La boue de forage est pompée par le centre de la tige de forage et remonte ensuite à la surface jusqu'à l'espace compris entre la tige et les parois du puits. Expérience J'ai préparé cette expérience pour la classe de ma fille qui est à l'école primaire, dans le cadre d'une journée d'animation sur le monde du pétrole. Le but était de mettre la « Physique en mouvement » au moyen de cartes, de vidéos et de descriptions géologiques. Cette expérience s'est avérée tellement positive que j'ai dû la renouveler plusieurs fois. Cette expérience illustre l'un des plus grands risques lors du forage d'un puits de pétrole, une éruption. Elle se produit lorsque la pression de gaz à l'intérieur du puits expulse soudainement le pétrole. Cette expérience permet également d'illustrer les concepts de Boue de forage, Prévention des éruptions, Pression hydrostatique, Balance hydrostatique, Compressibilité et densité du gaz.

Outils et matériel

Comme l'illustre le schéma, le modèle est composé de matériaux standard. Vous aurez peut-être besoin de vous rendre dans un magasin de bricolage ou chez un quincaillier pour obtenir certaines pièces. L'idée est de simuler un puits en utilisant un tuyau en plastique transparent (diamètre interne de 6 mm). Un ballon de baudruche fait office de réservoir et un deuxième tuyau transparent sert de manomètre. Pour mon montage, j'ai utilisé un tuyau de pompe à air d'aquarium (diamètre externe de 6 mm) pour le manomètre, bien que cela provoque une légère erreur de capillarité. Des tuyaux plus larges peuvent être utilisés (mais restez raisonnable dans les dimensions pour des raisons pratiques). J'ai fixé les tuyaux à une planche de bois à l'aide de cavaliers. Un mètre ruban s'est également avéré parfait pour mesurer le niveau d'eau dans le puits et dans la jauge. Veillez à les aligner à la même hauteur. J'ai utilisé le boîtier d'une pellicule photo comme réservoir d'eau pour le manomètre. Pour garantir l'étanchéité, j'ai inséré de la mousse épaisse sous le couvercle du boîtier, puis j'y ai planté les tuyaux de l'aquarium. J'ai utilisé un raccord en croix de 6 mm et un robinet que j'avais sous la main, mais je crois qu'il est possible d'obtenir des résultats similaires avec les raccords et les robinets d'un système d'aquarium.

Outre les préparations exposées ci-dessus, vous aurez également besoin d'eau douce, de sel de cuisine, d'une balance de cuisine, ainsi que d'un petit entonnoir ou d'un verre avec bec verseur.

Vous devrez faire travailler votre imagination pour effectuer des connexions hermétiques avec des attaches plus ou moins de fortune, du ruban adhésif Téflon, des élastiques et du sparadrap. Nous vous recommandons de vous entraîner pour vous familiariser avec cette installation.

Expérience n°1 :

1. Fermez le robinet. Remplissez à ras bord le tuyau simulant le puits avec de l'eau douce. Remplissez également le réservoir à jauge avec de l'eau douce.

2. Actionnez la pompe et remplissez la jauge avec de l'eau jusqu'au-dessous du niveau d'eau du tuyau simulant le puits. Si le ballon gonfle trop, placez deux ballons l'un dans l'autre.

3. Arrêtez la pompe et constatez l'absence de fuite. Ouvrez doucement le robinet. Le niveau d'eau dans le puits diminuera légèrement pour atteindre la même hauteur que dans la jauge. A ce moment, un équilibre se crée, la pression hydrostatique de la colonne d'eau du puits correspondant exactement à la pression du réservoir et maintenant les fluides (dans ce cas l'air) à leur place.

   (Remarques : indiquez le niveau exact de la jauge sur le mètre ruban pour une utilisation ultérieure. Si le niveau descend bien au-dessous du bord du tuyau simulant le puits, fermez le robinet, remplissez le puits et augmentez légèrement la pression avant d'ouvrir à nouveau le robinet.)

4. Simulons à présent un état de sous-pression. Appuyez doucement sur le ballon (afin d'augmenter légèrement la pression du réservoir) et observez la première bulle d'air pénétrant dans le tuyau. Observez l'augmentation de sa taille alors qu'elle remonte le tuyau et que la pression hydrostatique diminue.

5. L'augmentation du volume de la bulle d'air déplace l'eau qui jaillit du tuyau simulant le puits. Au fur et à mesure que le volume d'eau du puits baisse, la pression hydrostatique chute également et un volume d'air plus important pénètre dans le tuyau, déplaçant davantage d'eau... et très rapidement, toute l'eau est expulsée et arrose les personnes autour du montage.

Ce scénario peut se produire lors du forage d'un puits de pétrole, entraînant une éruption qui peut avoir des conséquences catastrophiques. En fait, les premiers forages consistaient à enfoncer un pieu dans le sol à l'aide d'un marteau jusqu'à transpercer le réservoir afin que le fluide s'échappe. En plus d'être dangereuse, peu économique et peu respectueuse de l'environnement, cette technique (ou plutôt l'absence de technique !) était uniquement adaptée aux puits de surface. Dans les forages rotary modernes, de la boue fabriquée est injectée dans le puits pour maintenir notamment les fluides du réservoir en place. La boue de forage est pompée en permanence dans le puits via la tige de forage et remonte ensuite à la surface jusqu'à l'espace annulaire entre la tige de forage et les parois du puits. Le fluide de forage remonté est contrôlé en permanence pour détecter la présence de gaz.

Si du gaz est détecté, le maître-foreur abaisse immédiatement la tige de forage au maximum et la fixe au moyen des mâchoires d'obturateur du dispositif anti-éruption, stoppant ainsi les pertes de fluide. Ensuite, une boue de densité supérieure est injectée à travers la tige de forage et le fluide de l'espace annulaire est libéré afin d'évacuer le gaz et la boue plus légère tout en maintenant la pression. La boue épaisse descend dans la tige de forage et remonte jusqu'à l'espace annulaire. Au fur et à mesure que la colonne de boue s'épaissit, on détecte de moins en moins de gaz à la surface. Une fois la boue épaisse en place et les fluides du réservoir contenus, les mâchoires d'obturateur sont ouvertes et le forage reprend. Nous pouvons également modéliser ce phénomène dans notre simulateur.

Expérience n°2 :

1. Placez sur votre balance de cuisine un récipient d'une capacité suffisante pour remplir le tuyau simulant le puits et tarez-la. Remplissez le récipient d'eau douce et pesez-le.

2. Ajoutez du sel de cuisine pour augmenter le poids de 5 ou 10 %. Remuez pour dissoudre complètement le sel.

3. Fermez le robinet et remplissez le tuyau simulant le puits avec l'eau salée.

4. Actionnez la pompe jusqu'à ce que le niveau du tuyau de la jauge augmente de 5 ou de 10 % par rapport à l'expérience 1 (en fonction du volume de sel ajouté à l'étape 2).

5. Ouvrez doucement le robinet et observez la manière dont une colonne courte de fluidelourd (plus dense) dans le puits compense une grande colonne de fluide léger dans le tube de la jauge.

6. Si des bulles d'air pénètrent dans le puits, ceci signifie que la pression est trop élevée (vous avez trop pompé et le niveau de la jauge est trop élevé). Inversement, si le fluide du tuyau simulant le puits s'échappe, le réservoir est surcompensé (la pression dans le puits est trop élevée). (Une légère perte est inévitable du fait du manque de précision évident de nos mesures. Entraînez-vous !)

7. Bien sûr, nous sommes revenus à un certain équilibre et une légère pression sur le ballon produira le même résultat que dans l'expérience 1.

Dernières remarques

Il est facile d'en déduire que pour forer en toute sécurité, la pression hydrostatique exercée par la colonne de boue de forage doit surcompenser légèrement la pression du réservoir. Cependant, cette pression peut uniquement être évaluée avant le forage. Par conséquent, il est nécessaire d'établir des marges de sécurité. Nous avons également vu que la surcompensation dans la colonne du puits entraîne une perte de fluides dans le réservoir. C'est également dangereux, car cela conduira à l'état d'équilibre qui précède l'éruption. Pour éviter cette situation, les boues de forage sont élaborées afin de boucher les pores du réservoir. Une partie des éléments fluides s'écoule dans les pores du réservoir, constituant le filtrat, mais les particules solides en suspension plus volumineuses bloquent les pores et forment un enduit de boue, empêchant l'entrée de tout fluide dans le réservoir. La perte du fluide de forage est également un paramètre suivi de près lors du forage d'un puits de pétrole.