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Apr 12, 2023

Foreurs contre granit : la roche dure perd son avantage

Sur le site d'essai Utah FORGE, ils forent des puits pour essayer d'accomplir

Sur le site d'essai Utah FORGE, ils forent des puits pour essayer d'accomplir quelque chose que d'autres ont échoué en 50 ans d'essais : injecter de l'eau dans la roche chaude et produire suffisamment de vapeur pour alimenter un générateur électrique commercial.

Il y a plusieurs raisons pour lesquelles c'est difficile, en particulier trouver un moyen d'utiliser la fracturation pour créer ce qui équivaut à une inondation lente et à volume élevé qui chauffe l'eau lorsqu'elle s'écoule d'un puits d'injection vers un puits de production.

Plusieurs paires de puits par centrale électrique sont probablement nécessaires, donc un autre problème est de trouver un moyen d'accélérer le forage, ce qui, sur le site, nécessite de forer à travers un mile de granit à des températures dépassant 400 ° F.

"Cette approche nécessitera des centaines et des centaines de puits. Le défi est le coût, comme dans un puits non conventionnel", a déclaré Fred Dupriest, professeur de pratiques d'ingénierie à la Texas A&M University, lors de la présentation d'un article lors de la récente conférence internationale SPE/IADC sur le forage ( SPE 208798).

La comparaison avec le schiste est pertinente car il a été amené à Utah FORGE pour enseigner aux foreurs comment utiliser le matériel et les méthodes qui ont accéléré le forage dans les non conventionnels pour accélérer le forage à travers la roche dure.

Le coût élevé du forage lent dans la roche dure a inspiré des idées futuristes telles que l'utilisation de l'énergie plasma pour désintégrer la roche dure. Cette technologie était à la base d'une startup, GA Drilling, récemment rachetée par Nabors qui espère la commercialiser pour des sections de roches dures.

Le défi relevé par Dupriest et son partenaire sur le projet, Sam Noynaert, professeur agrégé de pratique d'ingénierie à Texas A&M, était de démontrer que des méthodes de forage plus rapides sont possibles en utilisant la technologie disponible.

L'avenir de l'énergie géothermique dépend d'efforts comme ceux d'Utah FORGE, qui sont financés par le Département américain de l'énergie (DOE), pour surmonter les barrières souterraines qui ont limité l'énergie géothermique à moins de 1 % de l'approvisionnement électrique américain.

La croissance a été limitée par les ressources disponibles. Il y a si peu d'endroits aux États-Unis ou dans le monde qui combinent le chauffage géothermique, l'eau et des fractures naturellement conductrices permettant de forer des puits produisant de la vapeur surchauffée.

D'un autre côté, il n'est pas difficile de trouver de la roche chaude et sèche. Si des systèmes rentables peuvent être construits pour injecter l'eau dans des formations chaudes et produire suffisamment d'eau très chaude, les centrales géothermiques pourraient être situées à proximité des grands marchés énergétiques urbains.

Les professeurs de Texas A&M ont été embauchés pour enseigner aux foreurs comment réduire le temps nécessaire au forage d'un puits d'injection et de deux puits verticaux qui observeront l'impact de la fracturation et les futurs débits d'eau (Fig. 1).

Dupriest a reconnu que ce qui est considéré comme rapide dans le schiste est beaucoup plus rapide que ce qui est possible dans la roche dure, qu'il a décrite comme "5 000 pieds de comptoir de cuisine". Mais il a ajouté que "les types de problèmes qui limitent le taux de forage et la façon dont vous les traitez ne sont pas différents".

Ils ont combiné certains changements évidents pour les foreurs de schiste, tels que l'utilisation de trépans PDC - des fraises compactes en diamant polycristallin sur un corps solide qui tourne pendant le forage - pour changer la façon dont les foreurs gèrent le processus en leur enseignant un flux de travail "basé sur la physique, limiteur-reconception" .

La physique fait référence à une compréhension de la théorie. Dans un monde parfait, ajouter plus de poids sur le foret (WOB) signifiera un forage plus rapide. La réalité du terrain est qu'il existe des limites qu'un foreur peut reconnaître en utilisant une mesure de l'efficacité du forage - l'énergie spécifique mécanique (MSE). La tendance des données MSE joue un rôle essentiel dans le diagnostic des problèmes qui se cachent derrière les obstacles à un forage plus rapide.

La refonte du limiteur est le processus utilisé pour diagnostiquer la source des limites de performance, ou dysfonctionnements, et trouver un moyen de les prévenir. Les solutions nécessitent souvent de contacter des ingénieurs, des fournisseurs ou des experts pour obtenir des conseils. Pour une explication plus complète de la méthode, voir Pour en savoir plus à la fin de cet article.

Sur trois puits, l'équipe de forage a réduit les temps de puits de "plus de la moitié". Sur la base de leurs résultats, forer une moyenne de 100 pieds/h était une vitesse de forage réaliste dans le granit et plus est possible. La méthode leur a également permis de prolonger la durée de vie du trépan d'une course de 742 pieds sur le premier puits à une course de 2 100 pieds pour le dernier, selon les auteurs de l'article.

"Ce puits a vraiment cassé le barrage en termes de forage dans les cercles géothermiques, car il a prouvé que la technologie PDC pouvait considérablement améliorer les performances par rapport aux cônes à rouleaux [tricone bits]", a déclaré John McLennan, responsable technique de l'Utah FORGE pour la gestion des ressources et professeur agrégé de chimie. ingénierie à l'Université de l'Utah, qui gère le site. Il a ajouté: "Une grande partie du mérite revient à deux personnes de la Texas A&M University, Fred Dupriest et Sam Noynaert."

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La raison évidente pour laquelle le taux de pénétration (ROP) au premier puits de test était beaucoup plus élevé que le précédent était qu'ils ont commencé à utiliser un trépan PDC.

L'équipe de forage a réussi à établir ce record éphémère en forant le puits le plus profond du site avec la conception de puits la plus complexe - un puits de forage dévié qui s'incurve à un angle de 65° à environ 6 000 pieds de profondeur.

Le fait que les trépans PDC n'aient pas été largement utilisés par les foreurs géothermiques est une indication de la façon dont il diffère du forage pétrolier et gazier.

La technologie de forage horizontal s'est rapidement améliorée pendant la révolution du schiste, qui dépendait de taux de forage plus rapides pour réduire le coût des nombreux puits horizontaux nécessaires pour soutenir la croissance de sa production.

En comparaison, le forage géothermique est une petite niche dans l'entreprise sur sa propre voie lente. L'accent était moins mis sur le forage plus rapide que sur la capacité à résoudre les problèmes propres à ce secteur, comme le forage en toute sécurité tout en évacuant la vapeur.

Les foreurs se sont contentés du matériel disponible. Une plate-forme de forage à table rotative a été utilisée pour forer le puits pilote (puits 58-32), qui est une ancienne conception qui est encore couramment utilisée dans le développement géothermique, a déclaré Bill Rickard, président et ingénieur de forage principal de Geothermal Resources, qui a été embauché pour planifier et gérer le forage des puits Utah FORGE.

Pour le puits pilote foré avant le financement du DOE, Rickard a essayé d'appliquer la MSE en se basant sur ce qu'il avait appris des documents techniques. Pendant le forage du puits, un étudiant diplômé embauché pour analyser les données lui a dit que la collecte de lectures MSE "à l'aide d'un tendeur de couple sur une chaîne rotative" était frustrante car les données étaient "partout".

À ce moment-là, les bits PDC semblaient à Rickard comme un mauvais choix pour la géothermie. "En 1980, j'ai mis pour la première fois un trépan PDC dans un puits géothermique ; cela fonctionnait bien, mais c'était un outil coûteux, et je pouvais forer tout aussi rapidement avec un trépan tricône", a-t-il déclaré.

C'était une façon diplomatique de le dire. Il a déclaré que le trépan PDC utilisé avec succès sur le premier puits d'essai à Utah FORGE était "le premier que j'ai jamais exécuté dans une formation granitique dure qui ne ressemblait pas à un bouchon de taureau". En d'autres termes, il ne s'est pas retrouvé comme un PDC avec tous ses couteaux cassés.

Dupriest a souligné que si les forets sont désormais conçus pour résister à la roche dure abrasive, "nous avons également appris à éviter de les battre, en particulier dans la roche dure". Sur la base de ce qu'il a appris de Dupriest et Noyaert pendant le test, Rickard utilise des bits PDC sur d'autres puits qu'il gère pour des clients.

Toutes les personnes impliquées dans le forage ont suivi un cours de formation de 16 heures dispensé par l'équipe Texas A&M, couvrant un flux de travail basé sur la "physique du forage". La façon dont la méthode est utilisée pendant le forage peut être résumée en une phrase : une combinaison de forage plus rapide en maximisant le WOB et en maximisant l'efficacité du travail et la durée de vie du trépan en utilisant la tendance des données MSE pour voir quand quelque chose ne va pas.

MSE offre aux foreurs une mesure de surface de la force nécessaire pour forer à travers la roche. Elle est normalement un peu plus élevée que la force nécessaire pour casser la roche lors d'un essai en laboratoire, car les conditions de fond affectent le forage. Lorsque le MSE s'élève bien au-dessus de ce niveau, les foreurs doivent déterminer la source du dysfonctionnement.

Une partie importante du flux de travail consiste en des tests par étapes périodiques où WOB est ajouté par incréments de 5 000 lb jusqu'à ce que la lecture MSE montre des signes de dysfonctionnement, qui commence par un forage inefficace et peut atteindre un point où il détruit le trépan.

Lorsque ces limites sont identifiées, les équipes de forage utilisent MSE et d'autres données pour diagnostiquer la source du dysfonctionnement et rechercher des moyens de supprimer le limiteur sur la base d'une liste établie de dysfonctionnements et de leurs traitements.

Les changements qui ont considérablement amélioré les performances à Utah FORGE comprenaient l'utilisation de tiges de forage de plus grand diamètre, la demande de modifications de conception du fabricant de trépans et le passage du fluide de forage à l'eau.

Les cours de formation incluaient tout le monde, des gestionnaires de forage aux ouvriers de forage, et étaient conçus pour persuader les équipes de forage de travailler avec le soutien des gestionnaires pour appliquer une méthode qui leur demande généralement de rompre avec certaines vieilles habitudes.

L'expression "basée sur la physique" est essentielle lorsqu'il s'agit de persuader ceux qui font et gèrent le forage de changer leurs habitudes.

"Nous résistons au changement quand cela n'a pas de sens pour nous, et ne résistons pas quand c'est le cas", a déclaré Dupriest, ajoutant que "parce qu'ils avaient une compréhension physique de chaque limiteur dominant, ils ont diagnostiqué eux-mêmes le dysfonctionnement, identifié le changement nécessaire , et l'a mis en œuvre."

D'après les commentaires, il semble que les élèves aient apprécié ce qu'ils ont appris.

"Je pense que la formation dispensée par Fred et Sam a fait une différence", a déclaré McLennan. Un signe que les étudiants appréciaient la formation était que "nous avions des gens qui voulaient la reprendre lorsqu'ils revenaient pour forer des puits ultérieurs", a-t-il déclaré.

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Le deuxième puits a été foré verticalement, ce qui a amélioré les performances en éliminant le besoin de ralentir pour glisser, en faisant tourner l'ensemble de fond de trou pour se diriger.

Le forage a également bénéficié des modifications apportées par NOV aux trépans PDC. La nouvelle conception comprenait des fraises en «v» conçues pour s'enfoncer davantage dans la roche pour une coupe plus profonde. Cette conception agressive a réduit le nombre de rotations requises par pied, accélérant la progression et prolongeant la durée de vie du foret.

Une chose est restée inchangée par rapport au puits d'essai 1 - le WOB était limité à une plage comprise entre 35 000 et 45 000 lb, ce qui empêchait l'évaluation de l'effet de l'ajout de plus de poids pour accélérer la progression. Pourtant, le temps au fond a été réduit d'un tiers par rapport au puits précédent, et la plus longue course de forage a augmenté de 66 %.

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Le troisième puits était également un puits d'observation vertical, mais cette fois, ils voulaient voir s'ils pouvaient accélérer le forage en poussant le WOB jusqu'à 50 %.

Pour s'assurer que le train de tiges rotatif puisse fournir le couple requis aux poids les plus élevés sans dysfonctionnement, comme le blocage et le glissement, ils ont augmenté le diamètre du train de tiges de 5,0 à 5,5 pouces.

Sur la base des tests par étapes, ils ont décidé qu'ils pouvaient pousser le WOB à 68 000 lb, la limite structurelle du mors selon NOV.

Ils ont foré plus rapidement et ont prolongé leur course record de 70 %, ce qui prouve le message souvent répété de Dupriest selon lequel plus de poids pourrait réduire l'usure du foret si le poids ajouté ne cause pas de dysfonctionnement.

L'équipage a cependant rencontré d'autres problèmes en cours de route. Pendant le forage, les lectures MSE ont grimpé jusqu'à 85 000 psi, soit environ le double de la force nécessaire pour percer le granit.

Après avoir examiné plusieurs causes possibles, ils ont identifié la boue de forage comme étant le problème. Plus précisément, à la pression du puits, la boue a comprimé les déblais granuleux fins ensemble, les faisant se comporter comme s'ils étaient une masse dure et provoquant un pic d'énergie nécessaire pour couper et nettoyer le trou.

Pour empêcher la formation de masses dures, ils sont passés au forage avec juste de l'eau car contrairement à la boue, l'eau se déplace rapidement parmi les déblais, pressurisant ces espaces de sorte qu'ils n'ont aucune force, a déclaré Dupriest.

En conséquence, "la ROP a doublé et la MSE a chuté de moitié lorsqu'une pilule d'eau douce de 100 bbl est passée à travers le mors", indique le journal.

C'est une idée qui devrait être considérée dans d'autres puits géothermiques. Dans certaines formations, des changements seront nécessaires, comme l'utilisation de la contre-pression pour assurer le contrôle du puits, a déclaré Dupriest, ajoutant que "le prix est suffisamment important pour être inventif, si nécessaire".

En fin de compte, les gains dus à l'intelligence de forage ont égalé ce qui a été ajouté par les bits PDC. "Même après l'introduction des PDC sur le premier puits, le temps de forage au fond a de nouveau été réduit de plus de moitié grâce aux changements continus apportés par l'équipe", a déclaré Dupriest.

Jody Robins, ingénieur principal en géothermie pour le National Renewable Energy Laboratory qui travaille sur un rapport sur les coûts de forage, a été impressionné par le fait que des "vitesses sans précédent" en géothermie ont été atteintes, où une moyenne commune est de 10 pieds/h. Il y a eu de "grands sauts" de puits en puits et "au troisième puits, ils ont vraiment tout détruit", a déclaré Robins.

Les foreurs non conventionnels ont appris de plusieurs milliers de puits, il est donc raisonnable de supposer qu'il y a place à amélioration dans le forage géothermique après un test de trois puits.

Ajouter plus de poids ne semble pas être une option car cela nécessiterait de créer un mors capable de supporter une charge encore plus importante. Cependant, pour ce faire, Dupriest a déclaré que le concepteur de bits "devrait peut-être sacrifier d'autres fonctionnalités importantes".

Il existe d'autres options à considérer qui, selon lui, pourraient potentiellement augmenter la vitesse de forage de 30% dans la roche dure. Une rotation plus rapide pourrait permettre une plus grande pénétration par pied, mais cela nécessiterait des moteurs plus puissants et des débits de fluide accrus pour éviter la surchauffe du foret.

Un autre limiteur de performance, si sa cause pouvait être identifiée et corrigée, est que lorsque le forage avec un nouveau trépan commence dans la roche dure, le ROP ralentit considérablement sur les 100 à 200 premiers pieds.

"Le plus gros prix est probablement de comprendre pourquoi les trépans perdent du ROP au début de la course. Pratiquement tous les trépans commencent à environ 250 pieds/h, puis diminuent au cours des 100 à 200 premiers pieds de forage jusqu'à environ la moitié. Si un peu fore 1 pied à 250 pieds/h, il devrait forer chaque pied de la même roche à 250 pieds/h », a déclaré Dupriest.

Il est difficile de voir à quel point l'usure du trépan est un problème, car il a déclaré que "l'usure observée est à peine perceptible, et la plupart des foreurs appelleraient encore le trépan" vert ". C'est probablement lié à une très petite quantité d'usure, mais cette usure doit déclencher un dysfonctionnement très important, et c'est le dysfonctionnement que nous devons comprendre", a-t-il déclaré.

Plus vite c'est mieux, mais sont-ils assez rapides pour justifier le développement de projets d'injection de roches chaudes ?

La réponse est : ils sont clairement plus proches de la cible, qui à ce stade est susceptible de se déplacer.

Après les gains surprenants de ces trois puits, Robins a déclaré qu'ils se demandaient si leur courbe de coût de forage de base "n'était pas assez agressive" et a conclu que "la base est toujours moins chère que ce que nous pouvons faire dans la vraie vie".

Les coûts d'un forage plus rapide seront incorporés dans le modèle d'évaluation de la technologie de l'électricité géothermique du DOE utilisé pour évaluer si cette méthode est à un statut presque commercial. Bien qu'un forage plus rapide représente une économie importante, il n'affecte pas les autres coûts de complétion tels que la fracturation et le tubage. En conséquence, "il y a des rendements décroissants après 50 pieds/h", a-t-il déclaré.

Robins, qui a plus de 20 ans d'expérience dans le forage et l'achèvement du pétrole et du gaz, a noté : « Si vous venez du côté du pétrole et du gaz, vous ne réalisez pas à quel point les puits doivent être grands » ou le tubage de grand diamètre nécessaire. pour assurer un débit suffisant. De plus, presque tous les obturateurs et bouchons de pont testés dans ces puits chauds ont échoué, ce qui pourrait être un problème coûteux à résoudre.

Le nombre de puits requis par mégawatt généré n'est pas connu. Dans les tests passés, la production d'énergie de chaque puits - basée sur le volume d'eau et sa teneur en chaleur - était si faible que le nombre de puits requis pour une centrale électrique aurait été incroyablement élevé.

Il faudra un certain temps avant que Utah FORGE ne puisse offrir des données montrant l'efficacité de sa paire de puits. Il a récemment fracturé le puits d'injection et forera et fracturera le puits de production dans un an avec des plans basés sur les résultats de fracturation récents.

Pour Rickard, les puits d'essai ont déjà changé son approche du forage géothermique. En enseignant la méthode et en utilisant des bits PDC, il a réduit le nombre de jours par puits de 50 à aussi peu que 31. Au moment de la rédaction, il travaillait sur un travail qu'il s'attendait à terminer en 25 jours.

Pour Dupriest, recruter un autre enseignant est une victoire alors qu'il essaie de comprendre comment transmettre son travail à la prochaine génération, qui comprend un grand groupe d'étudiants qui ont suivi son cours à Texas A&M.

Rickard espère que ce sera un outil pour l'aider à transmettre ce qu'il sait sur le forage aux membres de l'entreprise de huit personnes. "J'avais fait ce genre de choses pendant toute ma carrière, mais ce n'était pas aussi bien organisé, avec un nombre de puits loin d'être égal et l'expérience de Fred", a déclaré Rickard, ajoutant : "Lorsque vous doublez le ROP sur trois bien, il y a beaucoup à dire pour cela."

Un test de trois puits sur le site Utah FORGE a clairement montré qu'il est possible de forer deux fois plus vite dans le granit. Les graphiques inclus dans les rapports de test offrent un aperçu plus détaillé de leurs performances.

SPE 208798 Pratiques de forage et flux de travail pour les opérations géothermiques par Fred Dupriest et Sam Noynaert, Texas A&M University.

SPE 208777 Normalisation des équations d'énergie mécanique spécifique et nomenclature par Fred Dupriest, Texas A&M ; Paul Pastusek, ExxonMobil Upstream Integrated Solutions Co. ; Stephen Lai et Bob Best, Pason Systems et al.