La fracturation hydraulique : de la roche compacte au Flowback

Résumé de la leçon

Nous pompons un fluide à une pression dépassant la pression de fracture pour ouvrir des fissures dans la roche, puis nous les remplissons de Proppant pour qu'elles restent ouvertes.

Cette leçon fait partie du parcours Forage et complétion, et dure 8:11 minutes. Regardez d'abord la vidéo, puis passez en revue les points clés et testez vos connaissances avec les questions en bas.

Points clés

1. 1La fissure s'ouvre perpendiculairement à la plus petite contrainte horizontale (Shmin)
2. 2Le Proppant maintient la fissure ouverte après l'arrêt du pompage
3. 3La pression de fermeture est proche de Shmin
4. 4Le Flowback permet de récupérer le fluide de fracturation

Cours écrit

Pourquoi fracturer la roche ?

Dans les roches compactes (Tight) et les schistes (Shale), la perméabilité est si faible que le pétrole ou le gaz ne se déplace pas vers le puits à un débit économique, quelle que soit la pression du réservoir. La fracturation hydraulique crée des fissures qui agissent comme des autoroutes reliant une plus grande surface de roche au puits, ce qui augmente la production.

Mécanique des roches : où s'ouvre la fissure ?

La roche souterraine est comprimée par trois contraintes : verticale, horizontale minimale Shmin, et horizontale maximale SHmax. La fissure s'ouvre perpendiculairement à la contrainte la plus faible, c'est-à-dire qu'elle s'oriente selon la contrainte la plus forte. Dans la plupart des réservoirs profonds, la contrainte minimale est horizontale, donc la fissure s'ouvre verticalement ; à faible profondeur, la contrainte verticale peut être la plus faible, et la fissure s'ouvre alors horizontalement.

La pression de fermeture (Closure Pressure) est proche de Shmin, c'est la pression minimale à l'intérieur de la fissure pour la maintenir ouverte. La pression nette (Net Pressure) = Pression dans la fissure − Pression de fermeture ; c'est elle qui pousse la fissure à croître.

Préparation du puits

L'opération nécessite un puits intègre : Tubage et cimentation fiables, car les pressions sont très élevées. Le tubage est testé à une pression supérieure à celle prévue, puis le puits est perforé par étapes selon la méthode Plug & Perf : on descend un pistolet de perforation avec un bouchon, on perfore une section, on pose le bouchon pour isoler l'étage et on injecte, puis on répète l'opération pour la section suivante.

Flotte de fracturation (Frac Spread)

• Le mélangeur (Blender) : mélange l'eau, le sable et les additifs chimiques.
• Pompes haute pression : fournissent la puissance hydraulique nécessaire.
• Le collecteur (Manifold) et les lignes haute pression.
• Réservoirs d'eau et stockage de sable (Proppant).
• Camion de données (Data Van) : surveille la pression, le débit et la concentration de sable en temps réel.

Exemple de calcul : un puits d'une profondeur verticale de 10 000 ft et un gradient de fracturation de 0.8 psi/ft, la pression de fracturation à cette profondeur est donc de ≈ 8 000 psi. La pression hydrostatique de l'eau est de ≈ 0.433 × 10 000 = 4 330 psi. En supposant des pertes de charge par frottis dans les tubulures et les perforations d'environ 1 500 psi, la pression de refoulement en surface est de ≈ 8 000 − 4 330 + 1 500 ≈ 5 170 psi.

La puissance hydraulique est calculée : HHP = Débit (bbl/min) × Pression (psi) ÷ 40,8. Avec un débit de 80 bbl/min et une pression de 5 170 psi, la puissance est ≈ 80 × 5 170 ÷ 40,8 ≈ 10 137 HHP, une puissance énorme répartie sur de nombreuses pompes.

Fluide de fracturation et étapes de pompage

Le fluide est principalement composé d'eau et de sable (la grande majorité du volume), le reste étant des additifs : réducteurs de friction, biocides, gélifiants et anti-tartre. La recette varie d'un puits à l'autre.

• L'acide (Acid) : Nettoyage des perforations et ouverture des passages.
• Le Pad : Fluide sans sable qui ouvre et propage la fissure initialement.
• Étapes de Proppant : Le sable est ajouté avec une concentration augmentant progressivement.
• Le Flush : Chasse le sable restant du puits et termine l'étape.

À l'intérieur de la fissure et après

À l'arrêt du pompage, la fissure se referme sur le sable (Proppant) qui la maintient ouverte. Une partie du fluide s'infiltre dans la roche (Leakoff), puis la fermeture commence. Nous surveillons la pression nette, et parfois la microséismique (Microseismic) est utilisée pour estimer l'étendue des fissures.

Vient ensuite le Flowback : on ouvre le puits pour qu'une partie du fluide de fracturation revienne en surface, puis la production commence. Ces fluides sont traités et gérés avec soin pour protéger l'environnement.

Sécurité

Pressions très élevées dans les lignes, risques liés aux équipements sous pression, poussière de silice du sable, produits chimiques et gestion de l'eau. L'opération est réalisée selon un programme et des permis approuvés, avec des zones d'exclusion définies pendant le pompage. Les chiffres de cette leçon sont illustratifs.

Testez vos connaissances

Glossaire du cours