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Énergies renouvelables | Production éco-responsable | Transports innovants | Procédés éco-efficients | Ressources durables
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Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015
Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits … en vue de son abandon
A. Baroni, P. Meynier et JP. Deflandre
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Contexte
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 2
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Les objectifs de CO2CARE concernant l’abandon des puits
How to prepare well abandonment, anticipating any long term risk of CO2 leakage at wells
Developments of tools and methodologies to assess the objective: base on laboratory tests, numerical simulations and monitoring feedbacks
Elaborating recommendations and best practices for risk management and long term site integrity
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 3
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Well Abandonment Work Programme
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 4
Laboratory experiments Modelling
Application to site cases
RCC interface Effects of impurities
Cement plug leakage
Early detection of leakage Salt clogging Well mechanical history
Modelling experiments
Expertise & State of Art – Other projects - Bibliography
Sleipner
K12B
Ketzin
Montmiral Rousse analogue
Data collection & analysis with industrial partners
Risk management
Best pratices
Guidelines
Dissemination
Well integrity
assessment
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Application sur divers scenarios “Puits”
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 5
Modélisations géomecaniques : 4 scenarios complémentaires
CO2 injection far from this well
Old appraisal well Sleipner (abandoned)
time
Pre
ssu
re constant
drilling
time
Pre
ssu
re
Old CO2 producer Montmiral
drilling
CO2 production
Pre
ssu
re
“Rousse analog” Depleted gas field
drilling
gas production
CO2 injection
time
Pre
ssu
re
time
CO2 storage Ketzin
scientific pilot
Drilling Ktzi-201
201x?
Data collection
Used to develop the methodology
investigations on:
in situ conditions,
well geostatic equilibrium and boundary conditions
meshing / upscaling / refinement
behaviour laws in media and at interfaces
integration of 3D field pressure
CO2 injection
CO2 storage
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Comportement mécanique du puits
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 6
Le scenario de Sleipner – puits 15/9-13
15/9-13
430 m
abandoned well reached by the CO2 plume
Well 15/9-13 using 15/9-11 info
840 m
Utsira fm
ground level 0 m
63 m
396 m
1044 m
2517 m
30"
20"
13 3/8"
9 5/8"
36"
26"
17 1/2"
12 1/2"
3134 m
?
In association with WP3 work programme
Possible risk of leakage pathways in abandoned well (Celia et al., 2004)
2022
Not at
scale ?
?
?
?
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Cadre de l’étude présentée
Objectif CO2CARE : mettre au point les méthodes
pour anticiper les risques de fuite lors du stockage
géologique du CO2, et faire les recommandations pour
les abandons de puits.
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 7
Possible risk of leakage pathways in abandoned well (Celia et al., 2004)
Objectif de notre étude : Statuer
sur l’intégrité mécanique du puits
via une modélisation mécanique.
Motivation : Les puits doivent
isoler parfaitement les différentes
couches perméables qu’ils
traversent. Il faut donc pouvoir
localiser les points de faiblesses.
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Plan de l’exposé
La méthodologie « idéale »
La méthodologie réalisée
Application et résultats obtenus
Conclusions / Perspectives
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La méthodologie « idéale »…
La connaissance des lois de comportement spécifiques,
et de leurs paramètres (via des expériences labo) est
essentielle. Une description précise des géométries et
lithologies, ainsi que de l’historique de la production sont
aussi requises.
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 9
1 Sédimentation 2 Forage 3 Complétion 4 Production Abandon
(Jo and Gray, 2010)
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1 Determination of the stress profile
in a deep borehole in a naturally
fractured reservoir (Sanaee et al.,
2010)
2 Revisiting borehole stresses in
anisotropic elastic media:
comparison between analytical
Amadei and 3D finite element
solutions (Karpfinger et al., 2011)
2 A strain softening Model for
Drilling-induced Damage on
Boreholes in Williston Basin
(Jiang et al., 2009)
La méthodologie « idéale »… est sophistiquée
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 10
1 Sédimentation 2 Forage 3 Complétion 4 Production Abandon
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La méthodologie « idéale »… est sophistiquée
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 11
3 Finite element Studies of Near-Well
Region During Cementing Operations
(Gray et al., 2009)
3 Finite element Simulation of
Downhole Stresses in Deep
Gas Wells Cements (Nabipour
et al., 2010)
3/4 Interface debonding driven by fluid
injection in a cased and cemented
wellbore: Modeling and experiments
(Lecampion et al., 2013)
3/4 Cement fatigue and HPHT Well
Integrity with Application to Life of
Well Prediction (Teodoriu et al.,
2008)
1 Sédimentation 2 Forage 3 Complétion 4 Production Abandon
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La méthodologie réalisée
Sédimentation : choix d’un état de contrainte uniforme
Forage et complétion du puits en 2D
Application des variations de pression sur modèle 3D
localisé autour du puits
Post-traitement pour statuer sur l’état mécanique du
puits en fin de vie et identifier les zones de faiblesse
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 12
Sé
dim
en
tatio
n
Indépendance des phases
1 Sédimentation 2 Forage 3 Complétion 4 Production Abandon
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Application et résultats obtenus
Analogue du champ de Rousse
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Overburden
Flysch
Brêche
Dolomite Mano
Meillon
6 k
m
3 m
Cement
Casing
Overburden
Flysch
Brêche
Dolomite Mano
Meillon
6 k
m
3 m
Cement
Casing
Cement
Casing
Éch
elle
ve
rtic
ale
1:1
00
0
Géométrie du modèle Baroni et al., 2014
(Energy Procedia,
V. 63 GHGT-12)
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Application et résultats obtenus
La section d’étude choisie est dans le réservoir et à
4550 m de profondeur (sh = 0.88 sV et sH =1.31 sV)
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 14
Flysch
Brêche
Dolomite Mano
Meillon
sh
sH
NE
S W
Flysch
Brêche
Dolomite Mano
Meillon
sh
sH
NE
S W
Géométrie du modèle Baroni et al., 2014
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Application et résultats obtenus
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015
I. Initialisation avec les
contraintes in situ
II. Forage du puits
III. Casing et cimentation
(ciment fluide visqueux
puis mat. élastique)
30
-250
0
-140
Stresses
scale in MPa
N
E
S
W
30
-250
0
-140
Stresses
scale in MPa
30
-250
0
-140
30
-250
0
-140
Stresses
scale in MPa
Stresses
scale in MPa
N
E
S
W
sh
sH
sh
sH
P
sh
sH
P
sh
sH
sh
sH
sh
sH
P
sh
sH
P
sh
sH
P
sh
sH
P
I II III
Etat Final F
1 Sédimentation 2 Forage 3 Complétion 4 Production Abandon
METHO_01
METHO_07
METHO_02
METHO_04
METHO_05
METHO_06
30
-250
0
-140
Stresses
scale in MPa
N
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W
METHO_01
METHO_07
METHO_02
METHO_04
METHO_05
METHO_06
METHO_01
METHO_07
METHO_02
METHO_04
METHO_05
METHO_06
30
-250
0
-140
Stresses
scale in MPa
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W
N
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W15
Baroni et al., 2014
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Application et résultats obtenus
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 16
Production du gaz : Variation de
la pression de 48.5 MPa à 3 MPa
Remarque : déplacement de « corps rigide » dû aux conditions limites constantes
Str
ess s
cale
in P
aS
tress s
cale
in P
aS
tress s
cale
in P
a
1 Sédimentation 2 Forage 3 Complétion 4 Production Abandon
Pre
ssu
re
“Rousse analog” Depleted gas field
drilling
gas production
CO2 injection
time Overburden
Flysch
Brêche
Dolomite Mano
Meillon
6 k
m
3 m
Cement
Casing
Overburden
Flysch
Brêche
Dolomite Mano
Meillon
6 k
m
3 m
Cement
Casing
Cement
Casing
Baroni et al., 2014
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Application et résultats obtenus
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 17
Résultats observés dans l’espace des contraintes
1 Sédimentation 2 Forage 3 Complétion 4 Production Abandon
Contrainte normale*
Cis
aill
em
en
t
n
Cisaillement
Vecteur
Contrainte
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Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 18
Application et résultats obtenus
1 Sédimentation 2 Forage 3 Complétion 4 Production Abandon
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Conclusions / Perspectives
Mise au point d’un workflow pour le calcul des
contraintes « autour » des puits.
Utilisation : pour localiser les zones de défaut potentiel,
en comprendre l’origine, prise en compte pour forage à
venir.
Ne peut se substituer aux mesures in situ (outils de
diagraphie acoustique, « Advanced cement integrity
evaluation of an old well in the Rousse field » - Loizzo et al., 2013) – mais constitue une aide pour savoir où les
mesures doivent être plus précises (On ne peut
connaitre précisément tout l’historique, et les modèles
resteront toujours des modèles).
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 19
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Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 20
Initialisation des contraintes
En 2D Elastique
Calcul 3D Elastique
CL constantes
Sollicitation P uniforme
Post-traitement
sur contraintes
Conclusions / Perspectives
1 Sédimentation 2 Forage 3 Complétion 4 Production Abandon
3D – Forage ?
Complétion ?
Conditions limites fonction du temps
Calcul hydraulique autour du puits
Calcul thermique autour du puits Double Critère Energie-Contrainte
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Remerciements
Nous remercions la Commission Européenne et nos
partenaires industriels pour leur soutien financier, ainsi
que nos collègues et plus spécifiquement
H. Boulharts, L. Cangémi et O. Vincké
21 Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 21
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A la mémoire de Patrick Meynier
22 Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 22
Énergies renouvelables | Production éco-responsable | Transports innovants | Procédés éco-efficients | Ressources durables
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www.ifpenergiesnouvelles.fr
Énergies renouvelables | Production éco-responsable | Transports innovants | Procédés éco-efficients | Ressources durables
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Résumé fourni
Dans le cadre du projet européen CO2CARE (dont l’objectif était de mettre au point
les méthodes, et de faire les recommandations pour les abandons de puits) une
méthodologie pour estimer l’état de contraintes des puits avant abandon a été
proposée.
L’estimation de l’état de contraintes tout au long de la vie du puits, implique la prise
en compte de tous les chargements qu’il a subi (durant le forage, la complétion, les
changements de pression à l’intérieur du puits, mais aussi dans le réservoir…). La
modélisation a ainsi été réalisé en 3 étapes :
Sur un modèle 2D, perpendiculaire à l’axe du puits : on a modélisé le forage du puits,
la mise en place du casing et du ciment, ainsi que le séchage de ce dernier, ce
modèle permet d’obtenir l’état de contrainte initial.
Sur un modèle 3D élastique, les changements de pression dans le puits et le
réservoir ont été appliqués, afin de calculer les variations de contraintes subies par le
puits au cours de son histoire.
La connaissance de l’état de contrainte limite pour les matériaux constituant le puits,
et pour les différentes interfaces, permet de statuer sur l’endommagement possible
du puits, en comparant cet état, à celui obtenu en ajoutant l’état de contrainte initial
(1) aux variations de contraintes (2).
Séance technique du CFMR – Modélisation de l’état de contrainte mécanique d’un puits – 15 octobre 2015 24