Centre national de la recherche scientifique - ÉTANCHÉITÉ DES FORAGES PROFONDS · 2014. 1. 21. · de Yaggi à une douzaine de km du centre de la ville. Stockage initialement de

ÉTANCHÉITÉ DES FORAGES PROFONDS

Leçons tirées des stockages d’hydrocarbures

Pierre Bérest

LMS, Ecole Polytechnique

UMR 7649

1 CNRS, 14 janvier 2014

DEUX EXEMPLES


HAOUD-BERKAOUI (Algérie, 1986)

CNRS, 14 janvier 2014 3

IMPERMÉABLE

IMPERMÉABLE

CNRS, 14 janvier 2014 4 NB : profondeurs erronées

SEL

Nappe superficielle

Aquifère artésien

450 m

600 m

870 m

1370 m

220 m

CNRS, 14 janvier 2014 5 Z

P

HYDROSTATIQUE


+2,5 MPa (250 m eau)

CNRS, 14 janvier 2014 6 Z HYDROSTATIQUE


P


P

HYDROSTATIQUE


DÉFAUT DE CIMENTATION


P

HYDROSTATIQUE



Cratère de Haoud Berkaoui. Au premier plan, l’ombre du mât de forage d’où est prise la photo. Le cratère a un diamètre de 200 m et une profondeur de 75 m (Morisseau, Geostock).

HUTCHINSON (Kansas, 2001)


14

Chronologie de l’accident de Hutchinson – Janvier 2001

17 janvier – 10h45 Incendie dans un drugstore.

17 janvier – Après-midi 8 ou 9 geysers, saumure et gaz à 3-4 km de là.

On suspecte les nombreux vieux sondages ayant exploité le sel à environ 200 mètres de profondeur.

18 janvierOn apprend que la veille vers 11h il y a eu une chute de pression sur la cavité S1 du stockage de Yaggi à une douzaine de km du centre de la ville.

Stockage initialement de propane dans les années 80. Profondeur de 200 à 300 mètres. Dépôt de bilan en 1990, puits cimentés, puis rachat pour stocker du gaz – 30 à 70 cavernes exploitées sous 4 MPa.

18 janvierNouvelle éruption au centre ville, 2 morts.

CNRS, 14 janvier 2014



17 janvier – Après-midi 8 ou 9 geysers, saumure et gaz à 3-4 km de là.

18 janvier Nouvelle éruption au centre ville, 2 morts.


Hutchinson

Yaggi

Yaggi Hutchinson

11 km

SOURCE: KANSAS GEOLOGICAL SURVEY

DÉCHIRURE DANS L’ACIER

NIVEAU PEU ÉPAIS FRACTURÉ

ANALYSE DE L’ACCIDENT D’HUTCHINSON

Certainement l’accident de stockage d’hydrocarbures le plus grave

Car il révèle que le gaz peut sortir en surface très loin du stockage

Néanmoins ce stockage cumule beaucoup d’erreurs et de fautes de conception


21

ANALYSE DE L’ACCIDENT D’HUTCHINSON

Lors du reforage de S1, on a sans doute fraisé le cuvelage, on avait jeté des pièces en acier dans le trou lors de sa cimentation !

Il y a eu des essais en pression des cavités en 1993 à un gradient 1,73. Mais S1 a été testée en dernier avec de l’eau douce (gradient 1,48).

Avant 1997, la pression maximale de service était de 4,1 MPa au fond. Le gaz fuyait mais sa pression n’était pas suffisante pour créer une éruption sous Hutchinson.

En 1997, l’Etat autorise 4,78 MPa (gradient 2). Le 14 janvier 2001, on remplit jusqu’à 4,76 MPa – Eruption 3 jours après.

Après coup : réglementation jugée indigente et effectifs insuffisants.

Nouvelle réglementation au Kansas Bérest P., Brouard B. (2013). Etudes de cas dans l’exploitation du sel. Chapitre du Manuel III de Mécanique des Roches édité par le Comité Français de Mécanique des Roches.


P

HYDROSTATIQUE


GÉOSTATIQUE

ANCIENNES ET NOUVELLES UTILISATIONS DU SOUS-SOL


Aquifère (CH4)

Cavité minée (C3H8)

Cavité sel (Cn H2n+2)

Mine de sel (déchets industriels)

Aquifère salin (CO2, H2)

Cavité sel (air comprimé)

Stockage profond (déchets radioactifs)

Exploration Production Hydtrocarbures

L’ETANCHEITE EST FONDAMENTALE


L’ETANCHEITE EST UNE NOTION RELATIVE

À un contexte économique : une perte de 1%/jour est acceptable en air comprimé ; 1%/an est trop grande pour un stockage dormant de pétrole, admissible si nombreux cycles, inadmissible pour un stockage de CO2.

À la sécurité : l’air, et même le CO2 et CH4 purs et en petites quantités ne sont pas des poisons de l’eau, le pétrole oui ; en cas de fuite débouchant en surface, les hydrocarbures gazeux plus lourds que l’air sont très dangereux, une éruption de gaz naturel peut s’avérer anodine À la durée de vie de l’ouvrage.


LE SOUS-SOL EST (SOUVENT) NATURELLEMENT ASSEZ ETANCHE


LE SOUS-SOL EST SOUVENT ASSEZ ETANCHE

La perméabilité de matrice de certaines couches peut être très faible. Mais c’est la perméabilité de fracture qui compte.

Néanmoins les experts s’accordent sur le fait que la perte de confinement

d’un ouvrage est le plus souvent due à une faiblesse des puits d’accès plutôt qu’à une faiblesse « naturelle » Inattendu ! Deux raisons possibles: - La sélection des sites est bien faite (en stockage de gaz en aquifère, on abandonne 2 sites sur 3 après géophysique-carottage- essai d’interférence) - Les mécanismes géologiques de remplissage-colmatage des fractures sont très efficaces ?


Aquifère (CH4)

Cavité sel (Cn H2n+2)


Exploration Production

LES PUITS SONT-ILS ÉTANCHES ?



CIMENT

SABOT

DERNIER CUVELAGE

CIMENTÉ

Déterminants de l’étanchéité 1. Nature des couches traversées (aquifères = - ; sel, argile = +) 2. Pressions dans le puits (gaz = -) 3. Qualité du ciment 4. Qualité de mise en place du ciment (µ-annulaires) 5. Paramètres d’exploitation (P,T) 6. Durabilité de l’acier (1 siècle ?) 7. Architecture du puits (nombre de cuvelages)

1 8 2( 1 0 m )K

2 1 1 5 2( 1 0 -1 0 m )K

34

L’ACCIDENT DE MONT BELVIEU (TEXAS)

Formation Stockage Souterrain de Gaz – Mines de Douai – 11 juin 2010

35

1958 Forage du puits

17 septembre 1980 Chute de la pression en tête de puits

04 octobre 1980 Explosion de gaz dans les fondations d’une maison

DÔME DE SEL

Unique cuvelage

C

36

DEPUIS, LA RAILROAD COMMISSION OF TEXAS A RENDU OBLIGATOIRE LA PRÉSENCE D’UN DOUBLE CUVELAGE CIMENTÉ ANCRÉ DANS LE SEL UNE TENDANCE QUI SE GÉNÉRALISE POUR PLUSIEURS CLASSES DE PUITS (Déchets, Classe VI: CO2)

Cap Rock

L’ETUDE SCIENTIFIQUE DE L’ETANCHEITE EST DIFFICILE

• Beaucoup de travail a été accumulé sur les ciments, les adjuvants, les calipers, les centreurs ….

• Mais le facteur principal reste la qualité de la mise en place, lors du forage ou de l’abandon,en conditions de chantier, à plusieurs milliers de mètres de profondeur

• Avec assez peu de moyen de contrôles (toutefois, diagraphies : CBL) ou d’essais

• REX difficile hormis accidents graves.


WATSON & BACHU (Alberta, 315 000 puits)

Une analyse « épidémiologique »

de la qualité des fermetures de puits en Alberta

Après 1995, deux mesures deviennent obligatoires :

- Surface Casing Vent flow

- Gas Migration



P

SCVF

GM

Croisé avec : 1. Age du puits (??) 2. H2S/CO2 3. Opérateur 4. Profondeur cuvelage surface 5. Densité de puits 6. Topographie de surface

7. Zone géographique 8. Puits déviés 9. Méthode d’abandon 10. Prix du pétrole 11. Réglementation 12. Cuvelage cimenté ou non

CAUSALITE VS CORRELATION !!!

NICOT (TEXAS, 1 million de puits)

ÉTANCHÉITÉ DES PUITS ABANDONNÉS Met en évidence 4 facteurs : - Les matériaux utilisés (ciment) - La réglementation et son application - Le soin apporté à l’abandon - Et donc l’âge : 1930, centralisateurs; 1934, plugging regulation ; 1940, caliper,

tagging du ciment ; 1940, plusieurs types de ciment; 1957, loi sur la protection des eaux souterraines; 1953, première standardisation API ; 1997, certification obligatoire des opérateurs de plugging


MIYAZAKI (Sud Californie)

Depuis 1985, la Division of Oil, Gas and Geothermal Resources demande pour toute nouvelle construction proche d’un puits abandonné : « new leak testing and inspection ». - Des fuites sont détectées dans 10% des cas - 10% des puits abandonnés développent une fuite dans l’année B. Miyazaki, Well Integrity, an overlooked source of risk and liability for underground ng storage. Evans & chadwick, The geological society of London, 2009.


STOCKAGE DE GAZ NATUREL EN AQUIFÈRE OU EN DEPLETE (MARLOW; P.B.)

• Marlow (1988). Enquete via AGA sur 6953 puits: 428 sont fuyards, dont 78% détectés le 1er mois, 8% après 10 ans

Corrélation avec la profondeur et la pression.

• France (PB): 12 SITES, 400 PUITS, ENVIRON 5% DES CIMENTATIONS ONT DES FUITES, VITE DÉTECTÉES PAR DIAGRAPHIES, ET RÉPARÉES PAR PERFORATION-INJECTION. MOINS DE 1% NE SONT PAS DÉTECTÉES. TOUTEFOIS LA FUITE RESTE CONFINÉE DANS UN AQUIFÈRE SUS-JACENT


LES CAVITÉS SALINES PERMETTENT DE MESURER LES FUITES DE

CIMENTATION



EXEMPLES DE CAVITÉS

1. Tersanne (France) 2. Etrez (France) 3. Atwick (Grande-Bretagne) 4. Kiel (Allemagne) 5. Huntorf (Allemagne) 6. Epe (Allemagne) 7. Eminence (USA) 8. Melville (Canada) 9. Regina (Canada) 10. Manosque (France) 11. Hauterives (France) 12. Salies de Béarn (France)

Aquifère (CH4)

Cavité saline (Cn H2n+2)


Exploration Production

UNE LITTÉRATURE ABONDANTE • Bérest P., Brouard B., and Durup J.G. Tightness Tests in Salt-Cavern Wells. Oil & Gas Science and Technology – Rev.IFP, Vol.56 (2001), n°5, 451-469. • Crotogino F.R. (1994). External well mechanical integrity testing/performance, data evaluation and assessment. Report no. 95-0001-S for the Solution Mining Research Institute. • Crotogino F. and Kepplinger J. (2006). Cavern Well Abandonment Techniques Guidelines Manual. Research Report no. 2003-3-SMRI. • Kelly SL. and Fleniken JA. (1999) the development of Cement evaluation Quality control Measures for salt caverns. Proc. SMRI spring Meeting, Las Vegas, 193-225. • Jordan CW. (1987) Cased Hole Logging for determining Mechanical Integrity of Storage Wells. Proc. SMRI Meeting, Tulsa. • Thoms R. and Kiddoo (1998) SMRI Technical class, in: Guidelines for Safety assessment of salt Caverns, Roma. • Thiel W.R. (1993) Precision Methods for Testing the Integrity of Solution Mined Underground Storage Caverns. Proc. 7th Symp. on Salt, Kakihame H., Hardy H.R. Jr, Hoshi T., Toyokura K. eds.,

Elsevier, Vol. I, 377-383. • Thiel W.R. and Russel J.M. (2004) Pressure Observation Testing Solution Mined Underground Storage Caverns in Kansas. Proc. SMRI Spring Meeting, Wichita, 186-198. • Nelson P.E. and Van Sambeek L.L (2003) State-of-The-Art Review and New Techniques for Mechanical Integrity Tests of (Gas-Filled) Natural Gas Storage Caverns, 2001-4-SMRI, prepared for

Solution Mining Research Institute. • Blair R.W. (1998) Mechanical Integrity Test (MIT) Nitrogen Interface Method, SMRI Short Course, SMRI Spring Meeting, Houston, 7th speaker. • Van Fossan NE. The characterization of mechanical integrity for cased boreholes entering solution caverns. In Proceedings Sixth International Symposium on Salt, Vol. II: The Salt Institute;

1983:111-120. • Van Fossan NE and Whelply FV. Nitrogen as a testing medium for proving the mechanical integrity of wells. In Proceedings SMRI Fall Meeting, Houston, 1985 • ATG Manual. Gas transport and distribution handbook (Manuel pour le transport et la distribution du gaz. Titre XIII, Stockages Souterrains de Gaz). Paris: Association Technique de l'Industrie du

Gaz en France, 1985:333 pages (in French). • HEITMAN NA. EXPERIENCE WITH CAVERN INTEGRITY TESTING USING NITROGEN GAS. IN PROCEEDINGS SMRI SPRING MEETING, TULSA, OKLAHOMA, 1987. • Vrakas J. Cavern integrity testing on the SPR program. In Proceedings SMRI Spring Meeting, Mobile, Alabama, 1988. • Diamond HW. The water-brine interface method, An alternative Mechanical Integrity Test for salt solution mining wells. In Proceedings SMRI Fall Meeting, San Antonio, Texas, 1989. • Diamond HW, Bertram BM, French PS, Petrick GD, Schumacher MJ and Smith JB. Detecting very small casing leaks using the water-brine interface method. In Proceedings of Seventh Symposium

on Salt, Vol. I. Amsterdam: Elsevier Science Publishers B.V.,1993:363-368. • Brasier FM. Assuring the integrity of solution mining operations. In Proceedings SMRI Fall Meeting, Paris, France, 1990. • Thiel WR. Precision methods for testing the integrity of solution mined underground storage caverns. In Proceedings of Seventh Symposium on Salt, Vol. I. Amsterdam: Elsevier Science Publishers

B.V.,1993:377-383. • Bérest P, Brouard B and Durup G. Tightness tests in salt-cavern wells. In Proceedings SMRI Spring Meeting, Banff, Canada, 2002: 1-26. • Remizov VV, Pozdnyakov AG and Igoshin AI. Examination of rock salt underground cavern testing for leak-tightness by pressure alteration. In Proceedings SMRI Fall Meeting, San Antonio, Texas,

2000:55-64. • Branka S, Mazur M and Jasinski Z. MIT in Gora underground cavern oil and fuel storage. In Proceedings SMRI Fall Meeting, Bad Ischl, Austria, 2002:65-73. • Edler D, Scheler R and Wiesner F. Real time interpretation of tightness tests investigating the casing shoe region of final cemented casings in gas storage cavern wells. In Proceedings SMRI Spring

Meeting, Houston, Texas, 2003:251-259. • Thiel WR and Russel JM. Pressure observation testing solution mined underground storage caverns in Kansas. In Proceedings SMRI Spring Meeting, Wichita, Kansas, 2004:186-198. • CH2MHILL, Inc. Technical manual for external well mechanical integrity testing Class-III salt solution mining wells, Report for The Solution Mining Research Institute, 1995. • Crotogino FR. SMRI references for external well mechanical integrity testing/performance, data evaluation and assessment, Summary of the final project report, SMRI 94-0001. SMRI Spring

Meeting, Houston, Texas, 1996. • Nelson PE and Van Sambeek LL. State-of-the-art review and new techniques for Mechanical Integrity Tests of (gas-filled) natural gas storage caverns. SMRI Research Project Report, No. 2001-4-

SMRI. 2003:92 pages. • Van Sambeek LL, Bérest P and Brouard B. Improvements in Mechanical Integrity Tests for solution-mined caverns used for mineral production or liquid-product storage. SMRI Research Project

Report 2005-1. 2005:142 pages. • Van Sambeek L.L., Bérest P. & Brouard B. 2005. Improvements in Mechanical Integrity Tests for solution-mined caverns used for mineral production or liquid-product storage. SMRI Research

Project Report 2005-1:142 pages.


LE PLUS SIMPLE DES ESSAIS



SAUMURE

PP

t


PP

t ΔP

ΔVinj


PP

t

/dP dt

/app

Q V dP d t

Pressure Drop Rate :

Cavern Compressibility:

Apparent Leak Rate:

Volume Loss = Cavern Compressibility x Pressure Drop

1 9 k P a /d ayP

3 .97 litres/kP aV

7 5 litres /d ayV P

(ΔV) (βV) = (ΔP) x

3 JOURS


3 JOURS

6 MOIS

LE PLUS SIMPLE DES ESSAIS

ESSAI TROP SIMPLE C’EST LA CAVERNE, PAS LES FUITES PAR

LE PUITS, QUI COMMANDE L’ÉVOLUTION DE LA PRESSION


FUITE RÉELLE

AUTRES FACTEURS D’ÉVOLUTION DE LA PRESSION

Q < 0

• « Reverse » Creep

• Additional Dissolution

•Adiabatic cooling

(LE CHATELIER)

Q > 0: Brine Warming

(0.1°C / yr)

3 days 18 months

LES ESSAIS AVEC INTERFACE (2 FLUIDES)



PERMETTENT UNE ANALYSE SELECTIVE DES FUITES PAR LE PUITS OU LE SABOT

LES ESSAIS AVEC INTERFACE LIQUIDE-LIQUIDE


L E S D E U X L IQ U ID E S O N T D E S D E N S IT E S D IS T I N C T E S

S I L 'IN T E R F A C E N E B O U G E P A S

L E S D E U X P R E S S IO N S S O N T P A R A

L L E L

E S

w h w h

a n n tu bP P

SITE D’ETREZ, STORENGY (GDF-SUEZ)

Bérest P., Bergues J., Brouard B., Durup J.G., and Guerber B. A salt cavern abandonment test. Int. J. Rock Mech. & Mining Sci., 38:357-368, 2001.

LES ESSAIS AVEC INTERFACE (LIQUIDE-LIQUIDE)

EXTRÊMEMENT PRÉCIS SI LA CHEMINÉE EST A UN SECTION À PEU PRÈS CONSTANTE

MOINS SENSIBLE QUE GAZ-LIQUIDE, CAR LIQUIDE PLUS VISQUEUX QUE GAZ

PAR DEUX ORDRES DE GRANDEUR


LES ESSAIS AVEC INTERFACE (LIQUIDE-GAZ)

- Les plus précis - Obligatoires tous les 5 ans pour le

stockage de liquide au Texas, Kansas, Louisiane


ESSAI A L’AZOTE (Mechanical Integrity Test)

m e s u ré ; n e c h a n g e g u è re

s 'in tè g re : / ( , )

( in te rfa c e ) m e s u ré e p e n d a n t 3 jo u rs

d 'o ù

P V n R T

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T

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n

LES RECOMMANDATIONS

- Thiel : 1000 bbls/yr (160 m3/an)

- Crotogino pour le SMRI : 270 m3/an

Sauf erreur grave de mise en œuvre, 150 m3/an (P, T fond) est un majorant crédible de la fuite


- Thiel : (1000 bbls/yr) 160 m3/an - Crotogino pour le SMRI : 270 m3/an

- Signifie que la plupart des fuites mesurées sont dans la fourchette [0 – 150 m3/an]

et souvent dans le bas de la fourchette

- Est-ce beaucoup ? Très petit pour un stockage de CO2 (150 000 m3 en 1000 ans)

- Implique une perméabilité globale de la cimentation

élevée ( )


17 15 210 10 mK

CONCLUSIONS

- Poursuite des progrès sur les ciments

- Réglementation et bonnes pratiques pour la mise en œuvre des ciments (API)

- Double cuvelage pour applications sensibles (cher !)

- Analyse de sûreté


Documents

Centre national de la recherche scientifique - ÉTANCHÉITÉ DES FORAGES PROFONDS · 2014. 1. 21. · de Yaggi à une douzaine de km du centre de la ville. Stockage initialement de