Subsurface exploration and oil field development

Un film de la société Shell sur les forages pétroliers (1975)

Résumé:

Cette fiche analyse un film historique produit par la société pétrolière Shell sur l'exploration pétrolière et développement de gisements d'hydrocarbures.

Le processus commence par une sélection de site basée sur des données géologiques, une phase qui reste un pari coûteux malgré les analyses sismiques.

Ensuite il s'agit de forer les sites sélectionnés. Les forages se font étape par étape: d'abord, le creusement progressif du puits, la mise en place de tubages en acier pour stabiliser la structure et enfin la cimentation pour le sécuriser.

Un élément central de l'opération est la gestion de la "boue de forage", un fluide spécialisé essentiel au refroidissement de l'outil, à l'évacuation des déblais de roche et au contrôle de la pression souterraine. La sécurité est primordiale, incarnée par l'installation de blocs d'obturation (Blowout Preventers - BOPs) conçus pour contenir toute surpression dangereuse. Le forage, qu'il soit terrestre ou maritime, doit faire l'objet d'une surveillance constante et peut faire face à des défis imprévus tels que des effondrements de puits ou des venues de gaz à haute pression.

Une fois la zone cible atteinte, la phase d'évaluation commence, incluant l'analyse des déblais rocheux et des diagraphies (mesures électriques, acoustiques et radioactives) pour déterminer la nature des formations et leur contenu en pétrole et en gaz.

Si les résultats sont prometteurs, un test de production est effectué pour confirmer le potentiel du puits.

Ces opérations d'exploration sont coûteuses et risquées. Le coût d'un seul forage revient, dans les années 60-70, entre 600 000 dollars (à terre) et 4 millions de dollars (en mer).

La confirmation d'une découverte déclenche le forage de puits supplémentaires ("d'extension") pour cartographier l'intégralité du réservoir avant d'entamer une phase de développement planifiée, qui vise à maximiser la récupération des hydrocarbures tout en maintenant la pression du gisement, souvent par injection d'eau.

1. Phase d'exploration et de préparation

1.1. Sélection du site et contexte géologique

La décision de forer un puits d'exploration n'appartient pas à l'équipe de forage mais aux géologues et géophysiciens. Leur choix se fonde sur l'analyse des couches rocheuses souterraines, situées à des profondeurs pouvant dépasser les 10 000 pieds (environ 3 000 mètres).

• Cible typique : Un site classique est un "dôme", un pli anticlinal dans les couches rocheuses, révélé par une étude sismique.
• Hypothèse géologique : L'espoir est que le pétrole et le gaz, formés il y a des millions d'années, aient migré à travers des roches perméables pour s'accumuler dans ce dôme, piégés par une couche imperméable sus-jacente (la "roche de couverture" ou "cap rock").
• Stratification attendue : dans un tel piège, les fluides se séparent par densité sous haute pression : le gaz au sommet, suivi du pétrole, puis de l'eau souterraine sur les flancs.
• Risque et incertitude : malgré les moyens utilisés, chaque forage d'exploration reste un "pari". La confirmation de la présence d'hydrocarbures peut prendre huit semaines ou plus.

1.2. Installation de l'appareil de forage (Rig)

Un forage pétrolier implique le déplacement et l'assemblage de toute une installation mobile d'un appareil de forage complet à chaque nouvel emplacement.

• Équipement : Un appareil de forage typique représente environ 800 tonnes de machines, alimentées par plusieurs milliers de chevaux.
• Logistique : Le montage de l'ensemble de l'installation peut prendre de quelques jours à plusieurs semaines.

2. Le Processus de forage, étape par étape

Un puits de pétrole n'est pas simplement creusé, il est "construit" méthodiquement par phases successives pour garantir sa stabilité et sa sécurité.

2.1. Forage initial et rôle de la boue de forage

Le forage débute avec un trépan de grand diamètre pour traverser les couches de surface, plus tendres, jusqu'à une profondeur d'environ 1 000 pieds.

• Mécanique du forage : Le train de tiges de forage est mis en rotation depuis la surface par une table de rotation située sur la plateforme. Le trépan à son extrémité fragmente la roche.
• La boue de forage ("Drilling mud") : Un fluide de forage spécial est pompé à l'intérieur du train de tiges. Il a plusieurs fonctions critiques :
  1. Refroidir le trépan.
  2. Remonter les déblais de roche ("cuttings") à la surface pour éviter l'obstruction du puits.
  3. Contrôler la pression des formations géologiques traversées.
• Recyclage de la boue : En surface, la boue est canalisée sur des tamis vibrants à mailles fines (les "shakers") qui retirent les déblais grossiers. Elle passe ensuite par des séparateurs et des bassins de décantation pour éliminer les particules plus fines avant d'être recyclée dans le puits.
• Ajout de tiges : Le forage doit s'arrêter tous les 30 pieds (environ 9 mètres) pour ajouter une nouvelle section de tige de forage. Sur un puits moyen, cette opération, qui exige une coordination précise de l'équipe au sol, peut être répétée plus de 300 fois.

2.2. Tubage et cimentation

Pour éviter l'effondrement des roches tendres des couches peu profondes et pour isoler les différentes formations, le puits est gainé d'un tubage en acier.

• Installation du tubage ("Casing") : À une profondeur prédéfinie (par exemple, 1 000 pieds), un tubage en acier est descendu dans le puits. Des "centreurs" sont fixés à intervalles réguliers pour le maintenir au milieu du trou.
• Cimentation : Une fois le tubage en place, un coulis de ciment est pompé sous pression à l'intérieur de celui-ci. Le ciment s'écoule par le bas du tubage et remonte dans l'espace annulaire (entre le tubage et la paroi du puits), chassant la boue de forage. Après un temps de prise, le ciment fixe définitivement le tubage.

2.3. Sécurité et contrôle de la pression

Une fois la première section de tubage cimentée, un ensemble de vannes de sécurité est installé au sommet du puits.

• Blocs d'Obturation (Blowout Preventers - BOPs) : ces vannes sont conçues pour contenir des pressions extrêmement élevées de gaz, de pétrole ou d'eau qui pourraient survenir de manière inattendue.
• Fonctionnement : en cas d'urgence, des béliers hydrauliques se ferment pour sceller hermétiquement l'espace entre le train de tiges et les parois internes du tubage.
• Évolution : à mesure que le forage s'approfondit, des équipements de tête de puits plus robustes sont installés pour gérer des pressions encore plus élevées.

3. Surveillance Continue et Défis Opérationnels

Le forage est un processus dynamique qui exige une vigilance constante et la capacité de réagir à des problèmes imprévus.

3.1. Surveillance de la boue et de l'outil de forage

• Contrôle de la boue : La composition, la viscosité et la densité de la boue sont vérifiées en permanence. Certaines formations rocheuses, comme les couches de sel, peuvent la contaminer et la rendre inefficace, ce qui pourrait provoquer un effondrement du puits et nécessiter son remplacement complet.
• Performance du trépan : La durée de vie d'un trépan coupant de la roche dure est souvent inférieure à 12 heures. Un trépan usé perd de son efficacité et produit un bruit distinctif. Son remplacement est une opération longue, pouvant prendre jusqu'à 8 heures (4 heures pour remonter le train de tiges et 4 heures pour le redescendre).

3.2. Problèmes imprévus et solutions

3.3. Spécificités du forage en mer (Offshore)

Les principes de base du forage restent les mêmes en mer, mais leur mise en œuvre est complexifiée par l'environnement.

• Plateformes flottantes : L'appareil peut être situé sur une plateforme flottante, ancrée à 500 pieds ou plus au-dessus du fond marin.
• Installation à distance : Les BOPs et la tête de puits sont installés sur le fond marin par télécommande, guidés par des câbles et surveillés par une caméra sous-marine.
• Colonne montante ("Marine Riser") : Un tube conducteur relie la plateforme aux BOPs sur le fond marin. Il crée un système fermé qui permet la circulation de la boue comme si l'opération se déroulait à terre.

4. Évaluation et confirmation du réservoir

Une fois la profondeur cible atteinte, il est crucial de déterminer si les roches contiennent des hydrocarbures en quantités commercialement viables.

4.1. Analyse des déblais et diagraphies ("Logging")

• Analyse des déblais : L'examen des fragments de roche remontés par la boue donne les premiers indices. Des grains de grès avec des taches sombres sont un signe prometteur. Sous lumière ultraviolette, le pétrole émet une lueur jaune caractéristique.
• Diagraphies ("Wireline Logging") : Une sonde contenant des instruments est descendue dans le puits. En remontant, elle mesure diverses propriétés des couches rocheuses traversées (électriques, acoustiques, radioactives). Les données enregistrées en surface permettent de déterminer la nature des roches (schiste, grès poreux, calcaire) et leur saturation en pétrole, gaz ou eau.

4.2. Test de production ("Flow Test")

Si les analyses sont encourageantes, un test de production est justifié pour évaluer le potentiel de flux du réservoir.

1. 1. Le puits est tubé et cimenté jusqu'au fond.
2. 2. Un tube de production est descendu dans la zone pétrolifère.
3. 3. Des charges explosives spécialement conçues sont déclenchées pour perforer le tubage et le ciment, créant un chemin pour que les hydrocarbures s'écoulent dans le puits.
4. 4. La réduction de la pression dans le puits permet au pétrole de s'écouler. Le succès du test est visible par le "torchage" du gaz qui accompagne le pétrole en surface.

5. Délinéation et développement du champ pétrolier

Un seul puits ne fournit d'informations que sur une zone très limitée. L'étape suivante consiste à comprendre l'étendue et la géométrie de l'ensemble du gisement.

5.1. Délimitation du gisement ("Outstepping")

• Puits d'extension : Pour cartographier le réservoir, d'autres puits ("outstep wells") sont forés. Ces puits permettent de déterminer le profil du réservoir, la position des contacts entre le gaz, le pétrole et l'eau, et d'identifier des structures géologiques comme des failles.
• Puits secs ("Dry Holes") : Certains puits peuvent ne rencontrer que de l'eau ou être situés au-delà d'une faille qui bloque le réservoir. Bien que décevants, les "puits secs" fournissent des informations vitales pour définir les limites du gisement.
• Modélisation 3D : L'objectif final est de compiler les données de tous les puits pour construire une image tridimensionnelle du réservoir.

5.2. Mise en production et maintenance de la pression

Une fois le réservoir bien compris, un plan de développement est mis en œuvre pour une production efficace.

• Placement des puits de production : Les puits sont forés dans la zone pétrolifère, à l'écart de la calotte de gaz ("gas cap"), pour utiliser la pression naturelle du gaz et de l'eau pour pousser le pétrole vers la surface.
• Maintien de la pression : À mesure que le pétrole est extrait, la pression du gisement diminue. Pour la maintenir et améliorer la récupération, de l'eau est souvent injectée dans la structure via des puits d'injection dédiés, situés en périphérie de l'accumulation de pétrole.
• Forage dévié : Dans les champs offshore, les installations sont concentrées sur une plateforme centrale. Le réservoir est développé en utilisant la technique du "forage dévié", qui permet de forer de multiples puits avec des trajectoires courbes à partir d'un seul point en surface.

5.3. Conclusion sur le développement

La découverte de nouvelles réserves de pétrole est de plus en plus difficile, se produisant souvent dans des endroits complexes à développer. La mission de l'industrie est d'atteindre ces ressources en utilisant toutes les protections humaines et environnementales possibles, afin de récupérer la plus grande quantité de pétrole possible, aussi longtemps que possible.