EP1205631A1 - Method for determining the thermal profile of drilling fluid - Google Patents

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EP1205631A1
EP1205631A1 EP01402678A EP01402678A EP1205631A1 EP 1205631 A1 EP1205631 A1 EP 1205631A1 EP 01402678 A EP01402678 A EP 01402678A EP 01402678 A EP01402678 A EP 01402678A EP 1205631 A1 EP1205631 A1 EP 1205631A1
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EP
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well
fluid
temperature
thermal
profile
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Yannick Peysson
Benjamin Herzhaft
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/06—Measuring temperature or pressure
    • E21B47/07—Temperature

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the profile thermal of a drilling fluid in a well.
  • the mud injected into the drill string of the well and going up by the corresponding ring finger will undergo temperature variations important.
  • the fluid can meet temperatures that can range from 2 ° C for deep offshore wells, up to over 180 ° C for very hot wells.
  • temperatures can range from 2 ° C for deep offshore wells, up to over 180 ° C for very hot wells.
  • properties of the mud such as rheology or density, depend on the temperature.
  • the calculation of pressure losses during drilling can be improved if we know an estimate of the temperature profile in the well. It is therefore important to be able to predict the temperature profile in the mud in flow from well data and mud characteristics.
  • the aim of this study is therefore to propose a method for determining in real-time thermal profile in the mud from three measurement points available on site, i.e. injection temperature, outlet temperature and temperature at the bottom of the well measured by a sensor mounted on the gasket.
  • the form of the profile between these three points will be represented by a standard curve representative of thermal profiles in a borehole, estimated from considerations physical on the heat transfers in the well.
  • steps b), c) and d) can be repeated.
  • step a) the general expressions ⁇ 1 and ⁇ 2 can have unknown constants
  • step c) we can impose on expressions ⁇ 1 and ⁇ 2 to check the temperature limit conditions T1, T2 and T3 by determining said unknown constants.
  • step a) use the heat propagation equation which takes at least the thermal equation of the environment surrounding the well, the flow of the fluid and the balance of the heat exchanges undergone by the fluid, said exchanges thermal including at least the exchanges between the ascending drilling fluid and descending and / or using the heat propagation equation in a medium homogeneous on a cylinder of infinite height centered on the well, said cylinder comprising the drill string which guides the downward and annular fluid, enveloping said drill string, which guides the ascending fluid.
  • the expressions can be broken down general ⁇ 1 and ⁇ 2, obtained in step a), in several independent equations, and to step c), impose in addition to the profiles and derivatives of the thermal profiles of the fluid inside the rod train and in the corresponding annular to be continuous.
  • This model is based on the establishment of heat balances in the well.
  • a first approach only permanent plans are considered (the flow of drilling mud is assumed to have stabilized for some time so that temperatures no longer change).
  • Some assumptions are necessary for the calculation: the heat exchanges are measured in a plane perpendicular to the laminar flow of the mud, the different constants are assumed to be independent of temperature, and finally, the influence of the temperature of the medium surrounding the well is felt on a useful diameter Rf chosen a priori.
  • the system is based on the knowledge of three on-site measurement points: inlet temperature, outlet temperature and bottom temperature.
  • the method according to the invention consists in connecting the three measurement points by a representative general expression the evolution of a thermal profile in a wellbore, as obtained according to the method detailed above.
  • these forms of curves are wedged on the three measurement points of the temperature of the drilling fluid at the inlet T1, at the bottom T2 and at the outlet T3 from the well.
  • the expressions ⁇ 1 and ⁇ 2 can be adjusted by fixing said degrees of freedom in order to verify the temperature conditions T1, T2 and T3.
  • the equations in the rods and in the ring finger have the following form:
  • Figures 2, 3 and 4 respectively represent the temperature profile of the drilling fluid in a vertical Onshore well at a flow rate of 500l / min, 1000l / min and 2000l / min.
  • the determined analytical expression very simply makes it possible to calculate the temperature T in degrees Celsius of the fluid in the drill string (curve ⁇ 1) and in the ring finger (curve ⁇ 2) as a function of the depth P in meters.
  • Expression analytical depends on several parameters that can be set at the start. We by default we use typical values of these parameters.
  • the geothermal gradient ⁇ is assumed to be constant to match the Onshore situation of the well. By performing the temperature, 20 ° C at the inlet, 35 ° C at the bottom and 24 ° C at the outlet of the well, the profile of temperature is fully determined.
  • ⁇ m is the thermal profile of the sea and ⁇ s the thermal profile of the ground.
  • the thermal gradient ⁇ is assumed to be constant over each of the domains but discontinuous when passing from one domain to another.
  • ⁇ m be the thermal gradient of the sea and ⁇ s the thermal gradient of the ground.
  • ⁇ 11 (z) corresponds to the temperature profile in the drill string in the sea
  • ⁇ 12 (z) corresponds to the temperature profile in the drill string in the ground
  • ⁇ 21 (z) corresponds to the profile of temperature in the ring finger in the ground
  • ⁇ 22 (z) corresponds to the temperature profile in the ring finger in the sea
  • ⁇ 11 being independent of ⁇ 12
  • ⁇ 21 being independent of ⁇ 22:
  • FIG. 5 represents the thermal temperature profile of a drilling fluid in an offshore well from the four equations ⁇ 11, ⁇ 12, ⁇ 21 and ⁇ 22.
  • the fluid circulates at 500 l / min and the temperatures measured are 20 ° C at the inlet, 15 ° C at the outlet and 30 ° C at the bottom of the well.
  • the thermal gradients are chosen constant in each of the domains crossed by the well.
  • Deviated wells represent the majority of current drilling.
  • the physical problem is not fundamentally different and can be treated in the same way as offshore drilling: it suffices to cut the well into two domains, each domain being characterized by a different thermal gradient corresponding to the environment surrounding the well.
  • the depth corresponds to the distance traveled by following the path of the well.
  • the general expressions ⁇ 1 and ⁇ 2 representative of the thermal profile are each cut into two independent equations.
  • the vertical part is characterized by the thermal gradient ⁇ of the medium surrounding the well
  • FIG. 6 represents the thermal drilling profile in a diverted offshore well.
  • the fluid circulates at 500l / min and the temperatures measured are 20 ° C at the inlet, 23 ° C at the bottom and 15 ° C at the well outlet.
  • Figure 7 represents the evolution of the temperature profile of the drilling fluid in a well Offshore over time.
  • the graphic on the upper part of the FIG. 7 represents the evolution as a function of time t in seconds of the parameters of flow rate D in l / min of the drilling fluid, temperature T in ° C of the drilling fluid in T1 inlet, T2 bottom and T3 outlet of the well.
  • the three graphics in part lower represent the temperature profile at three different times and allow to observe its evolution.
  • Hydrates are form under conditions of low temperatures and high pressures, conditions which are found in particular in deep offshore wells at the ground / sea interface.
  • the knowledge of the temperature profile makes it possible to determine the zones where the drilling fluid temperature is below the minimum from which to form hydrates and then act accordingly, for example by increasing the flow or heating the fluid in order to avoid this formation of hydrates.

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Abstract

A general expression θ 1 is determined for the temperature profile of fluid in the drill string. A general expression θ 2 is determined for the corresponding annulus temperature profile. The equation of thermal transfer employed, takes into account the temperature profile of the medium surrounding the well. Three actual temperature measurements are taken: the inlet temperature T1, that at the base of the well T2 and that at the well outlet T3. Expressions θ 1 and θ 2 are used to check limiting conditions of the temperatures T1, T2 and T3. Preferred Features: Following measurement of T1, T2 and T3, a curve of temperature as a function of depth is drawn up. Measurements are re-iterated to obtain an actual temperature profile. The general expressions θ 1 and θ 2 contain unknown constants. During temperature measurement and verification, limiting conditions are substituted to determine the unknown constants. The equation of thermal transfer used initially, takes into account at least the thermal equation of the medium surrounding the well, fluid flow rate and the balance of thermal exchange undergone by the fluid. This includes the exchange between ascending and descending fluid. Initial expressions of heat transfer are for a homogeneous medium on a cylinder of infinite height centered on the well. The cylinder comprises the string carrying descending fluid, and the annulus surrounding it, carrying rising fluid. The general expressions θ 1 and θ 2 are broken down into several independent equations. At the temperature measurement stage, in addition, a condition is imposed on the curves and their derivatives, that they are continuous in the string and annulus.

Description

La présente invention concerne une méthode de détermination du profil thermique d'un fluide de forage dans un puits.The present invention relates to a method for determining the profile thermal of a drilling fluid in a well.

Au cours d'un forage, la boue injectée dans le train de tiges du puits et remontant par l'annulaire correspondant va subir des variations de température importantes. Le fluide peut rencontrer des températures pouvant aller de 2 °C pour les puits en Offshore profond, jusqu'à plus de 180 °C pour les puits très chauds. De nombreuses propriétés de la boue, comme la rhéologie ou la densité, dépendent de la température. Ainsi, le calcul des pertes de charge en cours de forage peut être amélioré si on connaít une estimation du profil de température dans le puits. Il est donc important d'être capable de prévoir le profil de température dans la boue en écoulement à partir des données de puits et des caractéristiques de la boue.During drilling, the mud injected into the drill string of the well and going up by the corresponding ring finger will undergo temperature variations important. The fluid can meet temperatures that can range from 2 ° C for deep offshore wells, up to over 180 ° C for very hot wells. Of many properties of the mud, such as rheology or density, depend on the temperature. Thus, the calculation of pressure losses during drilling can be improved if we know an estimate of the temperature profile in the well. It is therefore important to be able to predict the temperature profile in the mud in flow from well data and mud characteristics.

La mesure du profil thermique du fluide dans un puits en cours de forage nécessiterait l'instrumentation complète du puits, c'est-à-dire l'installation de capteurs dans le train de tiges et dans l'annulaire régulièrement espacés permettant une mesure de température à différentes profondeurs. Mais la mise en place d'un tel système de mesure impose trop de contraintes, seuls des mesures ponctuelles captées par des appareils montés dans la garniture permettent de connaítre certains points de température sur le trajet du fluide de forage.Measuring the thermal profile of the fluid in a well being drilled would require complete instrumentation of the well, i.e. the installation of sensors in the drill string and in the ring finger regularly spaced allowing temperature measurement at different depths. But the establishment of such measurement system imposes too many constraints, only point measurements captured by devices mounted in the trim allow to know certain points of temperature on the drilling fluid path.

Face à ce manque de données, des modèles analytiques basés sur des équations de transfert de chaleur ont été développés pour évaluer les profils thermiques du fluide le long du puits en cours de forage. Certains de ces modèles analytiques sont implémentés dans des logiciels et permettent de fournir une estimation de profils thermiques à partir d'un certain nombre de données plus ou moins difficiles à obtenir. Ainsi, en connaissant les caractéristiques du site et du matériel de forage, en donnant une valeur de la température du fluide à l'entrée du puits, ces logiciels peuvent prédire le profil de température du fluide de forage. Faced with this lack of data, analytical models based on heat transfer equations have been developed to assess profiles of the fluid along the well being drilled. Some of these models analytics are implemented in software and provide a estimation of thermal profiles from a certain number of data plus or less difficult to obtain. Thus, knowing the characteristics of the site and the drilling equipment, by giving a value of the temperature of the fluid at the inlet of the well, this software can predict the temperature profile of the drilling fluid.

Cependant une comparaison entre les résultats donnés par les méthodes analytiques et les mesures faites sur chantier montre que les écarts peuvent être importants. De plus, la complexité des logiciels, qui utilisent des méthodes de calcul numériques, rend difficile leur mise en oeuvre en temps réel.However a comparison between the results given by the methods analysis and measurements made on site shows that deviations can be important. In addition, the complexity of software, which uses calculation methods digital, makes it difficult to implement them in real time.

D'autre part, une étude de la bibliographie concernant les modèles thermiques montre une similitude de forme de profils de température pour la plupart des cas, s'articulant autour des trois points : température d'entrée, température de sortie et température de fond.On the other hand, a study of the bibliography concerning thermal models shows similarity in shape of temperature profiles for most cases, revolving around three points: inlet temperature, outlet temperature and bottom temperature.

Le but de cette étude est donc de proposer une méthode pour déterminer en temps réel un profil thermique dans la boue à partir de trois points de mesures disponibles sur le chantier, c'est-à-dire la température d'injection, de sortie et la température en fond de puits mesurée par un capteur monté sur la garniture. La forme du profil entre ces trois points sera représentée par une courbe type représentative des profils thermiques dans un puits en forage, estimée à partir de considérations physiques sur les transferts thermiques dans le puits.The aim of this study is therefore to propose a method for determining in real-time thermal profile in the mud from three measurement points available on site, i.e. injection temperature, outlet temperature and temperature at the bottom of the well measured by a sensor mounted on the gasket. The form of the profile between these three points will be represented by a standard curve representative of thermal profiles in a borehole, estimated from considerations physical on the heat transfers in the well.

La méthode de détermination du profil thermique d'un fluide de forage en circulation dans un puits en cours de forage selon l'invention est définie par la succession des étapes suivantes :

  • a) on détermine une expression générale 1 du profil thermique du fluide à l'intérieur du train de tiges dans le puits et une expression générale 2 d'un profil thermique du fluide dans l'annulaire correspondant, en utilisant l'équation de propagation de la chaleur qui prend en compte un profil thermique du milieu environnant le puits,
  • b) on mesure la température du fluide à l'entrée T1, au fond T2 et en sortie T3 du puits,
  • c) on impose aux expressions 1 et 2 de vérifier les conditions limites de températures T1, T2 et T3.
  • d) on trace le profil thermique du fluide de forage en fonction de la profondeur.
    • The method for determining the thermal profile of a drilling fluid circulating in a well during drilling according to the invention is defined by the succession of the following steps:
  • a) a general expression 1 of the thermal profile of the fluid inside the drill string in the well is determined and a general expression 2 of a thermal profile of the fluid in the corresponding ring finger, using the equation of propagation of the heat which takes into account a thermal profile of the environment surrounding the well,
  • b) the temperature of the fluid at the inlet T1, at the bottom T2 and at the outlet T3 from the well is measured,
  • c) the expressions 1 and 2 are forced to verify the limit conditions of temperatures T1, T2 and T3.
  • d) the thermal profile of the drilling fluid is plotted as a function of the depth.

    • Pour obtenir en temps réel un profil de température avec la méthode présentée ci-avant, on peut réitèrer les étapes b), c) et d).To obtain a temperature profile in real time using the method presented above, steps b), c) and d) can be repeated.

    Selon la méthode de l'invention, à l'étape a), les expressions générales 1 et 2 peuvent comporter des constantes inconnues, et à l'étape c), on peut imposer aux expressions 1 et 2 de vérifier les conditions limites de températures T1, T2 et T3 en déterminant lesdites constantes inconnues.According to the method of the invention, in step a), the general expressions 1 and 2 can have unknown constants, and in step c), we can impose on expressions 1 and 2 to check the temperature limit conditions T1, T2 and T3 by determining said unknown constants.

    Pour déterminer une expression générale 1 du profil thermique du fluide à l'intérieur du train de tiges dans le puits et une expression générale 2 d'un profil thermique du fluide dans l'annulaire correspondant on peut, selon la méthode de l'invention à l'étape a), utiliser l'équation de propagation de la chaleur qui prend en compte au moins l'équation thermique du milieu environnant le puits, le débit du fluide et le bilan des échanges thermiques subis par le fluide, lesdits échanges thermiques comprenant au moins les échanges entre le fluide de forage ascendant et descendant et/ou utiliser l'équation de propagation de la chaleur dans un milieu homogène sur un cylindre de hauteur infinie centré sur le puits, ledit cylindre comportant le train de tiges qui guide le fluide descendant et l'annulaire, enveloppant ledit train de tiges, qui guide le fluide ascendant.To determine a general expression 1 of the thermal profile of the fluid to inside the drill string in the well and a general expression 2 of a profile thermal of the fluid in the corresponding annular one can, according to the method of the invention in step a), use the heat propagation equation which takes at least the thermal equation of the environment surrounding the well, the flow of the fluid and the balance of the heat exchanges undergone by the fluid, said exchanges thermal including at least the exchanges between the ascending drilling fluid and descending and / or using the heat propagation equation in a medium homogeneous on a cylinder of infinite height centered on the well, said cylinder comprising the drill string which guides the downward and annular fluid, enveloping said drill string, which guides the ascending fluid.

    Selon la méthode de l'invention, on peut décomposer les expressions générales 1 et 2, obtenues à l'étape a), en plusieurs équations indépendantes, et à l'étape c), imposer en plus aux profils et aux dérivées des profils thermiques du fluide à l'intérieur du train de tige et dans l'annulaire correspondant d'être continus.According to the method of the invention, the expressions can be broken down general 1 and 2, obtained in step a), in several independent equations, and to step c), impose in addition to the profiles and derivatives of the thermal profiles of the fluid inside the rod train and in the corresponding annular to be continuous.

    On peut notamment utiliser la méthode selon l'invention pour calculer les pertes de charge du fluide de forage en circulation dans un puits en cours de forage, ou dans une autre application, pour déterminer les zones de formation d'hydrates dans le fluide pendant l'opération de forage.One can in particular use the method according to the invention to calculate the pressure losses of the drilling fluid circulating in a well being drilled, or in another application, to determine the hydrate formation zones in the fluid during the drilling operation.

    Par rapport aux méthodes de détermination du profil thermique d'un fluide de forage dans un puits selon l'art antérieur, la présente invention offre notamment les avantages suivants

    • le profil de température déterminé est plus précis puisqu'il vérifie trois points de mesure de la température du fluide de forage tout en gardant une expression analytique du profil thermique entre les points de mesure physiquement justifiée,
    • en effectuant les mesures de température à chaque instant, la méthode permet d'obtenir le profil de température en temps réel et d'en observer l'évolution dans le temps.
    Compared with the methods of determining the thermal profile of a drilling fluid in a well according to the prior art, the present invention offers in particular the following advantages
    • the temperature profile determined is more precise since it verifies three measurement points of the temperature of the drilling fluid while keeping an analytical expression of the thermal profile between the measurement points physically justified,
    • by carrying out temperature measurements at all times, the method makes it possible to obtain the temperature profile in real time and to observe its evolution over time.

    La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaítront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, nullement limitatifs, illustrés par les figures annexées parmi lesquelles :

    • la figure 1 schématise l'architecture d'un puits en cours de forage,
    • les figures 2, 3 et 4 représentent la forme du profil de température du fluide de forage dans un puits Onshore vertical,
    • la figure 5 représente la forme du profil de température du fluide de forage dans un puits Offshore vertical,
    • la figure 6 représente la forme du profil de température du fluide de forage dans un puits Offshore dévié,
    • la figure 7 représente l'évolution en fonction du temps du profil de température du fluide de forage dans un puits Offshore vertical.
    The present invention will be better understood and its advantages will appear more clearly on reading the following description of exemplary embodiments, in no way limiting, illustrated by the appended figures among which:
    • FIG. 1 diagrams the architecture of a well during drilling,
    • FIGS. 2, 3 and 4 represent the shape of the temperature profile of the drilling fluid in a vertical onshore well,
    • FIG. 5 represents the shape of the temperature profile of the drilling fluid in a vertical offshore well,
    • FIG. 6 represents the shape of the temperature profile of the drilling fluid in a deviated offshore well,
    • FIG. 7 represents the evolution as a function of time of the temperature profile of the drilling fluid in a vertical offshore well.

    En utilisant des considérations assez simples d'échange de chaleur c'est-à-dire l'équation de propagation de la chaleur, il est possible de donner une expression analytique pour le profil thermique dans le puits et l'annulaire de forage. Using fairly simple heat exchange considerations i.e. the heat propagation equation it is possible to give an expression analytical for the thermal profile in the well and the annular drilling.

    Ce modèle est basé sur l'établissement des bilans de chaleur dans le puits. Dans une première approche, seuls les régimes permanents sont considérés (l'écoulement de la boue de forage est supposé stabilisé depuis un certain temps de telle sorte que les températures n'évoluent plus). Certaines hypothèses sont nécessaires au calcul: les échanges de chaleur sont mesurés dans un plan perpendiculaire à l'écoulement laminaire de la boue, les différentes constantes sont supposées indépendantes de la température, et enfin, l'influence de la température du milieu environnant le puits se fait sentir sur un diamètre utile Rf choisi à priori.This model is based on the establishment of heat balances in the well. In a first approach, only permanent plans are considered (the flow of drilling mud is assumed to have stabilized for some time so that temperatures no longer change). Some assumptions are necessary for the calculation: the heat exchanges are measured in a plane perpendicular to the laminar flow of the mud, the different constants are assumed to be independent of temperature, and finally, the influence of the temperature of the medium surrounding the well is felt on a useful diameter Rf chosen a priori.

    Il suffit alors d'utiliser l'équation de propagation de la chaleur dans un milieu homogène sur un cylindre de hauteur infinie centré sur le puits représenté sur la figure 1. Dans chaque tranche de puits, on écrit l'égalité des pertes de chaleurs en considérant deux fonctions de température : 1(z) à l'intérieur du train de tiges et 2(z) dans l'annulaire.
    Soient

  • f la température de la formation,
  • λf la conductivité thermique du milieu environnant le puits,
  • λa la conductivité thermique du tubing (métal),
  • Cp la capacité calorifique du fluide de forage,
  • R1 le rayon interne du train de tiges,
  • R2 le rayon externe du train de tiges,
  • Rt le rayon de l'annulaire,
  • Rf le rayon effectif (pour l'apport de chaleur) autour du puits,
  • D le débit du fluide de forage,
  • ρ la densité du fluide de forage.
    • Les bilans de chaleur par unité de profondeur sont les suivants :
    • Chaleur apportée par le milieu environnant le puits au fluide dans l'annulaire :
      Figure 00060001
    • Chaleur transportée du fluide dans l'annulaire vers le fluide à l'intérieur du train de tiges :
      Figure 00060002
    • Chaleur accumulée par le fluide dans le train de tiges et dans l'annulaire : Qt = -D.ρ.CpΔ1 Qa = D.ρ.CpΔ2
    Les bilans de chaleurs conduisent au système suivant : Qt=Q2 Qa=Q1+Q2 soit
    Figure 00060003
    Ces équations sont résolues par diagonalisation et inversion de matrice et conduisent aux résultats suivants :
    Figure 00060004
    Figure 00070001
    avec :
    Figure 00070002
    r1 = A+ A2 +4AB 2    r 2 = A- A2 +4AB 2
  • f = α.z +  0 étant l'équation thermique du milieu environnant le puits et α le gradient thermique.
  • K1 et K2 sont les constantes d'intégration dépendant des conditions aux limites.
    •  It is then enough to use the equation of propagation of heat in a homogeneous medium on a cylinder of infinite height centered on the well represented on figure 1. In each section of well, one writes the equality of the losses of heat in considering two temperature functions:  1 (z) inside the drill string and  2 (z) in the ring finger.
    Let
  • f the temperature of the formation,
  • λ f the thermal conductivity of the medium surrounding the well,
  • λ has the thermal conductivity of the tubing (metal),
  • Cp the heat capacity of the drilling fluid,
  • R1 the internal radius of the drill string,
  • R2 the external radius of the drill string,
  • Rt the radius of the ring finger,
  • Rf the effective radius (for heat supply) around the well,
  • D the flow rate of the drilling fluid,
  • ρ the density of the drilling fluid.
    • The heat balances per unit of depth are as follows:
    • Heat brought by the environment surrounding the well to the fluid in the ring finger:
      Figure 00060001
    • Heat transported from the fluid in the ring finger to the fluid inside the drill string:
      Figure 00060002
    • Heat accumulated by the fluid in the drill string and in the ring finger: Q t = -D.ρ.C p Δ 1 Q at = D.ρ.C p Δ 2
    The heat balances lead to the following system: Q t Q = 2 Q at Q = 1 + Q 2 is
    Figure 00060003
    These equations are solved by diagonalization and matrix inversion and lead to the following results:
    Figure 00060004
    Figure 00070001
    with:
    Figure 00070002
    r 1 = AT + AT 2 + 4AB 2 r 2 = AT - AT 2 + 4AB 2
  • f = α. z +  0 being the thermal equation of the environment surrounding the well and α the thermal gradient.
  • K 1 and K 2 are the integration constants depending on the boundary conditions.

    • Il est donc possible, en utilisant quelques hypothèses simplificatrices, d'obtenir une expression analytique du profil de température du fluide de forage dans un puits. Si tous les paramètres sont connus, en donnant la température d'entrée et en écrivant que les deux températures 1 et 2 sont égales au fond du puits, le profil est entièrement déterminé. Les principaux logiciels connus utilisent ce type de démarche prédictive. Cependant une étude des résultats des modèles comparés à des données chantiers montre la difficulté d'utiliser ces estimations de façon prédictive.It is therefore possible, using a few simplifying assumptions, to obtain an analytical expression of the temperature profile of the drilling fluid in a well. If all the parameters are known, by giving the inlet temperature and writing that the two temperatures  1 and  2 are equal to the bottom of the well, the profile is entirely determined. The main known software programs use this type of predictive approach. However, a study of the results of the models compared to site data shows the difficulty of using these estimates in a predictive way.

    Dans la présente invention, le système est basé sur la connaissance de trois points de mesures sur site: température d'entrée, température de sortie et température de fond. Pour estimer le profil thermique dans le puits à partir des trois mesures que sont les températures d'injection et de sortie en surface et la température de fond (intérieur ou extérieur du train de tiges), la méthode selon l'invention consiste à relier les trois points de mesure par une expression générale représentative de l'évolution d'un profil thermique dans un puits de forage, telle qu'obtenue selon la méthode détaillée ci-dessus. In the present invention, the system is based on the knowledge of three on-site measurement points: inlet temperature, outlet temperature and bottom temperature. To estimate the thermal profile in the well from the three measurements of surface injection and outlet temperatures and temperature bottom (inside or outside of the drill string), the method according to the invention consists in connecting the three measurement points by a representative general expression the evolution of a thermal profile in a wellbore, as obtained according to the method detailed above.

    Nous reprenons donc les équations obtenues par des calculs d'échange de chaleur :

    Figure 00080001
    We therefore use the equations obtained by heat exchange calculations:
    Figure 00080001

    Selon l'invention, on cale ces formes de courbes sur les trois points de mesure de la température du fluide de forage à l'entré T1, en fond T2 et en sortieT3 du puits. Afin d'utiliser ces trois points de mesure comme conditions aux limites, nous choisissons de découpler les deux équations (dans le train de tiges et dans l'annulaire) en utilisant des constantes d'intégration différentes tout en conservant l'expression générale. Nous obtenons deux expressions générales du profil de température dans le train de tiges 1 et dans l'annulaire 2 qui ont une signification physique mais qui comportent deux degrés de liberté. Ainsi les expressions 1 et 2 peuvent être ajustées en fixant lesdits degrés de liberté afin de vérifier les conditions de température T1, T2 et T3. Nous décidons donc que les équations dans les tiges et dans l'annulaire ont la forme suivante :

    Figure 00080002
    According to the invention, these forms of curves are wedged on the three measurement points of the temperature of the drilling fluid at the inlet T1, at the bottom T2 and at the outlet T3 from the well. In order to use these three measurement points as boundary conditions, we choose to decouple the two equations (in the drill string and in the ring finger) using different integration constants while retaining the general expression. We obtain two general expressions of the temperature profile in the drill string 1 and in the ring finger 2 which have a physical meaning but which include two degrees of freedom. Thus the expressions 1 and 2 can be adjusted by fixing said degrees of freedom in order to verify the temperature conditions T1, T2 and T3. We therefore decide that the equations in the rods and in the ring finger have the following form:
    Figure 00080002

    Ainsi, nous nous retrouvons avec quatre constantes d'intégration K1, K2, K3 et K4 plutôt que deux, ce qui nécessite quatre conditions aux limites pour déterminer le profil de température. Ces quatre conditions aux limites sont alors : mesures de la température en entrée, en fond, en sortie de puits et une condition d'égalité au fond entre la température dans le train de tiges 1 et la température dans l'annulaire 2. A chaque instant, le profil est ajusté pour passer par les points de mesure : nous avons donc une estimation du profil thermique en temps réel. Une programmation avec un logiciel de type tableur permet d'obtenir aisément la représentation du profil évoluant en temps réel.Thus, we are left with four integration constants K 1 , K 2 , K 3 and K 4 rather than two, which requires four boundary conditions to determine the temperature profile. These four boundary conditions are then: measurements of the temperature at the inlet, at the bottom, at the outlet of the well and a condition of equality at the bottom between the temperature in the drill string 1 and the temperature in the ring finger 2. At each instant, the profile is adjusted to pass through the measurement points: we therefore have an estimate of the thermal profile in real time. Programming with spreadsheet-type software makes it easy to obtain the representation of the evolving profile in real time.

    Les figures 2, 3 et 4 représentent respectivement le profil de température du fluide de forage dans un puit Onshore vertical à un débit de 500l/min, 1000l/min et 2000l/min. L'expression analytique déterminée permet très simplement de calculer la température T en degrés Celsius du fluide dans le train de tiges (courbe 1) et dans l'annulaire (courbe 2) en fonction de la profondeur P en mètre. L'expression analytique dépend de plusieurs paramètres qui peuvent être fixés au départ. Nous utilisons par défaut des valeurs typiques de ces paramètres. Pour déterminer le profil de température des figures 2, 3 et 4, le gradient géothermique α est supposé constant pour correspondre à la situation Onshore du puits. En effectuant les mesures de température, 20°C en entrée, 35°C en fond et 24°C en sortie du puits, le profil de température est entièrement déterminé.Figures 2, 3 and 4 respectively represent the temperature profile of the drilling fluid in a vertical Onshore well at a flow rate of 500l / min, 1000l / min and 2000l / min. The determined analytical expression very simply makes it possible to calculate the temperature T in degrees Celsius of the fluid in the drill string (curve 1) and in the ring finger (curve 2) as a function of the depth P in meters. Expression analytical depends on several parameters that can be set at the start. We by default we use typical values of these parameters. To determine the profile of temperature in Figures 2, 3 and 4, the geothermal gradient α is assumed to be constant to match the Onshore situation of the well. By performing the temperature, 20 ° C at the inlet, 35 ° C at the bottom and 24 ° C at the outlet of the well, the profile of temperature is fully determined.

    Le cas du puits Offshore vertical peut être abordé en considérant que le profil géothermique du milieu environnant le puits se décompose en deux domaines : soient m le profil thermique de la mer et s le profil thermique du sol. Le gradient thermique α est supposé constant sur chacun des domaines mais discontinu au passage d'un domaine à l'autre. Soient αm le gradient thermique de la mer et αs le gradient thermique du sol. Nous considérons alors deux séries d'équations (une pour chaque domaine) pour chacune des expressions générales dans les tiges et dans l'annulaire. On obtient ainsi quatre équations découplées qui représentent le profil thermique du fluide de forage dans le puits. L'équation 11(z) correspond au profil de température dans le train de tiges dans la mer, 12(z) correspond au profil de température dans le train de tiges dans le sol, 21(z) correspond au profil de température dans l'annulaire dans le sol et 22(z) correspond au profil de température dans l'annulaire dans la mer, 11 étant indépendante de 12 et 21 étant indépendante de 22:

    Figure 00100001
    The case of the vertical offshore well can be approached by considering that the geothermal profile of the environment surrounding the well breaks down into two areas: m is the thermal profile of the sea and s the thermal profile of the ground. The thermal gradient α is assumed to be constant over each of the domains but discontinuous when passing from one domain to another. Let αm be the thermal gradient of the sea and αs the thermal gradient of the ground. We then consider two series of equations (one for each domain) for each of the general expressions in the rods and in the ring finger. Four decoupled equations are thus obtained which represent the thermal profile of the drilling fluid in the well. The equation 11 (z) corresponds to the temperature profile in the drill string in the sea, 12 (z) corresponds to the temperature profile in the drill string in the ground, 21 (z) corresponds to the profile of temperature in the ring finger in the ground and 22 (z) corresponds to the temperature profile in the ring finger in the sea, 11 being independent of 12 and 21 being independent of 22:
    Figure 00100001

    Ceci porte à huit le nombre de constantes d'intégrations (K1 à K8). Les conditions aux limites sont alors : mesures des températures en entrée, en sortie, en fond de puits, condition d'égalité au fond entre la température tige et la température annulaire auxquelles nous ajoutons la continuité des profils thermiques dans le train de tiges et dans l'annulaire à la jonction des deux domaines et la continuité de la dérivée des profils thermiques dans le train de tiges et dans l'annulaire à la jonction des deux domaines. De la même façon, il est alors possible d'obtenir en temps réel un profil thermique réaliste physiquement qui passe par les points de mesure. La figure 5 représente le profil de température thermique d'un fluide de forage dans un puits Offshore à partir des quatre équations 11, 12, 21 et 22. Le fluide circule à 500l/min et les températures mesurées sont 20°C en entrée, 15°C en sortie et 30°C en fond du puits. Les gradients thermiques sont choisis constants dans chacun des domaines traversés par le puits.This brings the number of integration constants (K 1 to K 8 ) to eight . The boundary conditions are then: measurements of the temperatures at the inlet, at the outlet, at the bottom of the well, condition of equality at the bottom between the rod temperature and the annular temperature to which we add the continuity of the thermal profiles in the drill string and in the annular at the junction of the two domains and the continuity of the derivative of the thermal profiles in the drill string and in the annular at the junction of the two domains. In the same way, it is then possible to obtain in real time a physically realistic thermal profile which passes through the measurement points. FIG. 5 represents the thermal temperature profile of a drilling fluid in an offshore well from the four equations 11, 12, 21 and 22. The fluid circulates at 500 l / min and the temperatures measured are 20 ° C at the inlet, 15 ° C at the outlet and 30 ° C at the bottom of the well. The thermal gradients are chosen constant in each of the domains crossed by the well.

    Les puits déviés représentent la majorité des forages actuels. Le problème physique n'est pas foncièrement différent et peut être traité de la même façon que le forage Offshore : il suffit de découper le puits en deux domaines, chaque domaine étant caractérisé par un gradient thermique différent correspondant au milieu environnant le puits. Dans le cas du puits dévié, la profondeur correspond à la distance parcourue en suivant le trajet du puits. Les expression générales 1 et 2 représentatives du profil thermique sont découpées chacune en deux d'équations indépendantes. La partie verticale est caractérisée par le gradient thermique α du milieu environnant le puits, la partie déviée est caractérisée par une équation du profil thermique du milieu environnant le puits  d = α.sin() · z + 0,  étant l'angle d'inclinaison. Les mêmes conditions aux limites (mesures de températures en entrée, en sortie et en fond de puits, égalité au fond entre la température tige et la température annulaire, et la continuité des profils thermiques et de la dérivée des profils thermiques dans le train de tiges et dans l'annulaire à la jonction des deux domaines) permettent alors de résoudre les équations et d'obtenir l'expression du profil de température dans les tiges et dans l'annulaire.Deviated wells represent the majority of current drilling. The physical problem is not fundamentally different and can be treated in the same way as offshore drilling: it suffices to cut the well into two domains, each domain being characterized by a different thermal gradient corresponding to the environment surrounding the well. In the case of the deviated well, the depth corresponds to the distance traveled by following the path of the well. The general expressions 1 and 2 representative of the thermal profile are each cut into two independent equations. The vertical part is characterized by the thermal gradient α of the medium surrounding the well, the deviated part is characterized by an equation of the thermal profile of the medium surrounding the well  d = α.sin () · z +  0 ,  being l 'angle of inclination. The same boundary conditions (temperature measurements at the inlet, outlet and bottom of the well, equality at the bottom between the rod temperature and the annular temperature, and the continuity of the thermal profiles and the derivative of the thermal profiles in the drill string and in the ring finger at the junction of the two domains) then make it possible to solve the equations and obtain the expression of the temperature profile in the rods and in the ring finger.

    Il est possible de combiner la manière de procéder pour le puits Offshore vertical et le puits Onshore dévié afin de déterminer le profil de température dans un puits Offshore dont le forage dans le sol est dévié. Le domaine est découpé en trois domaines différents : soient m le profil thermique du domaine vertical dans la mer, s le profil thermique du domaine vertical dans le sol et d le profil thermique du domaine dévié dans le sol. La figure 6 représente le profil thermique de forage dans un puits Offshore dévié. Le fluide circule à 500l/min et les températures mesurées sont de 20°C en entrée, 23°C en fond et 15°C en sortie de puits.It is possible to combine the procedure for the offshore well vertical and the Onshore well deflected to determine the temperature profile in a Offshore wells whose drilling in the ground is diverted. The domain is divided into three different domains: let m be the thermal profile of the vertical domain in the sea, s the thermal profile of the vertical domain in the soil and d the thermal profile of the deviated domain in the ground. FIG. 6 represents the thermal drilling profile in a diverted offshore well. The fluid circulates at 500l / min and the temperatures measured are 20 ° C at the inlet, 23 ° C at the bottom and 15 ° C at the well outlet.

    Selon la même méthode que pour le puits Offshore vertical ou le puits Onshore dévié, on peut déterminer le profil thermique d'un puits vertical Onshore dont le gradient thermique de la formation change en fonction de la profondeur. Le puits est découpé en domaines caractérisés par une équation thermique du milieu environnant le puits. Les expression générales 1 et 2 représentatives du profil thermique sont alors découpées chacune en autant d'équations indépendantes que de domaines différents. Les mêmes conditions aux limites (mesures de températures en entrée, en sortie et en fond de puits, égalité au fond entre la température tige et la température annulaire, et la continuité des profils thermiques et de la dérivée des profils thermiques dans le train de tiges et dans l'annulaire à la jonction des deux domaines) permettent alors de résoudre les équations et d'obtenir l'expression du profil de température dans les tiges et dans l'annulaire.Using the same method as for the vertical offshore well or the well Onshore deviated, we can determine the thermal profile of an Onshore vertical well whose thermal gradient of the formation changes according to the depth. The well is cut into domains characterized by a thermal equation of the medium surrounding the well. The general expressions 1 and 2 representative of the profile are then cut each into as many independent equations as there are different areas. The same boundary conditions (temperature measurements in inlet, outlet and bottom of the well, equality at the bottom between the rod temperature and the annular temperature, and the continuity of the thermal profiles and the derivative of thermal profiles in the drill string and in the ring finger at the junction of the two domains) then make it possible to solve the equations and obtain the expression of the temperature profile in the rods and in the ring finger.

    En répétant à chaque nouvelle mesure de température le calcul pour obtenir l'expression du profil de température du fluide de forage, nous obtenons une représentation du profil de température évoluant dans le temps. La figure 7 représente l'évolution du profil de température du fluide de forage dans un puits Offshore au cours du temps. Le graphique disposé sur la partie supérieure de la figure 7 représente l'évolution en fonction du temps t en seconde des paramètres de débit D en l/min du fluide de forage, de température T en °C du fluide de forage en entrée T1, en fond T2 et en sortie T3 du puits. Les trois graphiques en partie inférieure représentent le profil de température à trois temps différents et permettent d'observer son évolution.By repeating the calculation for each new temperature measurement to obtain the expression of the temperature profile of the drilling fluid, we obtain a representation of the temperature profile changing over time. Figure 7 represents the evolution of the temperature profile of the drilling fluid in a well Offshore over time. The graphic on the upper part of the FIG. 7 represents the evolution as a function of time t in seconds of the parameters of flow rate D in l / min of the drilling fluid, temperature T in ° C of the drilling fluid in T1 inlet, T2 bottom and T3 outlet of the well. The three graphics in part lower represent the temperature profile at three different times and allow to observe its evolution.

    La connaissance du profil thermique du fluide de forage à chaque instant permet de calculer en temps réel les pertes de charge dans le puits en prenant en compte les effets thermiques. Ceci donne une meilleure estimation des pressions de fond et pression d'injection pour les puits complexes.Knowledge of the thermal profile of the drilling fluid at all times allows the head losses in the well to be calculated in real time by taking counts the thermal effects. This gives a better estimate of the pressures of injection bottom and pressure for complex wells.

    Une autre utilisation de la détermination du profil thermique du fluide de forage en temps réel est la prévention de la formation des hydrates. Les hydrates se forment dans les conditions de basses températures et de hautes pressions, conditions qui sont réunies notamment dans les puits offshore profonds à l'interface sol/mer. La connaissance du profil de température permet de déterminer les zones où la température du fluide de forage est inférieur au minimum à partir duquel se forment les hydrates, puis d'agir en conséquence, par exemple en augmentant le débit ou en réchauffant le fluide afin d'éviter cette formation d'hydrates.Another use for determining the thermal profile of the Real-time drilling is the prevention of hydrate formation. Hydrates are form under conditions of low temperatures and high pressures, conditions which are found in particular in deep offshore wells at the ground / sea interface. The knowledge of the temperature profile makes it possible to determine the zones where the drilling fluid temperature is below the minimum from which to form hydrates and then act accordingly, for example by increasing the flow or heating the fluid in order to avoid this formation of hydrates.

    Claims (10)

    Méthode de détermination du profil thermique d'un fluide de forage en circulation dans un puits en cours de forage dans laquelle on effectue les étapes suivantes : a) on détermine une expression générale 1 du profil thermique du fluide à l'intérieur du train de tiges dans le puits et une expression générale 2 d'un profil thermique du fluide dans l'annulaire correspondant, en utilisant l'équation de propagation de la chaleur qui prend en compte un profil thermique du milieu environnant le puits, b) on mesure la température du fluide à l'entrée T1, au fond T2 et en sortie T3 du puits, c) on impose aux expressions 1 et 2 de vérifier les conditions limites de températures T1, T2 et T3. Method for determining the thermal profile of a drilling fluid circulating in a well being drilled in which the following steps are carried out: a) a general expression 1 of the thermal profile of the fluid inside the drill string in the well is determined and a general expression 2 of a thermal profile of the fluid in the corresponding ring finger, using the equation of propagation of the heat which takes into account a thermal profile of the environment surrounding the well, b) the temperature of the fluid at the inlet T1, at the bottom T2 and at the outlet T3 from the well is measured, c) the expressions 1 and 2 are forced to verify the limit conditions of temperatures T1, T2 and T3. Méthode selon la revendication 1 dans laquelle après l'étape c) on effectue l'étape : d) on trace le profil thermique du fluide de forage en fonction de la profondeur. Method according to claim 1 in which after step c) the step is carried out: d) the thermal profile of the drilling fluid is plotted as a function of the depth. Méthode selon la revendication 1 et 2 dans laquelle on réitère les étapes b), c) et d) pour obtenir un profil de température en temps réel.Method according to claim 1 and 2 in which steps b) are repeated, c) and d) to obtain a temperature profile in real time. Méthode selon l'une des revendications 1 à 3 dans laquelle : à l'étape a), les expressions générales 1 et 2 comportent des constantes inconnues, à l'étape c), on impose aux expressions 1 et 2 de vérifier les conditions limites de températures T1, T2 et T3 en déterminant lesdites constantes inconnues. Method according to one of claims 1 to 3 in which: in step a), the general expressions 1 and 2 have unknown constants, in step c), the expressions 1 and 2 are forced to verify the limiting temperature conditions T1, T2 and T3 by determining said unknown constants. Méthode selon l'une des revendications 1 à 4 dans laquelle à l'étape a) on utilise l'équation de propagation de la chaleur qui prend en compte au moins l'équation thermique du milieu environnant le puits, le débit du fluide et le bilan des échanges thermiques subis par le fluide, lesdits échanges thermiques comprenant au moins les échanges entre le fluide de forage ascendant et descendantMethod according to one of claims 1 to 4 wherein in step a) we use the heat propagation equation which takes into account at least the thermal equation of the environment surrounding the well, the fluid flow and the balance of heat exchanges undergone by the fluid, said heat exchanges comprising at least minus the exchanges between the ascending and descending drilling fluid Méthode selon l'une des revendications 1 à 5 dans laquelle à l'étape a) on utilise l'équation de propagation de la chaleur dans un milieu homogène sur un cylindre de hauteur infinie centré sur le puits, ledit cylindre comportant le train de tiges qui guide le fluide descendant et l'annulaire, enveloppant ledit train de tiges, qui guide le fluide ascendant.Method according to one of claims 1 to 5 wherein in step a) we uses the equation of propagation of heat in a homogeneous medium on a cylinder of infinite height centered on the well, said cylinder comprising the train of rods which guide the downward and annular fluid, enveloping said string of rods, which guides the ascending fluid. Méthode selon l'une des revendications 1 à 6 dans laquelle : à l'étape a), les expressions générales 1 et 2 se décomposent chacune en plusieurs équations indépendantes, à l'étape c), en plus, on impose aux profils et aux dérivées des profils thermiques du fluide à l'intérieur du train de tiges et dans l'annulaire correspondant d'être continus. Method according to one of Claims 1 to 6, in which: in step a), the general expressions 1 and 2 are each broken down into several independent equations, in step c), in addition, the profiles and derivatives of the fluid profiles inside the drill string and in the corresponding annular are required to be continuous. Méthode selon l'une des revendications 1 à 5 appliquée à un puits offshore vertical dans laquelle : à l'étape a), on décompose chacune des expressions générales 1 et 2 en deux équations indépendantes respectivement 11et 12, 21 et 22, en prenant en compte le profil thermique du milieu environnant le puits, à l'étape c), en plus, on impose aux profils et aux dérivées des profils thermiques du fluide à l'intérieur du train de tiges et dans l'annulaire correspondant d'être continus. Method according to one of claims 1 to 5 applied to a vertical offshore well in which: in step a), each of the general expressions 1 and 2 is broken down into two independent equations 11 and 12, 21 and 22 respectively, taking into account the thermal profile of the medium surrounding the well, in step c), in addition, the profiles and derivatives of the fluid profiles inside the drill string and in the corresponding annular are required to be continuous. Utilisation de la méthode selon l'une des revendications 1 à 7 pour calculer les pertes de charge du fluide de forage en circulation dans un puits en cours de forage.Use of the method according to one of Claims 1 to 7 for calculating the pressure drops of the drilling fluid circulating in a well being drilling. Utilisation de la méthode selon l'une des revendications 1 à 7 pour déterminer les zones de formation d'hydrates dans le fluide pendant l'opération de forage.Use of the method according to one of Claims 1 to 7 for determining hydrate formation zones in the fluid during the drilling operation.
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