Plate forme d'enseignement à distance

Le cours de Contrôle des puits (Well Control) est un enseignement fondamental pour les ingénieurs en forage pétrolier. Il vise à fournir les connaissances essentielles et les compétences pratiques nécessaires pour prévenir, identifier et maîtriser les incidents de type "kick" ou éruption dans les opérations de forage.

Le contrôle des puits représente un enjeu majeur de sécurité dans les travaux de forage, de complétion, de workover et d’abandon des puits. Ce cours introduit les principes physiques de l’équilibre des pressions dans le puits, l’analyse des pressions hydrostatiques et hydrodynamiques, ainsi que les méthodes de prévention et d’intervention en cas de perte de contrôle.

L’apprentissage est structuré autour des notions suivantes :

·            Pressions dans le puits (pression de formation, pression de fracture, pression hydrostatique),

·            Mécanismes d’apparition des kicks et leurs signes avant-coureurs,

·            Procédures d’arrêt immédiat (shut-in) et calculs préliminaires nécessaires à la maîtrise d’un influx,

·            Méthodes de contrôle du puits (Méthode du foreur, méthode d’attente et poids, stripping),

·            Tolérance au kick et marges de sécurité opérationnelles,

·            Essais des équipements de contrôle (BOP, circuits de circulation).

Ce cours est fortement orienté vers la pratique opérationnelle, avec des exemples issus de l’industrie pétrolière et des exercices de calcul appliqué. Il prépare l’étudiant à réagir de manière rigoureuse et efficace face aux situations critiques pouvant menacer la sécurité des personnes, des installations et de l’environnement.

Pétrographie des roches sédimentaires

 

I/ Définitions

Les roches sédimentaires sont formées d’un assemblage de minéraux préexistants ou néogènes et parfois de substances amorphes. Leurs constituants sont soit des débris de roche, des minéraux préexistants, soit d’êtres vivants (fossiles).

Toutes les roches sédimentaires se forment à la surface de la Terre et sont dites : exogènes.

Elles sont accessibles à l’observation ; leur étude permet donc de reconstituer les conditions

de leur formation.

Par opposition aux roches magmatiques se sont toujours des roches stratifiées en bancs déposées par gravité soit à la surface du sol soit dans l’eau (mer, lac).

Strates de Calcaires

 Les roches sédimentaires ont une grande importance du point de vue économique : le pétrole, le gaz, le charbon, l’uranium, les matériaux de construction sont d’origine sédimentaire. Elles ont aussi une importance scientifique : c’est le seul type de roches contenant des fossiles.

Poisson fossilisé

Le cycle de formation des roches sédimentaires comprend quatre processus : l’altération, l’érosion, le transport, le dépôt (sédimentation) et la diagenèse.

 

Les matériaux issus de l’altération et l’érosion sont dits produits d’altération ; parfois ces derniers restent en place et ne quittent pas leur lieu de formation, générant ainsi des roches résiduelles (exemple :bauxites). Dans d’autres cas, et grâce aux agents de transport (l’eau, le vent…), tout le matériel issu de l’altération est transporté loin de son lieu de formation pour se déposer dans le milieu de dépôt et génère ainsi les roches sédimentaires( exemple : dolomie, calcaire, conglomérat…).

Remarque : Il est important de faire la différence entre le sédiment et la roche sédimentaire: la première notion correspond à un matériel dont les particules sont entièrement indépendantes les unes des autres. La seconde notion, celle de roche sédimentaire, signifie des constituants intimement soudés les uns aux autres. La transformation du sédiment meuble en roche indurée résulte soit d'un ciment entre les grains, soit de la compaction du sédiment.

 

II/ Les différents types de sédimentation

Les rivières, océans, vents et eaux de pluies ont la capacité de transporter les particules issues de la désagrégation (destruction) des roches par érosion. Ces matériaux sont composés de fragments de roches et de minéraux. Lorsque l’énergie de transport n’est plus assez forte pour déplacer ces particules, ces dernières se déposent : c’est le processus de sédimentation. Ce type de sédimentation est appelé : sédimentation détritique ou clastique.

Un autre type de dépôt sédimentaire se produit lorsque les matériaux sont dissous dans l’eau et précipitent. Ce type de sédimentation est dénommé : sédimentation chimique.

Un troisième processus peut se produire lorsque les organismes vivants extraient les ions dissous dans l’eau pour former des coquilles et des os. Ce type de sédimentation est appelé : sédimentation biogénique.

 

Ainsi, il existe trois grands types de roches sédimentaires : roches d’origine détritiques, chimiques et biogéniques.

III/ Classification des roches sédimentaires

On peut classer les roches sédimentaires suivant :

• Leur composition chimique et minéralogique
• Leur origine : détritique, biologique ou chimique
• L’agent de leur dépôt (eau, vent, glace)
• La taille des constituants

Nous adopterons dans ce cours la classification suivante :

1. D’après la composition chimique on distingue : les siliceuses, carbonatées, , salines, carbonées.
2. D’après l’origine on distingue les groupes en

·       Roches détritiques ou clastiques qui sont le résultat de la destruction de roches et la sédimentation de leurs débris

·       Les roches de précipitation chimique : cette précipitation d’éléments dissous peut être due soit à des facteurs physiques (température et concentration) soit à des facteurs biologiques.

·       Les roches bioclastiques : résultats de la sédimentation de débris de tests,  coquilles, squelettes d’êtres vivants

III/ Genèse (étapes de formation) des roches sédimentaires

Pour la formation des roches sédimentaires, il faut qu’il y ai destruction d’une roche préexistante, le transport des débris, leur sédimentation ( ou dépôt) dans un bassin donné et la transformation du dépôt en roche ou diagenèse.

 

Elaboration de la matière mobile : Les roches sédimentaires, tout au moins les roches détritiques (ou silico-clastiques) résultent

des processus suivants : érosion – altération ; transport ; sédimentation ; diagénèse. Ces processus existent dans l’Actuel ; l’étude de ce groupe de roches sédimentaires permet donc

de les reconstituer selon le principe fondamental de la géologie qu’est l’actualisme.

D’autres types de roches sont d’origine chimique ou biochimique ; c’est le cas des roches carbonatées et évaporitiques. La présence, la diversité ou la répartition des peuplements biologiques en milieu marin (ou en milieu aquatique d’une façon générale), la productivité biologique et le métabolisme des organismes vivants sont alors les facteurs essentiels qui interviennent dans la genèse des roches carbonatées. Dans le cas des roches évaporitiques (dites aussi évaporites), le chimisme de l’eau et le contexte climatique sont les facteurs principaux dans leur formation.

 

II-1 : Erosion et altération

L’érosion des continents est la source principale des matériaux qui constituent les sédiments détritiques. Ces phénomènes sont régis essentiellement par le climat. On distingue généralement l’érosion mécanique de l’altération qui résulte d’actions chimiques.

1 : L’érosion mécanique

Elle conduit à la fragmentation des roches préexistantes, dites encore roches-mères. Les agents responsables de l’érosion sont :

Les variations de température : dilatation/contraction (=gélifraction), fissuration, éclatement.

Les écarts de T°C sont particulièrement importants sous climat désertique.

L’eau : dans les fissures de la roche peut geler (et augmenter de volume) conduisant à l’éclatement de cette dernière.

Le vent : agit surtout parce qu’il transporte des particules sableuses abrasives.

Les organismes vivants : notamment les racines de végétaux (+ les bactéries dans les sols) ;

fissuration puis fragmentation.

 

2 : L’altération

L’eau est l’agent principal de l’altération. Elle est responsable notamment de la dissolution et

de l’hydrolyse.

Les éléments solubles sont lessivés et les insolubles restent sur place. Il se forme alors : des profils d’altération où les transformations sont complexes et des altérites ou roches

résiduelles.

Ces processus d’altération sont fonction :

De la composition des roches mères, de la solubilité des minéraux, du climat qui détermine la

quantité et le chimisme de l’eau, de la durée du phénomène c’est-à-dire du temps de contact

entre les roches et les solutions, du drainage, lui-même fonction de la porosité et de la perméabilité des roches.

Bilan de l’érosion-altération : Matériaux solides de différentes dimensions + colloïdes

(minéraux argileux notamment) + solutions.

 

1)    Stade de transport : Les produits de l’érosion-altération sont généralement déplacés ou transportés sous l’action : de la gravité, de l’eau, de la glace, du vent.

• La gravité intervient lorsqu’il existe des différences d’altitude donc des pentes (régions

montagneuses) ; la distance parcourue est généralement faible. Il se forme alors des cônes d’éboulis ou des coulées boueuses en cas de forte pluviométrie.

• Le transport par la glace caractérise les régions froides et humides. Les produits transportés par la glace (ou les glaciers) sont des blocs de différents diamètres, mal classés et anguleux ; ils sont parfois broyés sous forme de « farine glaciaire ».
• Le transport par l’eau : concerne les matériaux détritiques en suspension ainsi que les

éléments en solution ; il s’effectue souvent sur de longues distances. Les écoulements sont chenalisés ou non (écoulements en nappes superficielles).

• Le transport par le vent : La charge (volume de particules transportées) et la compétence du vent sont généralement faibles. L’action du vent est particulièrement importante en régions désertiques : déflation (déplacement et élimination des particules les plus fines) ; formation de regs (plateaux recouvert de cailloutis façonnés par le vent) et d’ergs (ensembles de dunes éoliennes). Le vent déplace également les sables de plage et les poussières (parfois sur de très longues distances).

De nombreux critères : structures sédimentaires, granulométrie, morphoscopie indiquent qu’un sédiment a subi un transport plus ou moins long.

 

2)    Stade de dépôt : Une partie des produits issus de l’érosion-altération peut s’accumuler sur place : couche d’altération, altérites.

Mais les matériaux détritiques transportés finissent par se déposer dans des milieux variés :

alluvions en milieu fluviatile, sables des deltas, sables et silts en milieu profond.

Cette sédimentation détritique est régie essentiellement par les conditions hydrodynamiques

(type de courant, direction-sens, compétence des courants) et morphologiques (pentes, contrastes de relief etc…)

Les solutions précipitent, en milieu aquatique (marin, lacustre ou lagunaire) mais cela est fonction de l’intensité de l’évaporation, des températures, c’est-à-dire du climat, de la quantité

de CO2 et de la présence des organismes, notamment pour les dépôts carbonatés. Les processus de la sédimentation sont donc, dans ce cas, chimiques ou biochimiques.

 

3)    La diagenèse : La diagénèse est l’ensemble des transformations qui se produisent dans les sédiments après leur dépôt ; il s’agit donc souvent d’une longue histoire au cours de laquelle il faut distinguer :

• La diagénèse précoce : phénomènes (ou transformations) se produisant avant l’enfouissement, le sédiment étant toujours en contact avec le milieu de dépôt. Le résultat de ce premier stade de la diagénèse est la lithification, c’est-à-dire la consolidation du sédiment qui devient une roche. Au cours de ce stade interviennent deux types de phénomènes : la cimentation (dans les sédiments carbonatés surtout) et la compaction. Seul ce stade doit être pris en compte puisqu’il s’agit de la genèse des roches.
• La diagénèse d’enfouissement : transformations affectant des roches, au cours de l’enfouissement sous une épaisseur de sédiments variable (en fonction essentiellement de la subsidence). Ce stade de la diagénèse, toujours plus long que le précédent, se caractérise par des recristallisations, des modifications minéralogiques (remplacements), de nouvelles cimentations à partir des solutions interstitielles etc…
• La diagénèse tardive : Phénomènes les plus tardifs affectant des roches ayant subi un enfouissement plus ou moins important (durée et profondeur d’enfouissement) et qui sont remises dans des conditions de surface. Ces dernières transformations sont proches de l’altération et s’effectuent sous l’influence du climat.

 

Les aspects et l’intensité de la diagénèse sont fonction du type de sédiment. Ainsi, ce sont les sédiments carbonatés qui sont les plus sensibles à la diagénèse.

 

En conclusion, on distingue dans une roche sédimentaire : les minéraux détritiques préformés et les minéraux authigènes ou néoformés.

IV : LES FACTEURS DE LA SEDIMENTOGENESE

 

Au cours de la sédimentation, les facteurs physiques, chimiques et biologiques interviennent de façon simultanée ; à cela s’ajoute le contexte géologique, c’est-à-dire les conditions tectoniques et climatiques. L’objectif de l’analyse des roches sédimentaires est de reconstituer toutes ces conditions de dépôt. Cependant, les critères pétrographiques sont souvent insuffisants pour atteindre cet objectif ; on a alors recours à d’autres observations, plutôt d’ordre sédimentologique : structures sédimentaires, séquences…

 

IV-1 : Les facteurs physiques

Il s’agit : des paramètres liés aux courants, direction et/ou sens, vitesse des courants fluviatiles, du vent ou des vagues agissant au cours de l’érosion, du transport et de la sédimentation ; des variations de température ; des précipitations

L’ensemble de ces paramètres est généralement lié au climat et au contexte tectonique (relief, pentes).La recherche de ces facteurs est basée sur : les structures sédimentaires, les paramètres granulométriques morphoscopiques, directement liés aux conditions hydrodynamiques.

Par exemple, les variations de température agissent sur la solubilité des minéraux, sur la vitesse des réactions chimiques notamment au cours de l’altération, conditionnent l’état physique de l’eau (liquide ou glace).

Les facteurs hydrodynamiques (liés aux courants) déterminent les structures et figures sédimentaires, la texture des roches etc…

 

IV-2 : Les facteurs chimiques

Composition de l’eau, salinité, pH, Eh (potentiel d’oxydo-réduction). Ils dépendent des facteurs physiques et conditionnent les facteurs biologiques.

Par exemple, Eh peut être négatif dans les milieux réducteurs ou positif en milieu oxydant. Il agit sur l’état d’oxydation de certains éléments comme le fer ou le manganèse, sur l’intensité de l’activité biologique, la composition des peuplements biologiques etc…

Le pH c’est-à-dire l’acidité ou la basicité des milieux de dépôt. ; la composition minéralogique des roches en dépend.

La salinité (eau de mer, eau douce de rivières, eau sursalée des lagunes et sebkhas) détermine la minéralogie, la nature et la composition des peuplements etc…Il est possible de mesurer les paléosalinités (ainsi que les paléotempératures) grâce aux dosages géochimiques, du bore, des isotopes de l’oxygène etc…

 

IV-3 : Les facteurs biologiques

Nature, importance, répartition des faunes et flores dépendent étroitement des autres facteurs : énergie, T°C, salinité, Eh-pH, oxygénation des milieux etc. ; les organismes vivants dépendent également les uns des autres. Ils agissent à leur tour sur certains paramètres physico-chimiques : par exemple sur l’énergie car les organismes benthiques fixés réduisent l’hydrodynamisme, sur le Eh et pH lorsqu’une surproduction de matière organique conduit à l’eutrophisation du milieu (anoxie ou réduction de la quantité d’oxygène), ou encore sur le taux d’accumulation des sédiments en produisant des débris squelettiques, des pellets etc..

Quant au climat, il est évident qu’il intervient à toutes les étapes de la formation des sédiments, depuis l’érosion et/ou l’altération jusqu’à la sédimentation. Certains sédiments sont liés à des climats particuliers : dolomie sous climat chaud et aride, « récifs » sous climat équatorial à tropical, dépôts glaciaires etc.

Le contexte tectonique contrôle le relief et la morphologie des bassins sédimentaires, la subsidence ; il s’exprime également par les déformations syn-sédimentaires. Certains types de dépôt particuliers sont syn-tectoniques comme les flyschs (dépôts liés aux courants de turbidité dans des bassins « mobiles ») ou post-orogéniques comme les molasses (dépôts issus de la destruction d’une chaîne de montagne nouvellement édifiée dans des bassins intramontagneux).

 

V/ Les minéraux des roches sédimentaires

Les roches sédimentaires sont constituées par différents minéraux :

v  Les minéraux clastiques et chimiques dérivant de la décomposition des roches cristallines. Ce sont :

·       Les minéraux stables. Exp : quartz

·       Les produits d’altération des minéraux instables. Exp : kaolinite

·       Les solutions

v  Les minéraux authigènes ou néoformés

v  La matière organique