Le potentiel des capteurs quantiques dans les outils de prochaine génération pour le bon fonctionnement des puits

La promesse de la détection quantique pour l'évaluation du sous-sol

L'industrie pétrolière et gazière compte depuis longtemps sur des mesures électromagnétiques, nucléaires et acoustiques pour caractériser les formations subsurfaces.Ces outils conventionnels de coupe de puits, bien qu'efficaces, ont des limites physiques fondamentales, surtout dans les environnements de faible porosité, de haute salinité ou de lithologie complexe.

Contrairement aux capteurs classiques qui mesurent les courants électriques, les tensions ou les signaux optiques, les capteurs quantiques sondent l'interaction entre un système quantique (p. ex., un spin atomique, une boucle supraconductrice ou un défaut de diamant) et un champ externe. Cela leur permet de détecter les changements dans les champs magnétiques, les gradients de gravité, la température et la pression avec des précisions qui peuvent dépasser les limites classiques par ordre de grandeur.

Principales modalités de détection quantique

Plusieurs plateformes de capteurs quantiques sont à l'étude pour le déploiement des trous d'amont :

Chaque plateforme a des compromis en taille, température de fonctionnement, tolérance aux vibrations et consommation d'énergie, facteurs qui dictent qu'il peut être intégré dans un outil de coupe autonome ou un collier de perçage.

Avantages sur les capteurs classiques de l'exploitation des puits

Les capteurs classiques sont limités par le bruit de Johnson-Nyquist, le bruit de tir et la dérive thermique. Les capteurs quantiques, lorsqu'ils sont utilisés à la limite quantique standard, peuvent obtenir un signal moyen au fil du temps pour réduire le bruit plus efficacement.

La rétroaction en temps réel des données lors du forage est un autre avantage. Par exemple, un capteur de résonance magnétique à activation quantique pourrait identifier les saturations d'hydrocarbures pendant que la bit est encore coupée, permettant aux opérateurs de diriger le puits dans les zones les plus productives sans trébucher pour des parcours d'exploitation séparés.

Incidences environnementales et économiques

Dans les champs matures, les relevés gravimétriques à la longue à l'aide d'interféromètres atomisés pourraient surveiller le déplacement des fluides, aidant à optimiser l'inondation ou l'injection de CO2 avec une intervention minimale. Ces avantages s'harmonisent avec l'industrie pour les opérations à faible teneur en carbone et l'extraction efficace des ressources.

Applications spécifiques dans le domaine du logging de puits

Logage de résonance magnétique

Cependant, les outils classiques de RMN utilisent des aimants permanents qui produisent un gradient de champ statique, limitant le volume d'interrogation et nécessitant une puissance importante.Les capteurs quantiques peuvent permettre une RMN à champ zéro ou à champ ultra-faible, où le champ statique est champ de Terre ou plus bas.Cela permet une pénétration plus profonde et réduit la complexité des outils.Les chercheurs de Nature Scientific Reports ont démontré la détection de RMN à membrane de NV dans des échantillons de fluides à résolution submillimétrique, suggérant une voie vers l'analyse chimique au fond du trou.

Gravité et gravité

Les interféromètres à atomes fournissent maintenant des mesures du gradient de gravité avec une sensibilité de 1 Eötvös ou mieux, permettant de détecter des anomalies de densité subtiles causées par des bouchons de gaz, des contacts huile-eau ou des réseaux de fracture. Un récent essai sur le terrain effectué par SPE (OnePetro) a montré qu'un gradiomètre de gravité quantique pouvait distinguer la saumure et l'huile dans un modèle à l'échelle du laboratoire, et que la technologie progressait vers un prototype pour le déploiement des câbles.

Magnétotélluriques haute résolution

Les récepteurs MT basés sur SQUID sont utilisés depuis plusieurs années, mais de nouveaux magnétomètres atomiques à l'échelle des puces pourraient réduire le coût et la taille des réseaux MT pour l'imagerie à l'échelle du bassin. Les magnétomètres quantiques à trous inférieurs amélioreraient également la résolution de l'exploitation EM à source contrôlée, en particulier dans les formations conductrices où les antennes à bobines conventionnelles perdent du signal.

Température et pression du trou inférieur

Des capteurs de température quantique basés sur des centres NV ou SiC (carbure de silicium) peuvent mesurer la température avec une précision millikelvine, même à haute pression. Lorsqu'ils sont déployés dans des réseaux DTS (distributed temperature sensorization), ils peuvent résoudre les contributions des zones de production dans des puits multilatéraux.

Difficultés rencontrées pour une adoption généralisée

Coût et complexité

Les capteurs de diamètre NV nécessitent des diamants synthétiques de haute qualité avec des concentrations de défauts techniques. Les magnétomètres atomiques ont besoin de cellules de vapeur miniatures et de systèmes laser qui doivent survivre à des charges de choc de 175°C et 20 000 psi. La courbe d'apprentissage pour la fabrication de ces instruments à l'échelle est raide.

Vibrations et bruit

Pendant le forage, les vibrations latérales et le glissement de bâton peuvent produire des accélérations supérieures à 10 g. Les capteurs quantiques basés sur l'interférométrie des atomes ou l'interférométrie Ramsey sont particulièrement sensibles aux vibrations.Les chercheurs explorent des systèmes hybrides qui associent des accéléromètres classiques à des accéléromètres quantiques pour soustraire le bruit des vibrations, mais cela ajoute coût et complexité.

Exigences cryogéniques

Les CRÉDITS nécessitent un refroidissement liquide de l'hélium. Bien que les cryostats puissent être miniaturisés, ils ajoutent un poids important et nécessitent un remplissage périodique, ce qui est peu pratique pour les longs parcours filaires ou LWD. La poussée vers les supraconducteurs à haute température et les refroidisseurs sans cryogènes est prometteuse, mais ces systèmes n'ont pas encore prouvé leur fiabilité dans les environnements de trous.

Intégration des données

Les données des logs quantiques devront être combinées avec les logs gamma-ray, résistivité et neutrons conventionnels pour construire des modèles pétrophysiques cohérents. L'industrie manque de flux de travail standard pour le traitement des mesures quantiques.

Trajectoire de recherche et développement

Plusieurs projets sont en cours à l'échelle mondiale.Le département américain de l'énergie a financé le projet QUANTUM[ (Quantum Unconventional Asset Technology Unformalous Comprehension and Measurement), qui se concentre sur l'exploitation de la RMN à membranes NV. En Europe, le Quantum Flagship[ inclut des efforts pour déployer des capteurs de gravité atomique pour l'exploration géothermique et les hydrocarbures.

Le calendrier de déploiement commercial est estimé à cinq à dix ans pour les applications de niche (p. ex., l'exploitation par gravité à haute résolution dans les provinces du sel) et à dix à quinze ans pour l'adoption générale dans les suites d'exploitation.

Conclusion

Les capteurs quantiques ne sont pas un fantasme lointain, ils sont presque prêts pour des applications spécifiques de l'exploitation forestière de puits. Leur sensibilité supérieure aux champs magnétiques, à la gravité et à la température permettra aux opérateurs de voir des détails plus fins de la subsurface, de réduire l'incertitude de forage et de réduire l'impact environnemental.