.
  • the output 15 of the sensor 14 is connected to an input of the means 16 of calculation of the speed of variation of the heat flux measured by the sensor 14 which deliver on an output 17 a signal representative of the derivative with respect to time of the measured heat flux.
  • the heat flux measured by the sensor 14 is substantially constant, its derivative with respect to time is therefore very small.
  • the flow temperature measured by the sensor 14 varies and its derivative with respect to time becomes strongly negative and exceeds the value of the predetermined threshold.
  • the filtering of the signal delivered by the means 16 prior to the comparison is a classic operation which aims to eliminate non-variation significant of fluid inflows.
  • the threshold value is determined on site according to the conditions of drilling such as the thermal gradient, the nature of the fluids, the depth, drilling diameter, flow rate of drilling fluid.
  • the signal delivered on the output 19 by the processing means 18 is therefore indicative of a formation fluid coming into the well.
  • the output 19 of the processing means is connected to an input of means transmission comprising a transmitter module 20 placed near the sensor 14 and a receiver module 21 placed at the upper part of the annular space 7.
  • the module 21 delivers on an output 22 an image signal of the signal delivered on the output 19 by the processing means 18.
  • a control system 23 for controlling the drilling installation connected to the output 22 of receiver module 21, generates an alarm in the form of a message displayed on a driving console to warn of a coming of fluid in the well, an operator of the drilling installation, who will operate the shutters of safety devices not shown in Figure 1.
  • the command and control system 23 can also act on the installation by example by operating the emergency stop devices to limit the effects of coming of fluid that has been detected.
  • a variant of the invention consists in transmitting the signal delivered by the sensor 14, by transmission means suitable for calculation means and processing means installed on the platform.
  • the sensor 14, the calculation means, the processing means and the transmission means can advantageously be mounted on a cuff which will be inserted between two tubes of the drill string.
  • This cuff can simultaneously support a usual system for measuring other parameters during drilling such as pressure, inclination the weight on the tool.
  • a variant of the embodiment of the invention described above consists in mounting two devices for detecting the arrival of training fluids on the outer wall of the drill string at different depths and to be measured the time interval between the detection of a fluid arrival by each of the two devices.
  • the interval thus measured gives an indication of the nature of the coming. Indeed, an arrival of gas propagating faster than an arrival of liquid, the time interval measured in the first case will be shorter than that measured in the second.
  • FIG 2 shows a timing diagram of the main signals involved in the device of the invention shown in Figure 1.
  • F represents the evolution of the heat flux measured by means of the sensor 14 as a function of time, an inflow of fluid into the well appearing at time to.
  • dF / dT represents the speed of variation of the heat flux measured in function of time
  • S is the value of the predetermined threshold whose exceeding allows to detect a coming of fluid.
  • Sg represents the signal delivered by the processing means, indicative of a fluid coming into the well.
  • the invention it is possible to detect early a coming of formation fluid in a well being drilled in the form of hydrocarbons gaseous and / or liquid, and / or water without risk of delay or masking by loss of mud in training and at lower cost
  • the method and device of the invention are insensitive to the movements of the platform and to variations in the volume of the extension tube, and in all cases the presence of cuttings in the loaded mud.

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Description

DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de détection de venues de fluides de formation dans un puits en cours de forage, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Elle trouve son application sur les installations de forage de puits notamment pétroliers à terre ou en mer.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Les venues de fluides de formation et notamment d'hydrocarbures gazeux dans un puits qui se produisent en cours de forage ou d'opérations sont des phénomènes qu'il convient de détecter le plus précocement possible afin d'en faciliter le contrôle pour en minimiser les conséquences telles que des éruptions incontrôlées pouvant entraíner des incendies, des pollutions, la déstabilisation ou la perte du puits.
Le besoin de détecter précocement les venues s'est amplifié avec le développement des forages de puits dans des conditions de plus en plus difficiles, telles que celles rencontrées dans les forages de puits à haute pression et haute température, ainsi que dans les forages de puits sous-marins par très grande profondeur d'eau.
Classiquement une installation de forage comporte un train de tiges cylindrique creux disposé à l'intérieur d'un cuvelage, muni à son extrémité inférieure d'un outil de forage et couplé à sa partie supérieure à un dispositif d'entraínement en rotation.
Pour les forages en mer l'installation comporte en plus un tube prolongateur qui relie la partie supérieure du cuvelage aux équipements de surface.
Pendant le forage de la boue fraíche stockée dans des bacs est injectée à l'intérieur du train de tiges par une pompe à boue.
Après passage à travers l'outil de forage, la boue injectée à l'intérieur du train de tiges se charge avec des déblais de roches formés par l'action de l'outil de forage sur la formation, remonte dans l'espace annulaire défini par le train de tiges d'une part et le cuvelage prolongé par le tube prolongateur et la paroi du trou en cours de forage d'autre part, puis retourne dans les bacs de stockages après élimination des déblais.
Une méthode connue de détection des venues de fluides dans le puits en cours de forage consiste à mesurer la différence entre le débit de boue fraíche injectée et le débit de boue chargée qui remonte puis à comparer cette différence à un seuil prédéterminé. Un dépassement de ce seuil signifiant une venue de fluide.
Cette différence de débit est généralement déterminée indirectement à partir de la mesure du niveau de la boue dans les bacs de stockage corrigée des ajouts connus de fluides à la boue, tels que des produits chimiques, et des variations de volume de boue dans le puits liées à des manoeuvres d'équipements.
Cette détermination est aussi affectée par la perte de boue dans une partie de la formation qui peut masquer ou retarder la variation de la différence entre le débit de la boue fraíche et le débit de la boue chargée résultant des venues de fluides dans le puits, différence qui est à la base de la détection.
La précision d'une telle détermination, est donc très médiocre et insuffisante pour détecter efficacement et précocement, les venues de fluide dans les puits.
Dans le cas d'un forage par très grande profondeur d'eau, cette précision est encore plus mauvaise, du fait des mouvements du support marin flottant qui supporte les installations de forages et du fait des variations cycliques du volume du tube prolongateur dues au pilonnement du support. Cette mauvaise précision est d'autant plus gênante dans ce cas, que la pression de fracturation des formations au point fragile du puits, diminue le volume maximal admissible d'une venue de fluide sans risque de perte du puits.
Une autre méthode de détection d'une venue de fluide de formation est décrite dans le document US 4,733,232 du 22.03.1982. Elle consiste à moduler le débit de boue de forage à proximité du fond du puits et à comparer les impulsions de pression qui sont réfléchies à la fois dans le train de tiges et dans l'espace annulaire. Le rapport des impulsions réfléchies étant modifié par une venue de gaz qui change la densité de la boue qui remonte dans l'espace annulaire, cette modification est détectée par un calculateur et utilisée comme signal d'alarme.
Une autre méthode de détection d'une venue de fluide de formation est décrite dans le document EP 621 397 du 25.06.1991. Elle consiste à analyser des vibrations émises dans la boue à l'entrée du train de tiges et les vibrations captées à la partie supérieure de l'espace annulaire. Ces dernières vibrations résultant de la propagation à l'intérieur du train de tiges et dans l'espace annulaire, des vibrations émises, sont affectées par les variations des caractéristiques de la boue qui changent avec les venues de fluides de formation dans le puits. La comparaison au moyen d'un analyseur des vibrations émises et des vibrations captées permet de détecter les venues de fluides de formation.
Ces deux dernières méthodes sont sensibles aux déblais entraínés par la boue qui remonte dans l'espace annulaire et peuvent dans certains cas être inopérantes du fait de l'importance des réflexions des vibrations sur les particules de roches de formation qui constituent les déblais.
De plus, leur mise en oeuvre nécessite l'utilisation d'équipements coûteux.
Une autre méthode de détection d'une venue de fluide de formation est décrite dans le document US 4,802,143. Elle consiste à mesurer des variations de conductivité thermique à l'aide d'un capteur monté dans une cavité au fond d'un puits et de déterminer la présence de fluides indésirables en concentrations supérieures à un seuil fixé.
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention a justement pour objet de remédier à ces inconvénients et notamment de fournir un procédé et un dispositif de détection précoce d'une venue de fluide de formation dans un puits en cours de forage.
Ce procédé et ce dispositif sont utilisables pour la détection de venues de fluides sous forme d'hydrocarbures liquides ou gazeux, ou d'eau, au cours de forages en terre ou en mer, cette détection permettant de prendre des mesures pour stopper le développement de ces venues ou en minimiser les effets.
A cette fin, la présente invention propose un procédé de détection d'une venue de fluide de formation dans un puits en cours de forage, ledit forage consistant à réaliser un trou dans une formation, au moyen d'une installation comportant un train de tiges cylindrique creux, disposé à l'intérieur d'un cuvelage et dans lequel est injectée de la boue fraíche, ledit train de tiges, ledit cuvelage et la paroi du trou en cours de réalisation définissant un espace annulaire par lequel remonte de la boue chargée, lequel procédé se caractérise en ce qu'il consiste :
  • à mesurer en continu le flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train de tiges, à une profondeur donnée,
  • à calculer en continu à partir dudit flux thermique, la valeur d'une caractéristique représentative d'un équilibre thermique s'établissant en l'absence d'une venue de fluide de formation, entre la boue fraíche circulant à l'intérieur du train de tiges et la boue chargée remontant dans l'espace annulaire, et
  • à détecter des variations supérieures à un seuil, de la valeur de ladite caractéristique, lesdites variations traduisant une rupture dudit équilibre thermique résultant de venues de fluide de formation dans le puits.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la vitesse de variation du flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train de tiges, à une profondeur donnée.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la différence entre la valeur instantanée et une valeur moyenne temporelle glissante du flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train de tiges, à une profondeur donnée.
L'installation de forage étant conduite à partir d'un système de contrôle commande, selon une autre caractéristique, la présente invention propose un procédé qui consiste en plus, en cas de détection d'une variation de la caractéristique, supérieure à un seuil, à transmettre au dit système un signal indicatif de ladite détection pour qu'il génère une alarme.
La présente invention a aussi pour objet un dispositif de détection d'une venue de fluide de formation dans un puits en cours d'un forage, ledit forage consistant à réaliser un trou dans une formation au moyen d'une installation comportant un train de tiges cylindrique creux, disposé à l'intérieur d'un cuvelage et dans lequel est injecté de la boue fraíche, ledit train de tiges, ledit cuvelage et la paroi du trou en cours de réalisation définissant un espace annulaire par lequel remonte de la boue chargée, lequel dispositif se caractérise en ce qu'il comporte :
  • au moins un capteur de mesure du flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train de tiges, à une profondeur donnée, capteur qui fournit un signal de mesure dudit flux thermique sur une sortie,
  • des moyens de calcul, reliés à la sortie dudit capteur, pour calculer à partir flux thermique mesuré, la valeur d'une caractéristique représentative d'un équilibre thermique s'établissant en l'absence d'une venue de fluide de formation, entre la boue fraíche circulant à l'intérieur du train de tiges et la boue chargée remontant dans l'espace annulaire, et
  • des moyens de traitement, reliés à une sortie des moyens de calcul, pour :
    • détecter les variations de la valeur de ladite caractéristique, supérieures à un seuil, lesdites variations traduisant une rupture dudit équilibre thermique résultant d'une venue de fluide de formation dans le puits, et
    • délivrer un signal indicatif d'une venue de fluide sur une sortie.
Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la vitesse de variation du flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train de tiges, à une profondeur donnée.
Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la différence entre la valeur instantanée et une valeur moyenne temporelle glissante du flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train de tiges, à une profondeur donnée.
Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, l'installation de forage étant conduite à partir d'un système de contrôle commande, ledit dispositif comporte des moyens de transmission reliés à la sortie des moyens de traitement, pour transmettre au dit système le signal indicatif d'une venue de fluide, pour que ledit système génère une alarme.
La présente invention a aussi pour objet un second procédé de détection d'une venue de fluide de formation dans un puits sous-marin en cours de forage, ledit forage étant réalisé au moyen d'une installation comportant un train de tiges cylindrique creux, disposé à l'intérieur d'un cuvelage prolongé par un tube prolongateur s'étendant dans l'eau entre le fond de la mer et la surface, de la boue fraíche étant injectée dans ledit train de tiges qui forme avec ledit cuvelage et ledit tube prolongateur un espace annulaire par lequel remonte de la boue chargée, lequel procédé se caractérise en ce qu'il consiste :
  • à mesurer en continu le flux thermique circulant entre la boue chargée et l'eau de mer au travers de la paroi du tube prolongateur, à une profondeur donnée,
  • à calculer en continu à partir du flux thermique mesuré, la valeur d'une caractéristique représentative d'un équilibre thermique s'établissant en l'absence d'une venue de fluide de formation, entre l'eau de mer et la boue chargée remontant dans l'espace annulaire, et
  • à détecter des variations supérieures à un seuil, de la valeur de ladite caractéristique, lesdites variations traduisant une rupture dudit équilibre thermique résultant de venues de fluide de formation dans le puits.
Selon une autre caractéristique du second procédé de l'invention, la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la vitesse de variation du flux thermique circulant entre la boue chargée et l'eau de mer au travers de la paroi du tube prolongateur, à une profondeur donnée.
Selon une autre caractéristique du second procédé de l'invention, la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la différence entre la valeur instantanée et une valeur moyenne temporelle glissante du flux thermique circulant entre la boue chargée et l'eau de mer au travers de la paroi du tube prolongateur, à une profondeur donnée.
L'invention a aussi pour objet un second dispositif de détection d'une venue de fluide de formation dans un puits sous marin en cours d'un forage, ledit forage étant réalisé au moyen d'une installation comportant un train de tiges cylindrique creux, disposé à l'intérieur d'un cuvelage prolongé par un tube prolongateur s'étendant dans l'eau entre le fond et la surface de la mer, de la boue fraíche étant injectée dans ledit train de tiges qui forme avec ledit cuvelage et ledit tube prolongateur un espace annulaire par lequel remonte de la boue chargée, lequel dispositif se caractérise en ce qu'il comporte :
  • au moins un capteur de mesure d'une grandeur physique représentative du fonctionnement du puits, qui fournit un signal de mesure de grandeur physique sur une sortie,
  • des moyens de calcul, reliés à la sortie du capteur d'une grandeur physique, pour calculer à partir de ladite grandeur physique, la valeur d'une caractéristique représentative d'un équilibre thermique s'établissant en l'absence d'une venue de fluide de formation, entre l'eau de mer et la boue chargée remontant dans l'espace annulaire, et
  • des moyens de traitement, reliés à une sortie des moyens de calcul, pour :
    • détecter les variations de la valeur de ladite caractéristique, supérieures à un seuil, lesdites variations traduisant une rupture dudit équilibre thermique résultant d'une venue de fluide de formation dans le puits, et
    • délivrer un signal indicatif d'une venue de fluide sur une sortie.
Selon une autre caractéristique du second dispositif de l'invention, la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la vitesse de variation du flux thermique mesuré.
Selon une autre caractéristique du deuxième dispositif de l'invention, la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la différence entre la valeur instantanée et la valeur moyenne glissante du flux thermique mesuré.
Selon une autre caractéristique du deuxième dispositif de l'invention, l'installation de forage étant conduite à partir d'un système de contrôle commande, il comporte des moyens de transmission reliés à la sortie des moyens de traitement, pour transmettre au dit système le signal indicatif d'une venue de fluide, pour que ledit système génère une alarme.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'un mode réalisation donné à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
  • la figure 1 représente schématiquement une installation de forage d'un puits pétrolier en eau profonde équipé d'un dispositif de détection de venue de fluide de formation conforme au descriptif de l'invention.
  • la figure 2 est un chronogramme des signaux essentiels intervenant dans le dispositif de la figure 1.
EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION
La figure 1 représente un puits 1 pétrolier sous marin en cours de forage, réalisé au moyen d'une installation qui comprend, une plate-forme 2 flottante qui supporte un train 3 de tiges, constitué de tubes cylindriques vissés bout à bout, muni à son extrémité inférieure d'un outil 4 de forage et à sa partie supérieure d'une tête 13 d'injection. Le train 3 de tiges est entraíné en rotation par des moyens non représentés sur la figure 1, montés sur la plate-forme 2.
Une pompe 10 à boue aspire de la boue fraíche stockée dans un bac 8 au travers d'une tubulure 11 d'aspiration et refoule cette boue dans la tête 13 d'injection.
Le puits en cours de forage comporte un cuvelage 5 prolongé à sa partie supérieure par un tube 6 prolongateur et à sa partie inférieure par la paroi du trou 5a en cours de réalisation. Le cuvelage 5 prolongé entoure le train 3 de tiges pour former un espace annulaire 7 dont la partie supérieure est reliée par une canalisation 9 au bac 8.
La boue fraíche refoulée par la pompe 10 dans la tête 13 d'injection est injectée à l'intérieur du train 3 de tiges dans lequel elle circule de haut en bas et traverse l'outil 4 de forage se charge en déblais, puis remonte dans l'espace 7 annulaire et revient par la canalisation 9 dans le bac de stockage 8.
Le dispositif de détection d'une venue de fluide de formation dans le puits 1 selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention représenté sur la figure 1, comporte un capteur 14 de mesure de flux thermique monté contre la paroi externe du train 3 de tiges dans la partie inférieure de l'espace annulaire 7 à 10 mètres au dessus de l'outil 4 de forage.
Le capteur 14 délivre sur une sortie 15 un signal représentatif du flux thermique qui s'écoule entre la boue fraíche et la boue chargée au travers des parois interne et externe du train de tiges, en son point de montage. Le flux thermique mesuré par le capteur 14 est la quantité de chaleur échangée par la boue chargée qui circule dans l'espace 7 annulaire, avec la boue fraíche injectée à l'intérieur du train 3 de tiges, par l'intermédiaire dudit train de tiges, par unité de temps et par unité de surface de la paroi externe du train 3 de tiges, il s'exprime par exemple en Watt par cm2.
La boue chargée qui remonte dans l'espace 7 annulaire ayant été en contact avec la formation forée, a une température différente de celle de la boue fraíche qui descend à l'intérieur du train 3 de tiges.
Du fait de cette différence de température, un flux thermique circule entre les deux boues, radialement au travers du train de tiges.
Lorsque les conditions de forage, notamment le débit, la composition, la température de la boue injectée, les pertes de charges du circuit des boues ne varient pas, un équilibre thermique s'établit en l'absence de venue de fluide dans le puits. Cet équilibre thermique se traduit en particulier par une différence sensiblement constante, entre la température de la boue fraíche qui circule à l'intérieur du train de tiges et la température de la boue chargée. Le flux thermique mesuré, qui résulte de cette différence de température est donc lui aussi sensiblement constant.
Une venue de fluide de formation, produit les effets suivants :
  • une variation importante de la conductibilité thermique de la boue qui remonte dans l'espace annulaire, du fait que la boue et le fluide de formation ont des conductibilités thermiques différentes, particulièrement dans le cas de venues de gaz,
  • une variation des conditions d'écoulement de la boue chargée, du fait que la boue et le fluide de formation ont des viscosités et des densités différentes et dans le cas de venue de gaz du fait d'une détente possible de ce gaz,
  • une variation de la température de la boue qui remonte par l'espace annulaire, du fait que le fluide de formation qui se mélange à la boue a une température différente de celle de cette dernière.
Ces variations ont pour conséquence une modification rapide des conditions d'échange de chaleur entre la boue qui circule à l'intérieur du train de tiges et la boue qui remonte dans l'espace annulaire, qui se traduit par une rupture de l'équilibre thermique établi préalablement à la venue du fluide de formation.
Cette rupture entraíne une variation du flux thermique mesuré au moyen du capteur 14.
La sortie 15 du capteur 14 est reliée à une entrée des moyens 16 de calcul de la vitesse de variation du flux thermique mesuré par le capteur 14 qui délivrent sur une sortie 17 un signal représentatif de la dérivé par rapport au temps du flux thermique mesuré.
La sortie 17 est reliée à une entrée des moyens 18 de traitement qui réalisent les opérations suivantes :
  • comparent, après filtration, le signal délivré par les moyens 16 de calcul, représentatif de la dérivé par rapport au temps du flux thermique mesuré, a un seuil prédéterminé négatif et,
  • en cas dépassement dudit seuil délivrent un signal sur une sortie 19.
Comme il a été indiqué ci-dessus, en l'absence de venues de fluide de formation, le flux thermique mesuré par le capteur 14 est sensiblement constant, sa dérivée par rapport au temps est donc très faible.
Lorsque se produit une venue de fluide de formation dans le puits, le flux thermique mesuré par le capteur 14 varie et sa dérivée par rapport au temps devient fortement négative et dépasse la valeur du seuil prédéterminé.
Le filtrage du signal délivré par les moyens 16 préalablement à la comparaison est une opération classique qui a pour but d'éliminer les variations non significatives de venues de fluide.
De même les dépassements fugitifs de seuils qui ne sont pas significatifs de venues de fluide de formation ne sont pas pris en compte.
La valeur du seuil est déterminé sur site en fonction des conditions de réalisation du forage telles que le gradient thermique, la nature des fluides, la profondeur, le diamètre de forage, le débit de circulation du fluide de forage.
Le signal délivré sur la sortie 19 par les moyens 18 de traitement est donc indicatif d'une venue de fluide de formation dans le puits.
La sortie 19 des moyens de traitement est reliée à une entrée de moyens de transmission comportant un module 20 émetteur placé à proximité du capteur 14 et un module 21 récepteur placé à la partie supérieur de l'espace annulaire 7.
Le module 21 délivre sur une sortie 22 un signal image du signal délivré sur la sortie 19 par les moyens 18 de traitement.
Un système 23 de contrôle commande de l'installation de forage, relié à la sortie 22 du module 21 récepteur, génère une alarme sous forme d'un message visualisé sur une console de conduite pour avertir d'une venue de fluide dans le puits, un opérateur de l'installation de forage, qui actionnera les obturateurs de sécurités non représentés sur la figure 1.
Le système 23 de contrôle commande peut aussi agir sur l'installation par exemple en actionnant les dispositifs d'arrêt d'urgence pour limiter les effets de la venue de fluide qui a été détectée.
Une variante de l'invention consiste à transmettre le signal délivré par le capteur 14, par des moyens de transmission appropriés à des moyens de calculs et des moyens de traitement installés sur la plate-forme.
Le capteur 14, les moyens de calcul, les moyens de traitement et les moyens de transmission pourront avantageusement être montés sur une manchette qui viendra s'insérer entre deux tubes du train de tiges.
Cette manchette pouvant supporter simultanément un système habituel de mesure d'autres paramètres en cours de forage tels que la pression, l'inclinaison du puits, le poids sur l'outil.
Une variante du mode de réalisation de l'invention décrit ci-dessus consiste à monter deux dispositifs de détection de venues de fluides de formation sur la paroi extérieure du train de tiges à des profondeurs différentes et à mesurer l'intervalle de temps entre la détection d'une venue de fluide par chacun des deux dispositifs.
L'intervalle ainsi mesuré donne une indication sur la nature de la venue. En effet, une venue de gaz se propageant plus rapidement qu'une venue de liquide, l'intervalle de temps mesuré dans le premier cas sera plus court que celui mesuré dans le second.
La figure 2 représente un chronogramme des principaux signaux intervenant dans le dispositif de l'invention représenté sur la figure 1.
F représente l'évolution du flux thermique mesuré au moyen du capteur 14 en fonction du temps, une venue de fluide dans le puits apparaissant à l'instant to.
dF/dT représente la vitesse de variation du flux thermique mesuré en fonction du temps, S est la valeur du seuil prédéterminé dont le dépassement permet de détecter une venue de fluide.
Sg représente le signal délivré par les moyens de traitements, indicatif d'une venue de fluide dans le puits.
Grâce à l'invention il est possible de détecter précocement une venue de fluide de formation dans un puits en cours de forage sous forme d'hydrocarbures gazeux et/ou liquides, et/ou d'eau sans risque de retardement ou de masquage par une perte de boue dans la formation et à moindre coût
De plus, dans le cas de forage de puits sous-marins, la méthode et le dispositif de l'invention sont insensibles aux mouvements de la plate-forme et aux variations de volume du tube prolongateur, et dans tous les cas à la présence de déblais dans la boue chargée.

Claims (16)

  1. Procédé de détection d'une venue de fluide de formation dans un puits (1) en cours de forage, ledit forage consistant à réaliser un trou (5) dans une formation, au moyen d'une installation comportant un train (3) de tiges cylindrique creux, disposé à l'intérieur d'un cuvelage (5) et dans lequel est injectée de la boue fraíche, ledit train (3) de tiges, ledit cuvelage (5) et la paroi du trou (5a) en cours de réalisation définissant un espace (7) annulaire par lequel remonte de la boue chargée, lequel procédé se caractérise en ce qu'il consiste :
    à mesurer en continu le flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train (3) de tiges, à une profondeur donnée,
    à calculer en continu à partir dudit flux thermique, la valeur d'une caractéristique représentative d'un équilibre thermique s'établissant en l'absence d'une venue de fluide de formation, entre la boue fraíche circulant à l'intérieur du train (3) de tiges et la boue chargée remontant dans l'espace (7) annulaire, et
    à détecter des variations supérieures à un seuil, de la valeur de ladite caractéristique, lesdites variations traduisant une rupture dudit équilibre thermique résultant de venues de fluide de formation dans le puits (1).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la vitesse de variation du flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train (3) de tiges, à une profondeur donnée.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la différence entre la valeur instantanée et une valeur moyenne temporelle glissante du flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train (3) de tiges, à une profondeur donnée.
  4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'installation de forage étant conduite à partir d'un système de contrôle commande, il consiste en plus, en cas de détection d'une variation de la caractéristique représentative de l'équilibre thermique supérieure à un seuil, à transmettre au dit système un signal représentatif de ladite détection pour qu'il génère une alarme.
  5. Dispositif de détection d'une venue de fluide de formation dans un puits (1) en cours d'un forage, ledit forage consistant à réaliser un trou (5a) dans une formation au moyen d'une installation comportant un train (3) de tiges cylindrique creux, disposé à l'intérieur d'un cuvelage (5) et dans lequel est injecté de la boue fraíche, ledit train (3) de tiges, ledit cuvelage (5) et la paroi du trou (5a) en cours de réalisation définissant un espace (7) annulaire par lequel remonte de la boue chargée, lequel dispositif se caractérise en ce qu'il comporte :
    au moins un capteur de mesure du flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train (3) de tiges, à une profondeur donnée, capteur qui fournit un signal de mesure dudit flux thermique sur une sortie,
    des moyens de calcul, reliés à la sortie dudit capteur, pour calculer à partir flux thermique mesuré, la valeur d'une caractéristique représentative d'un équilibre thermique s'établissant en l'absence d'une venue de fluide de formation, entre la boue fraíche circulant à l'intérieur du train (3) de tiges et la boue chargée remontant dans l'espace (7) annulaire, et
    des moyens de traitement, reliés à une sortie des moyens de calcul, pour :
    • détecter les variations de la valeur de ladite caractéristique, supérieures à un seuil, lesdites variations traduisant une rupture dudit équilibre thermique résultant d'une venue de fluide de formation dans le puits (1), et
    • délivrer un signal indicatif d'une venue de fluide sur une sortie.
  6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la vitesse de variation du flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train de tiges, à une profondeur donnée.
  7. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la différence entre la valeur instantanée et une valeur moyenne temporelle glissante du flux thermique circulant entre la boue fraíche et la boue chargée au travers de la paroi du train de tiges, à une profondeur donnée.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce que, l'installation de forage étant conduite à partir d'un système de contrôle commande, il comporte des moyens de transmission reliés à la sortie des moyens de traitement, pour transmettre au dit système le signal indicatif d'une venue de fluide, pour que ledit système génère une alarme.
  9. Procédé de détection d'une venue de fluide de formation dans un puits (1) sous-marin en cours de forage, ledit forage étant réalisé au moyen d'une installation comportant un train (3) de tiges cylindrique creux, disposé à l'intérieur d'un cuvelage (5) prolongé par un tube prolongateur s'étendant dans l'eau entre le fond de la mer et la surface, de la boue fraíche étant injectée dans ledit train (3) de tiges qui forme avec ledit cuvelage (5) et ledit tube prolongateur un espace (7) annulaire par lequel remonte de la boue chargée, lequel procédé se caractérise en ce qu'il consiste :
    à mesurer en continu le flux thermique circulant entre la boue chargée et l'eau de mer au travers de la paroi du tube prolongateur, à une profondeur donnée,
    à calculer en continu à partir du flux thermique mesuré, la valeur d'une caractéristique représentative d'un équilibre thermique s'établissant en l'absence d'une venue de fluide de formation, entre l'eau de mer et la boue chargée remontant dans l'espace (7) annulaire, et
    à détecter des variations supérieures à un seuil, de la valeur de ladite caractéristique, lesdites variations traduisant une rupture dudit équilibre thermique résultant de venues de fluide de formation dans le puits (1).
  10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la vitesse de variation du flux thermique circulant entre la boue chargée et l'eau de mer au travers de la paroi du tube prolongateur, à une profondeur donnée.
  11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la différence entre la valeur instantanée et une valeur moyenne temporelle glissante du flux thermique circulant entre la boue chargée et l'eau de mer au travers de la paroi du tube prolongateur, à une profondeur donnée.
  12. Procédé selon une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l'installation de forage étant conduite à partir d'un système de contrôle commande, il consiste en plus, en cas de détection d'une variation de la caractéristique représentative de l'équilibre thermique supérieure à un seuil, à transmettre au dit système un signal représentatif de ladite détection pour qu'il génère une alarme.
  13. Dispositif de détection d'une venue de fluide de formation dans un puits (1) sous marin en cours d'un forage, ledit forage étant réalisé au moyen d'une installation comportant un train (3) de tiges cylindrique creux, disposé à l'intérieur d'un cuvelage (5) prolongé par un tube prolongateur s'étendant dans l'eau entre le fond de la mer et la surface, de la boue fraíche étant injectée dans ledit train (3) de tiges qui forme avec ledit cuvelage (5) et ledit tube prolongateur un espace (7) annulaire par lequel remonte de la boue chargée, lequel dispositif se caractérise en ce qu'il comporte :
    au moins un capteur de mesure du flux thermique circulant entre la boue chargée et l'eau de mer au travers de la paroi du tube prolongateur, à une profondeur donnée, capteur qui fournit un signal de mesure dudit flux thermique sur une sortie,
    des moyens de calcul, reliés à la sortie dudit capteur, pour calculer à partir du flux thermique mesuré, la valeur d'une caractéristique représentative d'un équilibre thermique s'établissant en l'absence d'une venue de fluide de formation, entre la boue chargée remontant dans l'espace (7) annulaire et l'eau de mer au travers de la paroi du tube prolongateur, à une profondeur donnée, et
    des moyens de traitement, reliés à une sortie des moyens de calcul, pour :
    détecter les variations de la valeur de ladite caractéristique, supérieures à un seuil, lesdites variations traduisant une rupture dudit équilibre thermique résultant d'une venue de fluide de formation dans le puits (1), et
    délivrer un signal indicatif d'une venue de fluide sur une sortie.
  14. Dispositif selon la revendication 13 caractérisé en ce que la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la vitesse de variation du flux thermique mesuré.
  15. Dispositif selon la revendication 13 caractérisé en ce que la caractéristique représentative de l'équilibre thermique est la différence entre la valeur instantanée et la valeur moyenne glissante du flux thermique mesuré.
  16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 à 15 caractérisé en ce que, l'installation de forage étant conduite à partir d'un système de contrôle commande, il comporte des moyens de transmission reliés à la sortie des moyens de traitement, pour transmettre au dit système le signal indicatif d'une venue de fluide, pour que ledit système génère une alarme.
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