[0001] La présente invention concerne une méthode pour optimiser les caractéristiques d'une
circulation de fluide que l'on établit dans un espace annulaire autour d'un élément
tubulaire et notamment d'un élément tubulaire tournant, tel qu'une longue tige ou
un train de tiges, en tenant compte de façon dynamique des déformations subies en
opération par cet élément tubulaire et donc de la variation de l'espace annulaire
autour de lui.
[0002] La méthode selon l'invention convient particulièrement dans le cas d'annulaires étroits
où le rapport entre le diamètre de l'élément tubulaire intérieur et le diamètre du
conduit extérieur est supérieur à 0,5.
[0003] La méthode selon l'invention trouve des applications notamment dans le cadre de forages
pétroliers ou en géotechnique, où elle permet de déterminer le champ de vitesses d'un
fluide de forage circulant dans l'espace autour d'un train de tiges de forage ainsi
que les pertes de charge résultant des frictions, pour des géométries complexes de
cet espace, consécutives aux mouvements et déformations des tiges.
[0004] La méthode convient particulièrement bien pour optimiser les conditions de circulation
des fluides dans les forages effectués en puits étroits selon la technique dite de
"slim hole" où, en raison des dimensions annulaires réduites, des pressions peuvent
être générées, qui mettent en danger la stabilité de la formation traversée.
[0005] Il existe un certain nombre de publications rendant compte d'études théoriques ou
pratiques sur la circulation de fluides dans des puits autour d'un train de tiges
immobiles ou en rotation et les variations sur les paramètres d'écoulement dues à
l'excentricité d'un train de tiges et ses déformations, et notamment dans des puits
étroits.
[0006] On peut citer par exemple :
- Vaughn, R.D., 1965, "Axial Laminar Flow of non Newtonian Fluids in Narrow Eccentric
Annuli," S.P.E., Vol.5, Dec.;
- Bourgoyne, A.T et al, 1986, "Applied Drilling Engineering," in SPE Text Book Series,
Vol.2;
- Markatos N.C.G.et al, "Flow in an annulus of non-uniform gap" in Trans. IChemE,
vol. 56;
- Reed, T.D et al, 1993, "A new model for laminar, Transitional and Turbulent Flow
in Drilling Fluids," in SPE 25456, Proceedings of the Prod. Operations Symposium,
Oklahoma City, OK
- Marken, C. D. et al, 1992, "The influence of drilling conditions on annular pressure
losses, article SPE 24598
- Dodge D.W. and Metzner A.B., 1959, "Turbulent flow of Non-Newtonian Systems, AIChE
Journal, vol 5, p33.
[0007] La méthode de résolution généralement utilisée pour modéliser le comportement d'un
fluide circulant dans un annulaire excentré, consiste à assimiler l'espace autour
de la tige à une juxtaposition de fentes. On a jusqu'ici considéré soit que la tige
était centrée dans le conduit, soit que son excentricité éventuelle était uniforme
tout au long de cette tige. Dans le cadre de cette hypothèse, les fentes sont considérées
comme parallèles et d'épaisseur constante sur toute leur longueur.
[0008] La circulation de fluides de forage dans un puits étroit (slim hole) où tourne un
train de tiges, est un phénomène complexe difficile à modéliser. Parmi les facteurs
importants influant sur les pertes de charge, pour un type et un débit de boue donnés,
on peut citer la vitesse de rotation du train de tiges, ainsi que la géométrie de
l'espace annulaire autour et tout le long du train de tiges du fait notamment de l'excentricité
de celui-ci dans le trou, de ses mouvements, de ses flexions etc.
[0009] Le plus souvent, en effet, les axes respectifs du trou foré et du train de tiges
sont décalés l'un par rapport à l'autre en raison des déviations de l'un et/ou des
flexions de l'autre. De ce décalage qui varie le long du train de tiges, dépend l'excentricité
de l'espace annulaire entre eux.
[0010] Dans bien des cas donc et notamment pour le forage de puits, les modèles existants
basés sur l'hypothèse que le positionnement relatif de la tige par rapport au conduit
est uniforme sur toute sa longueur, ne rendent pas bien compte de la complexité des
phénomènes. En outre, les modèles existants ne tiennent pas compte des modifications
importantes sur la circulation de boue apportées par le couplage entre les effets
de la rotation de la tige et son excentrement variable par rapport au conduit ou au
trou.
[0011] Les modèles existants ne permettent donc pas au foreur de prédire en toute sécurité
les pertes de charge et le champ de vitesses réels résultant de l'ensemble de ces
paramètres: rotation de la tige, propriétés rhéologiques effectives des fluides utilisés
dans la pratique, excentrement variable non uniforme etc, et donc d'optimiser la circulation
de fluide à établir: débit, rhéologie, compte-tenu de la vitesse de rotation.
[0012] La méthode selon l'invention a pour objet de construire un modèle représentatif,
du champ de vitesses d'un fluide circulant dans un conduit autour d'une tige tubulaire
à excentrement variable, aussi bien en régime laminaire que turbulent, ainsi que de
la distribution des pertes de charge annulaires en fonction des débits.
[0013] Elle permet ainsi d'optimiser les caractéristiques d'une circulation de fluide que
l'on établit dans un espace annulaire autour d'un élément tubulaire dont l'excentrement
est variable, tel qu'une longue tige ou un train de tiges, soumis à des déformations,
notamment dans le cas où cet espace annulaire est relativement étroit.
[0014] La méthode selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte la modélisation
de l'écoulement dans l'espace annulaire en considérant que la forme de celui-ci est
variable tout le long de l'élément tubulaire et en tenant compte de propriétés rhéologiques
réelles du fluide (variation de la viscosité avec le taux de cisaillement par exemple),
de façon à déterminer la valeur du champ de vitesses et la valeur de la pression en
tout point le long de cet espace annulaire.
[0015] La méthode peut comporter aussi l'application à ces valeurs obtenues pour un élément
tubulaire à excentrement variable, d'un facteur correctif adimensionnel dépendant
du nombre de Reynolds (Re) et du nombre de Taylor (Ta) du fluide utilisé, pour tenir
compte des variations des pertes de charge dans l'annulaire engendrées par la vitesse
de rotation de l'élément tubulaire.
[0016] Quand les rapports respectifs des effets inertiels et visqueux, suivant la direction
axiale et la direction azimutale respectivement, sont supérieurs à une valeur déterminée,
par exemple, on peut déterminer le facteur correctif adimensionnel à appliquer par
la relation:

[0017] A, c et d sont des paramètres dont les valeurs peuvent être choisies dans des fourchettes
définies.
[0018] Suivant un mode de mise en oeuvre de la méthode, utilisable quand la sinuosité de
l'élément tubulaire est relativement faible, on tient compte des modifications dynamiques
possibles de la forme de l'élément tubulaire, par application d'un autre facteur correctif
sensiblement constant et indépendant de la forme de l'élément tubulaire, compris par
exemple dans un intervalle

[0019] La méthode selon l'invention tient bien compte des deux facteurs essentiels qui régissent
l'évolution des pressions dans les annulaires étroits: l'excentrement variable et
la rotation de l'élément tubulaire. Elle permet par conséquent de relier de façon
fiable la pression annulaire aux paramètres opératoires: géométrie, débit, vitesse
de rotation, ainsi qu'à la rhéologie du fluide en circulation.
[0020] La distribution des pertes de charge que l'on détermine par application de la méthode
selon l'invention, telle qu'elle est définie ci-dessus, dans les cas complexes où
un fluide quelconque circule dans un annulaire étroit autour d'une tige tournante
soumise à des déformations, en particulier quand l'espace annulaire autour d'elle
est étroit, est bien en accord avec les résultats pratiques que l'on a pu mesurer.
[0021] Dans le cadre d'opérations de forage notamment, on peut donc définir par application
de la méthode, la rhéologie du fluide optimale pour maintenir un débit élevé permettant
d'obtenir une bonne évacuation des déblais sans que les pressions annulaires sortent
d'une plage de sécurité et endommagent le trou. La méthode permet ainsi de définir
des règles sur la rhéologie et donc sur la composition des fluides et notamment des
fluides sans particules solides utilisés en "slim hole".
[0022] D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention, apparaîtront
à la lecture de la description ci-après, en se référant aux dessins annexés où :
- les Fig.1 et 2 montrent schématiquement un élément tubulaire allongé soumis à des
déformations respectivement à variation sinusoïdale et linéaire;
- la Fig.3 montre schématiquement en coupe transversale, un tube excentré dans un
conduit tel qu'un puits;
- les Fig.4 et 5 représentent schématiquement un annulaire sinueux respectivement
en position refermée et déployée;
- la Fig.6 montre schématiquement la variation en fonction de la sinuosité d'un élément
tubulaire, d'un facteur correctif à appliquer aux pertes de charge obtenues en supposant
un excentrement nul ou invariable, prédite par la méthode et corroborées expérimentalement;
- la Fig.7 montre schématiquement la variation en fonction de l'indice de rhéo-fluidification
du fluide, du même facteur correctif;
- la Fig.8 montre comment la contrainte de cisaillement τ varie avec le taux de cisaillement
y , dans le cas de fluides newtoniens et de fluides non-newtoniens; et
- la Fig.9 montre la distribution des vitesses V et les iso-valeurs de pression dans
un annulaire dont la configuration varie d'une façon sinusoïdale le long de son axe.
[0023] Dans un puits 1, la forme du train de tiges 2 entraînant l'outil varie en général
d'un emplacement à un autre (Fig.1 à 3). Elle dépend de la déviation du trou foré,
de la tension ou compression exercée sur la tige etc. On définit la configuration
réelle d'un train de tiges par trois paramètres géométriques:
- l'excentricité qui est un nombre sans dimension valant 0 quand la tige et le conduit
sont concentriques et 1 quand la tige touche la paroi intérieure du conduit, est définie
par la relation:

Ro et R sont respectivement les rayons du conduit et de la tige (Fig.1), et 0 est l'écartement
de leurs axes respectifs.
- l'excentricité maximale: qui est inférieure à 1 si la tige est pourvue de centreurs
(de rayon RJ qui l'empêchent de toucher la paroi du conduit;

- la sinuosité (skewness) S, qui est le rapport entre le diamètre moyen de l'espace
annulaire davg=2ravg et l'intervalle entre deux inflexions successives de la tige AL,

[0024] Pour les calculs, suivant un formalisme connu, l'espace annulaire 3 est assimilé
à une série de fentes juxtaposées d'épaisseur variable en fonction de l'excentrement
réel. L'espace annulaire autour de la tige est dé-
9 ployé (Fig 4, 5) et l'on considère que le fluide s'écoule entre un certain nombre
de plaques d'écartement variable suivant la direction axiale (Fig. 9).
[0025] On peut montrer que, pour 0 ≦ x 0≦ AL, et 02 y Z 2πr
avg, les équations donnant en coordonnées cartésiennes, l'épaisseur des fentes dans le
cas d'un annulaire sinueux à variation sinusoïdale (Fig.1) ou rectiligne (Fig.2),
ont pour expression :


avec e
max défini par
(2) et
ravg = 0.5dav
g.
[0026] Pour modéliser l'écoulement du fluide dans un espace annulaire relativement mince,
dont l'excentrement est variable, on utilise l'équation de mouvement suivante :

qui relie entre eux la pression P, la vitesse axiale u, la vitesse azimutale v, la
viscosité η, les coordonnées x (axiale) et y (azimutale), le rapport S défini par
(3), le coefficient de frottement f et le nombre de Reynolds Re.
[0027] On utilise aussi deux relations reliant la pression et les composantes de la vitesse
moyennées suivant une direction radiale:


[0028] Tous les paramètres sont rendus adimensionnels. Ainsi:

[0029] La viscosité adimensionnelle ηD vaut 1 pour les fluides newtoniens. Pour les fluides
non-newtoniens, on tient compte de la vitesse débitante et de l'échelle de longueur
transverse pour calculer cette viscosité adimensionnelle. P
D=P/P
0 où P
o qui représente les pertes de charge du fluide circulant en annulaire concentrique
réduit pareillement à une fente, se calcule par les relations établies par Reed et
al dans la publication déjà citée.
Modèle numérique:
[0030] On applique les relations précédentes, à un modèle numérique de type à différences
finies tel que celui défini par Markatos et al, dans la publication déjà citée, où
l'espace annulaire est divisé en grilles, chacune représentant une fente telle qu'on
les a définies précédemment, dont l'épaisseur est déterminée par résolution des équations
(4) ou (5).
[0031] Le modèle de Markatos, qui était appliqué à des fluides newtoniens, est amélioré
comme on le verra ci-après, pour tenir compte de l'ensemble des lois rhéologiques
auxquelles obéissent les fluides de forage.
[0032] Pour un AP donné, à l'abscisse x = 0, le modèle considère initialement un profil
de variation linéaire de la pression et un champ de vitesses moyen basé sur un certain
débit pour chaque fente. Le nombre de Reynolds Re, le coefficient de frottement (f)
et la viscosité sont calculés.
[0033] Pour un fluide newtonien en régime laminaire par exemple, le produit f.Re est égal
à 24 et la viscosité est indépendante du cisaillement. Dans ce cas, les équations
(6) à (8) sont simplifiées.
[0034] La méthode de modélisation selon l'invention permet d'étendre le champ d'application
du modèle précédent à des régimes d'écoulement non laminaires de fluides quelconques
dont l'indice de rhéo-fluidification n'est généralement inférieur à 1, qui correspondent
mieux aux circulations que l'on a à modéliser dans la pratique.
[0035] Pour un fluide non-newtonien, cette relation doit être modifiée. Il faut tout d'abord
intégrer dans les équations (6) à (8) du modèle, le produit f.Re du facteur correctif
f par le nombre de Reynolds Re, ceci pour des fluides quelconques. La viscosité des
fluides varie en général avec le taux de cisaillement y (Fig.8). Ils obéissent à la
loi rhéologique:

ou Test la contrainte de cisaillement et K' et n' sont les paramètres définis dans
la publication de Dodge, D.W et al déjà citée.
[0036] Pour tenir compte de ce type de fluide, on modifie la définition du nombre de Reynolds
Re et on utilise la méthode décrite par Reed, T.D. et al, dans la publication déjà
citée, entre ce nombre Re modifié et le coefficient de frottement f, pour la résolution
du modèle
[0037] La méthode dite GNM décrite par Reed et al dans la publication déjà citée, est utilisée
pour évaluer le terme de diffusion z
3 D,fRe
ηD dans l'équation (6). Ce terme de diffusion étant connu pour chaque grille, on résoud
la forme discrétisée de l'équation (6) pour obtenir un nouveau champ de pression.
Un nouveau champ de vitesses est calculé à partir des mêmes équations (7) à (8). On
répète les calculs jusqu'à obtenir une convergence des champs de vitesses calculés.
Un exemple de champ de vitesses obtenu avec un excentrement sinusoïdal est montré
à la Fig.9.
[0038] Dans tous les cas où l'écoulement devient turbulent dans les parties plus larges
de l'espace annulaire en restant laminaire dans les parties étroites, en raison d'une
variation rapide du terme de diffusion, d'une grille à une autre, une méthode de relaxation
connue en soi, est utilisée. Elle permet d'accroître la stabilité mais elle diminue
la vitesse de convergence.
[0039] Quand la convergence est atteinte, l'intégration numérique du champ de vitesse axiale,
donne le débit.
[0040] Par des modifications simples des équations (4) et (5), on adapte le modèle aux cas
d'excentricité nulle ou uniforme de la tige.
Corrections d'excentricité
[0041] L'estimation du champ de vitesses et de la distribution des pertes de charge dans
un annulaire étroit est très complexe en raison de la diversité possible de la sinuosité
et de l'excentrement de la tige dans des conditions réelles de fonctionnement.
[0042] La méthode selon l'invention permet cependant de modéliser le champ de vitesses et
les distributions de pertes de charge autour d'une tige de grande longueur en rotation.
[0043] Dans le cas général d'une tige dont le coefficient de sinuosité (1/S) est faible,
on détermine la distribution des pertes de charge en intégrant dans le modèle défini
par les relations 6 à 8, les expressions analytiques de la variation de l'épaisseur
des fentes correspondant à la forme réelle de la tige, et par exemple les équations
(4, 5) si la déformation de la tige est de type sinusoïdal ou linéaire. Ceci conduit
à des calculs complexes.
[0044] La méthode selon l'invention fournit une solution beaucoup plus simple dans le cas
où la sinuosité de la tige est faible (facteur 1/S plus élevé).
[0045] Un facteur correctif R est défini comme le rapport, pour un même débit, entre les
pertes de charge par unité de longueur (AP/AL)e, engendrées par une tige excentrée
et les pertes de charge correspondantes (AP/AL)c engendrées par la même tige centrée.
[0046] Les courbes de la Fig.6, déterminées par modélisation en accord avec la méthode,
montrent que le facteur correctif R varie de façon asymptotique, et reste pratiquement
invariable quelle que soit la forme réelle (en forme de ligne brisée ou en forme de
sinusoïde) prise par la tige, quand le coefficient de sinuosité 1/S atteint des valeurs
assez élevées (1/S >10), ce qui correspond à une faible déformation de la tige.
[0047] Des essais de circulation de fluide ont été effectués au laboratoire avec une installation
comportant un conduit dont le diamètre intérieur était de 24 mm et une tige intérieure
courbée sinusoidalement, dont le diamètre extérieur était de 18 mm. Sur la Fig.6 le
point a de coordonnées 1/S = 12, R = 0,66 et le point b de coordonnées 1/S = 18, R
= 0,64, correspondent respectivement à des valeurs obtenues au cours des essais. La
comparaison montre que l'accord entre les prédictions du modèle et les résultats expérimentaux,
est excellent.
[0048] Dans des conditions normales d'utilisation, la déformation d'une tige dans un conduit
ou trou étroit, notamment d'un train de tiges de forage dans un puits pétrolier, est
en général peu accentuée. C'est le mode de fonctionnement le plus courant dans la
pratique. Les pertes de charge résultant d'un excentrement de la tige (AP/AL)e, peuvent
donc être calculées simplement, de façon sensiblement indépendante du coefficient
de sinuosité 1/S dans le cas d'annulaires de longueur importante.
[0049] Le calcul peut se généraliser pour le cas des fluides non-newtoniens, quel que soit
leur degré de rhéo-fluidification. La variation du facteur correctif R qu'il faut
introduire quand la tige est excentrée mais faiblement sinueuse (1/S important) en
fonction de l'indice de rhéohluidification n est montrée sur la figure 7 pour le cas
d'une sinuosité de type linéaire ou sinusoïdale.
[0050] L'introduction de ce facteur correctif R permet donc d'obtenir facilement, pour les
sinuosités faibles, les résultats en configuration excentrée à partir des résultats
obtenus dans le cas d'une tige centrée, pour toute loi rhéologique du type donné par
la relation (9).
Corrections de rotation
[0051] Les valeurs obtenus par la modélisation, doivent être modifiées ensuite pour tenir
compte des effets engendrés par la rotation de la tige.
[0052] Des essais portant sur l'écoulement d'u fluide rhéo-fluidifiant autour d'une tige
centrée dans un conduit, ont montré que l'évolution de la perte de charge en fonction
de la vitesse de rotation W, dépend du régime d'écoulement engendré par le couplage
du mouvement axial et du mouvement tangentiel.
[0053] Les spécialistes savent que l'écoulement tangentiel entre deux cylindres coaxiaux
est caractérisé par la grandeur du nombre de Taylor défini par

où W est la vitesse de rotation et
11, la viscosité.
[0054] En l'absence de mouvement axial, l'écoulement tangentiel est gouverné par le nombre
de Taylor Ta. Quand Ta < 41,3, l'écoulement est laminaire. Pour des nombres de Taylor
compris entre 41,3 et environ 400, on constate que des tourbillons stables dits tourbillons
de Taylor, se superposent aux lignes de courant circulaires. L'écoulement devient
turbulent pour des valeurs de Ta > 400.
[0055] On sait aussi que, superposé à un écoulement tangentiel, un écoulement axial modifie
les valeurs de Ta correspondant aux limites de la zone de transition. De même, un
écoulement tangentiel, superposé à un écoulement axial, peut affecter les valeurs
de Re correspondant à une transition laminaire-turbulent suivant la direction axiale.
[0056] Pour dégager les tendances globales des effets de la rotation de la tige et la valeur
des facteurs correctifs à apporter aux résultats précédents, pourtenir compte du type
d'écoulement, il est utile de mettre les différents paramètres sous une forme adimensionnelle.
[0057] Ainsi, on utilise le nombre de Reynolds définit par Dodge et al pour un fluide non-newtonien
dans la publication déjà citée.
[0058] Le nombre de Taylor caractérisant le rapport des effets inertiels aux effets visqueux
suivant la direction azimutale, est donné par la relation (10) à condition d'étendre
sa définition de façon à inclure les effets de rhéo-fluidification. Il faut pour cela
remplacer dans cette relation, la viscosité newtonienne par la viscosité d'un fluide
en loi de puissance, calculée à la valeur du taux de cisaillement à la paroi interne
(contre la tige) correspondant à la vitesse de rotation W.
[0059] On définit aussi le rapport Rp de la pression annulaire pour une vitesse de rotation
donnée W, rapportée à la pression annulaire à rotation nulle au même débit, par la
relation:

[0060] A partir des nombres de Taylor et de Reynolds, on construit un autre paramètre adimensionnel:

où U
m la vitesse débitante. R
w est une mesure du rapport des taux de cisaillement respectivement suivant les directions
azimutale et axiale.
[0061] Les résultats obtenus varient en fonction des valeurs prises par les nombres de Reynolds
et de Taylor:
1) Faibles nombres de Reynolds (Re < 200):
Le rapport Rp diminue quand le paramètre Rw augmente et il devient significatif quand
Rw devient supérieur à 2. La chute de la pression que l'on constate, est liée à la
diminution de la viscosité du fluide liée à la superposition du cisaillement azimutal
au cisaillement axial. La diminution des pertes de charge que l'on constate pour les
valeurs faibles du nombre de Reynolds sont la conséquence de la chute de viscosité
apportée par le mouvement tangentiel.
2) Faibles nombres de Taylor (Ta < 200)
Le rapport de pression Rp tend asymptotiquement vers une limite Rp1 supérieure à 1 pour les valeurs du nombre de Taylor Ta < 200.
3) Nombres de Taylor et de Reynolds supérieurs à 200
[0062] Pour cette plage de variation, on a pu établir une une relation empirique de la forme

où les coefficients A, c, d sont compris dans les fourchettes suivantes.



avec des valeurs typiques suivantes: A = 0,29, c = 0,17 et d = 0,067.
[0063] L'application aux résultats de ce deuxième facteur correctif dépendant de la vitesse
de rotation et du type d'écoulement, permet donc d'obtenir les pertes de charge tout
le long de la tige.