Etude numérique du comportement du fluide de forage dans les conditions HTHP (haute température, haute pression)

Abstract

En réponse à la demande croissante d’énergie, l’exploration et l’extraction de pétrole sont désormais réalisées dans des conditions critiques de haute pression et de haute température (HPHT). Ce contexte a renforcé la nécessité de comprendre comment les fluides de forage réagissent à ces environnements exigeants. Cette thèse examine les réponses des fluides de forage à ces conditions extrêmes, en mettant particulièrement l’accent sur les comportements rhéologiques et le problème de sédimentation de la barite. De plus, la recherche explore comment ils peuvent influencer numériquement les paramètres de l’écoulement annulaire de forage à l’aide d’un logiciel CFD. L’étude met en lumière le comportement pseudoplastique des boues à base d’eau en réponse à l’augmentation de la température, soulignant l’importance d’un contrôle précis et d’une gestion des fluides de forage dans ces circonstances. Il s’avère que le modèle d’ Herschel-Bulkley offre une meilleure prédiction du comportement rhéologique, en particulier en ce qui concerne les variations du taux de cisaillement. L’équation d’Arrhenius offre un modèle utile pour prévoir les changements de viscosité dus à la température. Le plus de cette thèse est que le modèle Harper, initialement élaboré pour la technologie alimentaire, a été examiné et validé dans le cadre de cette étude, démontrant ainsi sa capacité à prédire de manière précise les effets combinés du taux de cisaillement et de la température. Aussi, notre investigation expérimentale révèle que l’élévation de la température entraîne une augmentation de la sédimentation de la barite dans les fluides de forage à base de biopolymères. La sédimentation augmente significativement à des températures élevées en raison de la dégradation des polymères. En revanche, pour les systèmes de fluides HPHT, la sédimentation reste dans la fenêtre de sécurité, démontrant la stabilité thermique de ces systèmes. Enfin, cette étude explore l’impact des propriétés rhéologiques des fluides de forage à différentes pressions et températures sur les pertes de pression annulaire et les profils de vitesse dans le contexte de l’écoulement annulaire. Des simulations de la Dynamique des Fluides Numériques ont été réalisées pour analyser l’écoulement des fluides en régime turbulent et laminaire. Les comparaisons entre les résultats numériques et expérimentaux de la bibliographie ont montré une bonne concordance. Les résultats révèlent une réduction des pertes de pression dans les deux régimes avec l’augmentation de la température à pression constante, tandis que la pression a l’effet inverse à température constante. Cependant, l’effet de la température est prédominant. De plus, une transition plus précoce de l’écoulement laminaire à turbulent est observée avec l’augmentation de la température. Les effets de la température sont plus prononcés dans les espaces annulaires concentriques à grand rapport de diamètre, tandis qu’ils diminuent dans les espaces annulaires excentriques