Contrôle des puits de pétrole : de nouveaux outils de modélisation précis et performants

Pour contrôler l’intégrité des tubages – ou casings – des puits de pétrole, les industriels du secteur s’appuient sur des méthodes de résonance ultrasonore basse fréquence qui permettent de mesurer l’épaisseur de la paroi des casings. Afin de faciliter la réalisation de ces mesures, le CEA-List a été sollicité pour remplacer le capteur ultrasonore mono-élément de son instrumentation par un capteur multi-éléments, ce qui permet de supprimer un axe de rotation mécanique.

Il a été demandé aux experts du CEA-List :

• d’associer à CIVA un outil de simulation numérique permettant de contrôler les casings par des méthodes ultrasonores basses fréquences ;
• mais aussi de réaliser des études sur la précision des simulations réalisées.

Lorsqu’on veut simuler la progression d’une onde dans un milieu – le tubage d’un puits de pétrole, en l’occurrence -, des phénomènes de résonance peuvent apparaître. C’est le cas si la longueur d’onde du signal ultrasonore généré est importante par rapport aux dimensions du casing. Dans le cas des méthodes dites « semi-analytiques » habituellement utilisées par CIVA pour la simulation de propagation des ultrasons, la précision des mesures atteint alors une limite.

Les chercheurs ont intégré le principe des éléments finis (EF) au module CIVA-UT (ultrasons) et développé un modèle hybride : CIVA-SEM, basé sur :

• des méthodes semi-analytiques dans les milieux fluides et épais ;
• et des méthodes d’éléments finis dans le casing métallique (plus fin et donc plus sensible aux phénomènes de résonance).

En permettant de modéliser avec une grande précision les phénomènes ultrasonores, avec un temps de calcul – et donc un coût – qui restent faibles, cette solution offre un compromis idéal entre fidélité et performance.

Les chercheurs œuvrent actuellement à la conception d’une procédure complète de modélisation et de simulation, directement utilisable par les industriels. Celle-ci prévoit trois phases principales :

1. la calibration de l’instrumentation : dans un premier temps, un module de calibration permet à l’outil de s’adapter aux conditions réelles et de prendre en compte les caractéristiques des capteurs.
2. le paramétrage des éléments finis : après avoir précisé une « région d’intérêt » au sein du casing, l’outil génère automatiquement un maillage de la région pour la simulation par éléments finis. Cela permet à tout type d’utilisateur – y compris les moins experts à l’égard des éléments finis – d’utiliser l’outil facilement.
3. l’analyse de données : un plugin associé à CIVA permet enfin de traiter automatiquement le résultat de la simulation et d’établir les grandeurs d’intérêt : épaisseur du casing, nature du milieu etc.

En parallèle, une campagne de validation de cette procédure de contrôle et des méthodes numériques est conduite. Il s’agit de comparer les résultats obtenus par simulation hybride CIVA-SEM avec les méthodes classiques, et avec des méthodes plus précises mais aussi beaucoup plus coûteuses et plus lentes. Présentées aux journées COFREND 2023, les études réalisées montrent que les outils numériques développés par le CEA-List fournissent des résultats de manières fiable et rapide, ce qui est conforme aux attendus.

Prochain jalon : permettre au logiciel de prendre en compte de potentiels défauts dans le casing, comme la présence d’une couche d’eau très fine entre le casing et le ciment qui l’entoure. Le CEA-List prévoit également le développement d’un « jumeau numérique », conjuguant simulation et données réelles, afin de suivre activement l’état des capteurs, d’assurer leur maintenance et d’adapter les méthodes numériques.