FR3017411B1

FR3017411B1 - Procede et dispositif d'extraction d'hydrocarbures mettant en œuvre un outil de forage lateral chauffant

Info

Publication number: FR3017411B1
Application number: FR1450951A
Authority: FR
Inventors: Thomas Parias
Original assignee: Perfenergy
Current assignee: Perfenergy
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: FR3017411A1

Abstract

L'invention porte sur un système d'extraction d'hydrocarbures à partir d'un forage multilatéral (3, 7), comprenant un conduit principal (4) qui s'étend dans une formation souterraine et au moins un outil de forage secondaire (5) partant du conduit de forage principal et pénétrant latéralement dans la formation souterraine, caractérisé en ce que l'outil de forage secondaire comprend un élément de chauffage de la formation souterraine. Elle porte également sur l'outil de forage secondaire (5), son intégration au sein d'un module de forage, ainsi que sur un procédé d'extraction d'hydrocarbures, notamment des hydrocarbures de roche mère, au moyen d'un tel système.

Description

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF D'EXTRACTION D'HYDROCARBURES METTANT EN ŒUVRE UN OUTIL DE FORAGE LATERAL CHAUFFANT

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

Le domaine de l'invention est celui de l'extraction d'hydrocarbures depuis des formations souterraines. L'invention concerne plus précisément l'extraction d'hydrocarbures présents dans des formations géologiques à très faible perméabilité, telles que des roches mères, au moyen d'un système de forage multilatéral incluant un système de stimulation de la formation.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Depuis le début de l'année 2000 un nouveau type de ressources en hydrocarbures a pris une place prépondérante dans la production d'énergie, et surtout en Amérique du nord : les hydrocarbures de roche mère.

Les hydrocarbures de roche mère sont très largement présents de par le monde. Leur présence est à l'origine des ressources dites conventionnelles qui se sont formées par migration de ces hydrocarbures depuis la roche où ils ont été formés vers des roches poreuses et perméables présentant une configuration telle (toit étanche, présence d'un anticlinale, présence de faille, etc.) qu'elles piègent ces hydrocarbures.

Les réservoirs dits conventionnels sont complexes à trouver car ils sont le fruit de la conjoncture de nombreux évènements géologiques incluant des accidents qui les ont transformés en piège, mais aussi des migrations d'hydrocarbures à partir de roche mère au travers de couches intermédiaires. En cas de découverte, la perméabilité importante de ce type de réservoir permet d'exploiter de très grande quantité d'hydrocarbures allant jusqu'à plusieurs centaine de milliers de barils à partir d'un simple puits vertical. Cependant, trouver ces réservoirs requiert un coûteux travail d'exploration qui fait face à un taux d'échec important (trop faible perméabilité du réservoir, réservoir noyé dans un aquifère salin, etc.).

Dans le cas des hydrocarbures de roche mère, l'enjeu est moins la présence des hydrocarbures car ceux-ci ont été formés au sein même la couche géologique visée. Ces couches sont en outre largement identifiées car elles résultent d'évolutions globales à l'échelle d'un bassin et non d'accidents localisés, et donnent naissance à des pièges de quelques dizaines de kilomètres carrés.

Le problème se situe en revanche au niveau de la nature même de la roche. En effet, ces roches, typiquement des schistes, présentent des porosités qui restent suffisantes pour contenir de larges réserves d'hydrocarbures, mais leur perméabilité (connexion entre les pores) est très faible. A titre d'exemple, certains opérateurs considèrent que dans une formation comme celle de Haynesville en Louisiane, une molécule de gaz migre de 3 cm en 1 an. Il est clair que cette perméabilité est si faible qu'elle ne permet pas de drainer les hydrocarbures avec des méthodes classiques de type puits vertical traversant la formation.

Il faut employer des méthodes dites non-conventionnelles (alors qu'elles ont été en oeuvre dans l'industrie pétrolière depuis déjà plusieurs dizaines d'années) pour récupérer ces hydrocarbures. Ces techniques, dites de stimulation, comprennent la fracturation à l'acide, la fracturation hydraulique, leur combinaison avec le forage horizontal, etc. L'objectif de la fracturation est de dégager la plus grande surface de réservoir, les faces de la fracture, et de les relier au réservoir au travers d'un système de drainage dans la fracture. L'efficacité de ce concept de maximisation du contact au réservoir a été décuplée vers la fin des années 1990 en le combinant avec la technique de forage horizontal. En effet, la technique conventionnelle de mise en production d'un champ consiste à forer un puits vertical qui traverse la formation pour créer un point de contact au réservoir. La fracturation est naturellement venue se combiner au forage vertical. Cependant cette combinaison était limitée par l'épaisseur de la formation qui limite le nombre de fractures possible. Avec le forage horizontal, il est possible de se placer dans l'axe de la formation et de multiplier les fractures.

Le drainage au sein de la fracture est assuré par la mise en place d'agents d'étayage, les « proppants », à savoir de petites billes, typiquement de l'ordre de 500 à 1500 μιτι de diamètre, rondes et mécaniquement résistantes. L'empilage de ces billes dans la fracture crée un lit de billes entre les deux faces de la fracture qui présente une perméabilité liée à la taille des espaces laissés entre les billes. Mais les billes étant soumises au stress de la pression de fermeture des parois de la fracture, elles se dégradent au cours du temps de sorte que la perméabilité diminue.

Ainsi, le bénéfice de la différence de conductivité de la fracture par rapport à la formation n'est pas totalement évident, et le lit de billes peut lui-même devenir le facteur limitant du drainage de la formation. On constate par ailleurs qu'il est possible, en procédant à de nouvelles fracturations, de faire regagner à un puits un niveau de production équivalent à sa première mise en production, même plusieurs années après sa mise en production, et ce même à plusieurs reprises.

Ces éléments montrent que la fracturation, bien qu'efficace dans le sens où elle permet une production d'hydrocarbures à partir de formations qui n'auraient pas pu être exploitées avec des techniques conventionnelles, n'en reste pas moins sous-optimale.

La fracturation est par ailleurs l'objet de nombreuses critiques, les principaux points reprochés concernant la quantité d'eau utilisée par puits, l'utilisation de produits chimiques et les pollutions possibles des nappes phréatiques et de l'environnement.

Il est donc intéressant de rechercher une solution alternative à la fracturation hydraulique pour développer la surface de contact avec le réservoir.

Une solution potentielle consiste à réaliser un développement contrôlé du drainage par le forage de multiples puits latéraux à partir du puits principal. Cette technologie est connue sous le nom de forage multilatéral, et plus particulièrement dans le cas d'une organisation autour d'un forage horizontal sous le nom de « fishbone » du fait de la ressemblance de l'architecture finale avec les arêtes d'un poisson.

Cependant, cette technologie est complexe à mettre en œuvre et par conséquent coûteuse, ce qui limite de facto son applicabilité. Il apparaît en outre complexe de développer une densité suffisante de latéraux pour développer une surface de contact au réservoir qui permette d'assurer un drainage comparable à la fracturation hydraulique.

Pour répondre à ces difficultés, la société Fishbones AS a développé une technique relativement simple de micro-forage à partir du puits principal dont on peut trouver une description dans le brevet EP 2 098 679 Bl. L'avantage principal de cette technique est une mise en place et le développement d'une multitude de latéraux, entre 4 et 8 par section de 10 à 12 mètres, permettant ainsi le développement d'une grande densité de latéraux, par exemple 100 à 200 latéraux, le tout en évitant les procédures d'entrée et sorties des outils de forage que le forage multilatéral classique requiert. Un autre intérêt de cette technique est le fait qu'elle nécessite moins de 1% de la quantité d'eau normalement nécessaire à la fracturation d'un puits et pas de produits chimiques.

Si toutes ces techniques ont prouvé leur capacité à récupérer des hydrocarbures de formations à très faible perméabilité, la production des puits fait face à une déplétion très importante. La production initiale montre le potentiel de la formation, mais ce potentiel n'est pas pleinement exploité comme le montre la chute de production qui s'en suit.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif d'améliorer l'extraction d'hydrocarbures présents dans des formations géologiques à très faible perméabilité, telles que des roches mères, au moyen d'un système de forage multilatéral de type « fishbone » pour permettre une production accrue. Elle propose pour ce faire un système d'extraction d'hydrocarbures à partir d'un forage multilatéral, comprenant un conduit principal qui s'étend dans une formation souterraine et au moins un outil de forage secondaire partant du conduit de forage principal et pénétrant latéralement dans la formation souterraine, caractérisé en ce que l'outil de forage secondaire comprend un élément de chauffage de la formation souterraine.

Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce système sont les suivants : l'élément de chauffage peut être un câble chauffant, et le système peut comprendre une source d'énergie électrique en surface, un câble conduisant l'énergie électrique depuis la source d'énergie électrique vers le conduit principal, le conduit principal comportant un système de transport de l'énergie électrique vers le câble chauffant de l'outil de forage secondaire ; l'élément de chauffage peut être un transmetteur d'énergie électromagnétique, et le système peut comprendre une source d'énergie électromagnétique et un guide d'ondes conduisant l'énergie électromagnétique depuis la source d'énergie électromagnétique vers le transmetteur d'énergie électromagnétique de l'outil de forage secondaire ; la source d'énergie électromagnétique peut être en surface, ou être agencée dans le conduit principal et reliée à une source d'énergie électrique en surface ; l'outil de forage secondaire peut en outre comprendre une sonde de température. L'invention s'étend également à un outil de forage pour pénétration latérale dans une formation souterraine depuis un conduit principal, caractérisé en ce qu'il comporte un élément de chauffage de la formation souterraine. Elle concerne également un module de forage comprenant un conduit principal destiné à être positionné dans un puits principal d'un forage multilatéral et au moins un outil de forage selon l'invention.

Et l'invention porte également sur un procédé d'extraction d'hydrocarbures d'une formation souterraine, notamment d'hydrocarbures de roche mère, au moyen d'un système selon l'invention, ledit procédé comprenant le chauffage de la formation souterraine au moyen de l'outil de forage secondaire.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe d'une formation souterraine où l'on retrouve un système d'extraction d'hydrocarbures selon un mode de réalisation possible de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective illustrant un outil de forage secondaire conforme à l'invention, ici déployé depuis un conduit principal dans un puits latéral secondaire ; - la figure 3 est une vue en coupe illustrant un mode de réalisation possible de l'invention dans lequel un module de génération d'énergie électromagnétique est inséré entre des modules de forage de puits latéraux.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'inconvénient des techniques de l'état de l'art provient du fait qu'elles sont passives : elles dégagent de la surface de contact avec le réservoir, mais ne traitent pas le manque de perméabilité de la formation qui est un frein au déplacement du fluide dans la formation. Ainsi, les hydrocarbures à la proximité directe de la fracture et ceux présents dans les réseaux de fractures existants dans la formation sont récupérés, mais pas ceux qui se trouvent dans la formation en elle-même. L'invention propose quant à elle d'associer à un système de forage multilatéral des moyens permettant de transmettre de l'énergie à la formation et aux hydrocarbures présents dans la formation, pour faciliter l'écoulement de ces hydrocarbures en dehors de la formation vers le réseau de drain multilatéral et/ou leur donner l'énergie nécessaire à leur traversée de la formation.

En référence aux figures 1 et 2, l'invention porte sur un système d'extraction d'hydrocarbures 1 qui comporte, dans un puits principal foré dans une formation souterraine présentant par exemple une section verticale 2 et une section horizontale 3, un conduit principal 4 et au moins un outil de forage secondaire 5 partant du conduit principal 4 et pénétrant latéralement dans un puits latéral 7 qu'il a contribué à forer dans la formation souterraine 6.

Le conduit principal 4 peut prendre la forme d'une pluralité de modules de forage secondaire assemblables les uns derrière les autres, chaque module étant associé à une ou plusieurs outils de forage secondaire.

Un outil de forage secondaire prend par exemple la forme d'une tige 8 comportant une tête de forage 9, par exemple une buse de forage à jet, à son extrémité avant distante du conduit principal 4.

Un outil de forage secondaire 5 est initialement installé à l'intérieur du conduit principal et protégé par celui-ci. Une fois le conduit principal 4 descendu dans le puits principal, l'outil de forage secondaire 5 est déployé dans la formation pour y creuser un puits latéral secondaire 7. Dans le cadre de l'invention, une fois un puits latéral formé à l'aide d'un outil de forage secondaire, celui-ci y demeure. C'est une pratique inhabituelle car les outils de forage qui coûtent très chers sont habituellement remontés, ainsi aussi ils ne gênent pas la production. Ici les outils de forage secondaire qui restent en place économisent des opérations de sortie et réentrée dans le puits, du temps pour la mise en production, et réduisent les risques de dégradation du puits entre la fin des opérations de forage et la complétion.

Dans le cadre de l'invention, l'outil de forage secondaire comprend un élément de chauffage de la formation souterraine. Cet élément de chauffage est utilisé au cours des opérations d'exploitation de la formation souterraine. Il diffère en cela des outils de forage qui sont passifs une fois les puits latéraux forés, tels que par exemple ceux proposés par la société Fishbones As, et qui empêchent par ailleurs la mise en place d'un système de chauffage dans un puits latéral. L'objectif de ce chauffage au moyen des outils de forage secondaire est de forcer les hydrocarbures en dehors de la formation.

La viscosité d'une huile diminuant avec la température, le chauffage réalisé au moyen de l'outil de forage secondaire facilite l'écoulement des hydrocarbures de type pétrole au sein de la formation.

Par ailleurs, dans le cas d'une formation contenant des gaz, le chauffage provoque l'expansion du gaz, ce qui le force hors de la formation. Dans le cas d'une formation pétrolière, le pétrole est présent dans la formation avec du gaz et l'expansion du gaz agit alors comme un vecteur qui force le pétrole en dehors de la formation.

Ce mécanisme est renforcé dans le cas des hydrocarbures de roche mère qui sont des pétroles légers et qui contiennent donc une large portion d'hydrocarbures susceptibles de passer en phase gaz et de s'étendre pour pousser le pétrole hors de la formation.

Enfin, le chauffage permet également de récupérer les ressources de gaz qui sont adsorbés dans la formation. En effet le gaz est stocké aussi dans les pores, sur la surface des pores, sur la surface interne et externe des pores.

Dans la pratique, il est possible d'équiper l'ensemble des outils de forage secondaire d'un élément de chauffage, ou alors, dans un souci d'optimisation, d'équiper uniquement une partie des outils de forage secondaire, par exemple uniquement les outils de forage secondaire de certains des modules de forage secondaire pouvant constituer le conduit principal : 1 sur 2, 1 sur 3 ou autres, en fonction des conditions géologiques, économiques et opérationnelles.

Dans un mode de réalisation, le chauffage de la formation souterraine au moyen de l'outil de forage secondaire est également réalisé au cours du déploiement de l'outil de forage secondaire depuis le conduit de forage principal, c'est-à-dire au cours du forage du puits latéral. Ceci permet de stimuler des régions de la formation situées tout du long du puits latéral, régions qui ne seraient pas stimulées, ou tout du moins à un degré moindre, si le chauffage n'était réalisé qu'en exploitation une fois le puits latéral complètement foré.

Dans un mode de réalisation, l'élément de chauffage d'un outil de forage secondaire est un câble chauffant qui peut être placé en parallèle de la tige 8 de l'outil de forage secondaire ou intégré directement dans la tige 8. Un tel câble chauffant présente l'avantage d'être simple et robuste. L'alimentation électrique du câble chauffant peut être réalisée au moyen d'une source d'énergie électrique en surface, par exemple à côté de la tête de puits, d'un câble transmettant l'énergie de la source au conduit principal, ce dernier comprenant un système de transport de l'électricité vers les différents outils de forage secondaire, par exemple un système permettant de transporter l'électricité d'un module de forage secondaire à un autre et répartissant l'énergie de manière uniforme entre les différents modules de forage secondaire constituant le conduit principal.

Dans un autre mode de réalisation, l'élément de chauffage d'un outil de forage secondaire est un transmetteur d'énergie électromagnétique. Ce mode de réalisation présente l'avantage d'une meilleure communication de l'énergie à la formation. En effet, la formation atténue et ralentie la chaleur communiquée par une source thermique, telle qu'un câble chauffant. En revanche, les ondes électromagnétiques sont soumises à des atténuations plus faibles. Elles permettent en outre une meilleure répartition de l'énergie dans le volume chauffé. L'élément de chauffage peut être constitué par un guide d'ondes et un élément radiant, par exemple une antenne RF, intégrés dans l'outil de forage secondaire. L'alimentation en ondes électromagnétiques de l'élément de chauffage peut être réalisé au moyen d'une source d'ondes électromagnétiques, par exemple d'ondes RF, en surface et d'un guide d'ondes permettant de conduire les ondes de la source jusqu'au fond du puits et au guide d'ondes de l'élément de chauffage.

Dans une variante visant à optimiser l'utilisation de l'énergie et éviter de trop grandes pertes lors de la transmission des ondes, le conduit principal comporte une source d'ondes électromagnétiques alimenté électriquement depuis la surface au moyen d'un câble et relié via un guide d'ondes à l'outil de forage secondaire.

Un exemple de réalisation de cette variante est illustré par la figure 3 qui représente une vue en coupe d'une partie du conduit principal 4, ici constitué de plusieurs modules de forage secondaire M1-M5 assemblés les uns derrière les autres avec un module spécifique de génération d'ondes électromagnétiques MEN intercalé entre deux modules de forage secondaire M2, M3 et alimenté électriquement depuis la surface via un câble.

La fréquence des émissions se situe dans la gamme de 10MHz à 3000MHz, de préférence dans la gamme de 10MHz à 20MHz.

Un point intéressant est que le matériel qui constitue le réservoir est en quelque sorte transparent aux ondes quand il ne contient pas d'hydrocarbures de sorte qu'il absorbe alors une faible quantité d'énergie. Ainsi, une fois que le réservoir à proximité d'un puits latéral a relâché les hydrocarbures qu'il contient, l'énergie électromagnétique pénètre plus en profondeur dans la formation pour permettre une extraction plus éloignée du puits, et une récupération optimale des ressources présentes dans la formation.

Afin d'optimiser la consommation d'énergie, l'outil de forage secondaire comporte en outre une sonde de température placée par exemple sur la tige 8. Le but de cette sonde est de mesurer la température de la formation à proximité du puits latéral pour éviter une montée en température trop importante qui pourrait créer des dommages et bloquer la porosité de la formation. A cet égard, la possibilité d'équiper seulement une partie des outils de forage secondaire d'un élément de chauffage, et pas l'ensemble, permet de limiter les risques associés à une telle montée en température. En effet, si la montée en température devait endommager la porosité à proximité du puits latéral, cela n'a qu'une influence limitée car les hydrocarbures sont récupérés par les autres puits latéraux qui n'ayant pas d'élément de chauffage subissent une température bien plus faible.

Une telle méthode de chauffage par transmission d'énergie électromagnétique est capable d'augmenter la température significativement jusqu'à plus de 50 mètres de l'élément radiant. En plaçant cet élément à l'extrémité avant d'un outil de forage secondaire, typiquement de 12 ou 24 mètres de long, on peut alors exploiter de manière performante à une distance de 75 mètres du puits, voire plus.

Par ailleurs, on peut prévoir d'intégrer un élément de chauffage sur un outil de forage secondaire plus long que les autres afin d'optimiser la répartition d'énergie dans la formation. Idéalement la distance peut être égale au rayon d'irradiation efficace dans la formation, de manière à permettre d'exploiter au plus loin dans la formation.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système d'extraction d'hydrocarbures (1) à partir d'un forage multilatéral (2, 3, 7), comprenant un conduit principal (4) qui s'étend dans une formation souterraine et au moins un outil de forage secondaire (5) partant du conduit de forage principal et pénétrant latéralement dans la formation souterraine pour forer un puits latéral où il demeure, caractérisé en ce que l'outil de forage secondaire comprend un élément de chauffage de la formation souterraine pour forcer les hydrocarbures en dehors de la formation.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel l'élément de chauffage est un câble chauffant.
3. Système selon la revendication 2, comprenant une source d'énergie électrique en surface, un câble conduisant l'énergie électrique depuis la source d'énergie électrique vers le conduit principal (4), le conduit principal comportant un système de transport de l'énergie électrique vers le câble chauffant de l'outil de forage secondaire.
4. Système selon la revendication 1, dans lequel l'élément de chauffage est un transmetteur d'énergie électromagnétique.
5. Système selon la revendication 4, comprenant une source d'énergie électromagnétique, un guide d'ondes conduisant l'énergie électromagnétique depuis la source d'énergie électromagnétique vers le transmetteur d'énergie électromagnétique de l'outil de forage secondaire.
6. Système selon la revendication 5, dans lequel la source d'énergie électromagnétique est en surface.
7. Système selon la revendication 5, dans lequel la source d'énergie électromagnétique (MEN) est agencée dans le conduit principal et reliée à une source d'énergie électrique en surface.
8. Système selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel l'outil de forage secondaire comprend en outre une sonde de température. ✓
9. Outil de forage (5) pour pénétration latérale dans une formation souterraine depuis un conduit principal (4) pour forer un puits latéral où il demeure, caractérisé en ce qu'il comporte un élément de chauffage de ia formation souterraine pour forcer les hydrocarbures en dehors de la formation.
10. Module de forage (M1-M5) comprenant un conduit principal (4) destiné à être positionné dans un puits principal d'un forage multilatéral et au moins un outil de forage (5) selon la revendication 9.
11. Procédé d'extraction d'hydrocarbures d'une formation souterraine, notamment d'hydrocarbures de roche mère, au moyen d'un système (1) selon l'une des revendications 1 à 8, ledit procédé comprenant le forage d'un puits latéral au moyen de l'outil de forage secondaire et le chauffage de la formation souterraine au moyen de l'outil de forage secondaire (5) demeurant dans le puits latéral pour forcer les hydrocarbures en dehors de la formation.
12. Procédé selon la revendication 11, comprenant une étape initiale de déploiement de l'outil de forage secondaire (5) depuis le conduit principal (4) pour réaliser le forage d'un puits latéral (7).
13. Procédé selon la revendication 12, comprenant le chauffage de la formation souterraine au moyen de l'outil de forage secondaire au cours de son déploiement.