Présentation

Dans l'industrie pétrolière et gazière, l'achèvement du puits est une phase critique qui détermine la productivité et la sécurité à long terme d'un puits. La complexité des conditions de subsurface, combinée aux coûts élevés et aux risques d'interventions physiques, a conduit à l'adoption de technologies de simulation avancées. Parmi celles-ci, les jumeaux numériques se distinguent comme un outil de transformation – une réplique virtuelle dynamique et axée sur les données d'un atout physique qui permet aux ingénieurs de modéliser, d'analyser et d'optimiser les scénarios de puits avant qu'un seul équipement ne soit déployé.

Qu'est-ce que les jumeaux numériques?

Un jumeau numérique est bien plus qu'un modèle statique 3D. C'est une représentation numérique vivante qui se synchronise en permanence avec son homologue physique à travers des données de capteurs en temps réel, des enregistrements historiques et des paramètres opérationnels. Pour les puits de pétrole et de gaz, cela signifie intégrer les données des jauges de descente, des capteurs de surface, des grumes de forage et de l'historique de production pour créer un miroir numérique complet du puits, du réservoir et de l'équipement d'achèvement.

Le concept est né dans l'aérospatiale et la fabrication, mais son application dans l'ingénierie subsurface a connu une croissance rapide. Contrairement aux modèles de simulation traditionnels qui reposent sur des hypothèses statiques, un double outil numérique permet à l'apprentissage des machines et des modèles basés sur la physique de se mettre à jour automatiquement, améliorant sa précision en tant que nouveaux flux de données.

Le rôle des jumeaux numériques dans l'industrie pétrolière et gazière

De l'exploration et du forage à la production et au déclassement, ces répliques numériques améliorent la prise de décision et réduisent l'incertitude. Cependant, la phase de fin de puits offre certains des plus grands rendements sur l'investissement parce qu'elle affecte directement le drainage des réservoirs, l'assurance du débit et l'intégrité des actifs à long terme. En simulant les scénarios de fin de projet dans un jumeau numérique, les exploitants peuvent tester plusieurs variables, telles que la densité de perforation, la composition des fluides fracturants ou les conceptions d'isolement zonal, sans encourir le temps ou les dépenses des essais physiques.

L'industrie se déplace vers la numérisation, accélérée par la nécessité d'opérations à distance pendant la pandémie, a poussé l'adoption numérique à la pointe de la technologie. Les principaux opérateurs et entreprises de services ont investi massivement dans des plateformes combinant des réseaux de capteurs Internet de choses (IoT) avec des moteurs numériques à deux moteurs basés sur le cloud. Ces plateformes permettent aux équipes multidisciplinaires – géologues, ingénieurs de réservoirs, ingénieurs de fin de carrière et d'experts en données – de collaborer dans un environnement virtuel partagé, de réduire les silos et d'accélérer les cycles de décision.

Demandes en cours de fin de mandat

Chaque application tire parti de la capacité de simulation des processus physiques en haute fidélité, permettant aux ingénieurs d'évaluer les compromis et d'optimiser les conceptions avant l'exécution sur le terrain. Ci-dessous sont les domaines clés où les jumeaux numériques ont démontré un impact significatif.

Opérations de cimentage et isolement zonal

Le cimentage est l'une des étapes les plus importantes de l'achèvement du puits, car il fournit un isolement zonal et un support structurel. Le mauvais cimentage peut conduire à la migration du gaz, à la perte de contrôle du puits ou à des travaux de réparation coûteux. Avec un jumeau numérique, les ingénieurs peuvent simuler le déplacement du lisier de ciment dans l'annulaire, en tenant compte de la rhéologie fluide, de la géométrie du puits et des horaires de pompe.

Conception et optimisation de la fracturation hydraulique

La fracturation hydraulique reste la pierre angulaire du développement des ressources non conventionnelles. Un jumeau numérique du puits et du réservoir environnant peut simuler la propagation des fractures, le transport des propanes et l'interférence du stress. Les ingénieurs peuvent exécuter des centaines de simulations de scénarios pour trouver la meilleure combinaison de débit de pompage, de viscosité des fluides et de concentration des propanes. Le jumeau tient également compte de l'hétérogénéité géologique, comme les fractures naturelles et l'anisotropie des contraintes, qui sont critiques dans les réservoirs complexes de schiste.

Conception de chaînes de tubage et d'achèvement

Le choix de la taille, du matériau et de l'équipement de canalisations est essentiel pour gérer l'érosion du flux, la corrosion et l'expansion thermique. Un jumeau numérique peut modéliser le comportement mécanique de la chaîne d'achèvement sous différents scénarios de chargement, tels que les tests de pression, le débit de production et les traitements de stimulation. Les ingénieurs peuvent évaluer l'effet de différentes connexions, les réglages de l'emballeur et les vannes de régulation du débit. Le jumeau simule également les régimes de débit (écoulement annulaire, débit de limace, etc.) et prévoit des chutes de pression le long de la chaîne.

Formation Évaluation des dommages et planification de l'assainissement

Les opérations de forage et d'achèvement exposent inévitablement le réservoir à des fluides et des particules étrangers, ce qui peut causer une altération de la perméabilité des puits, communément appelé dommages à la formation. Les jumeaux numériques peuvent simuler l'invasion du filtrat et des solides, les réactions avec les minéraux de formation et le facteur cutané qui en résulte. En modélisant différents fluides d'achèvement, additifs et procédures de nettoyage, les ingénieurs peuvent identifier l'approche la moins dommageable. Par exemple, le jumeau peut révéler qu'une composition saumure particulière minimise le gonflement de l'argile ou qu'un certain traitement acide est plus efficace pour enlever le gâteau filtre.

Prédiction de rendement et optimisation de la production

Au-delà de la tâche d'achèvement elle-même, les jumeaux numériques sont utilisés pour prévoir les performances de production selon différents modèles d'achèvement. En alliant un modèle d'achèvement avec un modèle de débit de réservoir, le jumeau peut prévoir la récupération cumulative du pétrole et du gaz, la coupe d'eau et les temps de percée du gaz. Cela permet de comparer des conceptions concurrentes, comme les dispositifs de contrôle des flux (DCI) par rapport aux perforations à entrée limitée.

Avantages de l'utilisation de jumelles numériques pour la réalisation de puits

L'adoption de jumelles numériques offre des avantages mesurables dans plusieurs dimensions des opérations de fin de puits. Ces avantages vont au-delà de l'emploi immédiat pour influencer la gestion du cycle de vie des actifs et la stratégie organisationnelle.

Réduction des risques

Un des moteurs les plus puissants de l'adoption numérique par jumelles est la capacité d'identifier et d'atténuer les risques avant de se concrétiser. Dans la conception conventionnelle de puits, une défaillance mécanique ou un mauvais isolement zonal ne peuvent devenir apparents que pendant la production ou les essais de puits, auquel cas l'assainissement est coûteux et complexe. Un jumeau numérique simule toute la séquence d'achèvement sous des forces d'aval réalistes, exposant des modes de défaillance potentiels tels que fuite d'emballeur, flambage de tuyaux ou mauvaise couverture du ciment.

Économies

Les essais physiques pilotes et les essais sur le terrain de nouveaux modèles d'achèvement sont particulièrement coûteux. Un jumeau numérique permet aux ingénieurs d'évaluer des milliers de variations de logiciels, d'économiser des millions de dollars en matériel, temps de montage et personnel. Par exemple, optimiser les conceptions de fracturation hydraulique par simulation peut réduire le nombre d'étapes nécessaires ou diminuer les volumes de propane tout en maintenant la productivité.

Amélioration de la prise de décisions

Les décideurs peuvent visualiser comment un changement dans une variable (p. ex., taux d'injection) se propage dans tout le système. Cette vue holistique permet de mieux comparer les analyses entre le coût d'achèvement et la récupération à long terme. Les mises à jour en temps réel pendant les opérations permettent de prendre des décisions à la volée : par exemple, si le jumeau indique que le liquide fracturant fuit dans une zone indésirable, les ingénieurs peuvent arrêter et ajuster la conception immédiatement plutôt que d'attendre l'analyse post-emploi.

Amélioration de la sécurité

La sécurité est primordiale sur tout site de puits. Les jumeaux numériques réduisent le besoin de présence physique du personnel lors d'opérations à risque élevé car de nombreuses décisions peuvent être validées à distance. Les simulations de scénarios d'éruption, de surtensions et de pannes d'équipement aident les ingénieurs à concevoir des systèmes de sécurité et des plans d'intervention d'urgence.

Accélération de l'apprentissage et du maintien des connaissances

Chaque puits d'achèvement génère une quantité massive de données. Les jumelles numériques capturent ces données dans un format structuré et consultable, créant un registre vivant de ce qui a été fait, pourquoi il a été fait, et comment l'actif a répondu. Ceci est inestimable pour transférer des connaissances entre les équipes et entre les projets. Un nouvel ingénieur peut se mettre à la vitesse en explorant le jumeau numérique d'un puits, comprendre les décisions prises et leurs conséquences.

Défis et considérations

Malgré le potentiel clair, la mise en œuvre de jumelles numériques pour une bonne réalisation n'est pas sans obstacles. Le défi le plus important est la qualité et l'intégration des données. Un jumeau numérique s'appuie sur des données précises et à haute résolution provenant de capteurs de trous d'aval, qui peuvent être coûteuses et sujettes à la défaillance dans des environnements difficiles.Dans de nombreux puits existants, une couverture limitée des capteurs ou de mauvaises pratiques de stockage des données rendent difficile la construction d'un jumeau fiable.

Une autre considération est le coût de calcul. L'exécution de simulations à haute fidélité, en particulier pour la propagation multiphase du flux et des fractures, nécessite des ressources informatiques importantes. Les solutions basées sur le cloud peuvent aider, mais les problèmes de latence et de bande passante peuvent entraver les applications en temps réel.

Enfin, la culture organisationnelle peut être un obstacle. Les processus traditionnels de forage et d'achèvement sont hiérarchiques et reposent sur l'expérience. Le passage à une approche axée sur les données et les modèles exige l'adhésion d'experts du domaine et l'investissement dans la littératie numérique. Les équipes sur le terrain peuvent être sceptiques quant aux modèles qui ne sont pas validés en fonction de leur propre expérience.

L'avenir des jumeaux numériques en bonne voie

La trajectoire des jumeaux numériques en phase de réalisation permet une intégration plus poussée avec l'intelligence artificielle (IA) et l'apprentissage machine (ML). Les jumeaux actuels dépendent de modèles basés sur la physique qui sont coûteux en calcul et nécessitent souvent un calibrage manuel. Les améliorations de l'IA peuvent former des modèles de substitution qui apprennent des simulations passées et des données de capteurs, fournissant des prédictions quasi-instantanées. Par exemple, un réseau neuronal pourrait rapprocher la relation entre les paramètres de liquide fracturation et la géométrie de fracture, permettant aux ingénieurs d'explorer les compromis en quelques secondes plutôt que quelques heures.

Une autre tendance émergente est le « fil numérique », qui relie le jumeau numérique à l'ensemble du cycle de vie de l'actif, de l'exploration jusqu'au déclassement. En fin de parcours, le jumeau hérite automatiquement des modèles géologiques de la phase d'exploration et transmet ses prévisions au jumeau de production. Cette continuité garantit que les décisions prises au cours de l'achèvement sont conformes au plan de développement à long terme.

Avec l'essor de la réalité augmentée (AR) et de la réalité virtuelle (VR), les ingénieurs de terrain pourraient passer par un puits de conception de l'achèvement dans un environnement virtuel, inspecter les autorisations d'équipement et la séquence des opérations. Les experts à distance pourraient utiliser le jumeau pour guider les techniciens sur place au moyen de procédures complexes, réduire les coûts de voyage et les lacunes en matière d'expertise.

Les jumelles numériques peuvent aider à réduire l'empreinte carbone du puits en optimisant l'utilisation des fluides, en minimisant les flétrissements et en réduisant le nombre de trajets de camion nécessaires aux essais d'équipement. Dans les projets de captage et de stockage du carbone (CSC), les jumelles numériques seront essentielles pour vérifier l'intégrité des puits d'injection au cours des décennies, en assurant que le CO2 reste entreposé en permanence.

Conclusion

En intégrant des données en temps réel et des modèles avancés, ces répliques dynamiques permettent de comprendre que les simulations statiques ne peuvent pas correspondre. Les avantages – réduction des risques, économies de coûts, amélioration de la sécurité et apprentissage accéléré – sont suffisamment convaincants pour que les jumeaux numériques passent d'une technologie expérimentale à une pratique standard dans les principales organisations pétrolières et gazières. Bien que des défis subsistent en matière d'intégration des données, de puissance de calcul et d'adoption culturelle, le rythme d'innovation en informatique en intelligence artificielle et en cloud comble rapidement ces lacunes.

Références externes: