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Pressure transient analysis for detecting leakages along active and abandoned wells

Cette étude démontre la faisabilité de l'utilisation de l'analyse des transitoires de pression (PTA) sur des données de pression de fond en temps réel pour détecter et estimer les taux de fuite provenant de fractures induites et de défaillances de tubage dans des puits actifs et abandonnés au sein d'un réservoir de grès offshore norvégien représentatif.

Auteurs originaux : Joshua Mugisha, Anton Shchipanov, Hans Joakim Skadsem, Ingebret Fjelde

Publié 2026-07-08

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Joshua Mugisha, Anton Shchipanov, Hans Joakim Skadsem, Ingebret Fjelde

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que vous gérez un réservoir d'eau géant, souterrain, situé profondément sous le fond de l'océan. Vous pompez de l'eau pour y stocker de l'énergie ou capturer du carbone. La grande crainte ? Et si cette eau trouvait un moyen de s'échapper par une fissure dans le couvercle du réservoir ou si elle fuyait par le côté du tuyau que vous avez utilisé pour la remplir ? Si elle s'échappait, elle pourrait contaminer les sources d'eau douce ou fuir dans l'atmosphère.

Ce document est comme une histoire de détective sur la façon de détecter ces fuites précocement en utilisant un outil déjà installé dans beaucoup de ces puits : un jauge de pression permanent situé profondément sous terre.

Voici la décomposition de l'étude en termes simples :

La boîte à outils du détective : L'analyse des transitoires de pression (PTA)

Considérez le jauge de pression comme un microphone très sensible écoutant le « battement de cœur » du puits. Les chercheurs ont utilisé une méthode appelée Analyse des Transitoires de Pression (PTA).

L'analogie : Imaginez que vous soufflez de l'air dans un ballon. Si le ballon est parfait, la pression augmente de manière fluide. Mais s'il y a un minuscule trou, la pression se comporte différemment — elle peut chuter soudainement ou augmenter plus lentement parce que l'air s'échappe.
La méthode : Les chercheurs ont observé comment la pression changeait au fil du temps, en utilisant spécifiquement un tour mathématique appelé « dérivée » (qui met en évidence les changements de la courbe de pression). Ils ont également créé une « zone de sécurité » (appelée Enveloppe d'Incertitude) autour de la courbe de pression normale. Si la courbe de pression sort de cette zone de sécurité, c'est un signal d'alarme indiquant que quelque chose ne va pas.

Les deux scénarios principaux qu'ils ont étudiés

L'étude a examiné deux façons spécifiques dont les fuites peuvent se produire, en utilisant des simulations informatiques (puisqu'ils ne pouvaient pas creuser de vrais puits pour tester cela).

1. Le « Craquellement du couvercle » (Fracturation induite)

Le problème : Lorsque vous pompez de l'eau trop vite ou à une pression trop élevée, vous pourriez accidentellement fissurer la couche rocheuse (la « roche couverture » ou caprock) qui se trouve au-dessus de votre réservoir. Cela crée un nouveau chemin pour que l'eau remonte vers les zones d'eau douce peu profondes.
Le test : Ils ont simulé un « Test de taux par paliers » (Step-Rate Test), ce qui revient à ouvrir le robinet un peu, puis un peu plus, puis beaucoup plus, tout en surveillant la jauge de pression.
La découverte : Lorsque la roche s'est fissurée et que l'eau a commencé à fuir vers le haut, la jauge de pression a montré une « chute » ou une baisse distincte dans sa lecture. Le modèle informatique a montré que si environ 2 % de l'eau commençait à fuir, la jauge pouvait le détecter. C'est comme entendre un son de « sifflement » spécifique qui vous indique que le ballon a un trou.

2. Le « Tuyau qui fuit » (Fuite derrière le tubage)

Le problème : Les puits sont tapissés de tubes d'acier (tubage/casing) et scellés avec du ciment. Avec le temps, le ciment peut se fissurer ou se détacher du tube ou de la roche. Cela crée un tunnel caché derrière le tube par lequel l'eau peut s'infiltrer depuis le réservoir profond vers les couches peu profondes.
Le scénario A (Puits actif) : Le puits pompe actuellement de l'eau. Les chercheurs ont simulé une fuite d'eau à travers le mauvais ciment. Ils ont découvert que si le ciment devient suffisamment « fuyant » (environ 10 % aussi perméable que la roche elle-même), la courbe de pression change de forme, montrant une pente descendante qui signale une fuite.
Le scénario B (Puits abandonné) : Et si le puits est bouché et abandonné, mais qu'un puits voisin pompe à proximité ? La pression du pompage du voisin peut pousser l'eau dans le puits abandonné à travers le mauvais ciment. Les chercheurs ont montré que même si le puits abandonné est « éteint », sa jauge de pression peut toujours « ressentir » la fuite et montrer une signature qui prouve que l'eau se déplace là où elle ne devrait pas.

Les résultats : Que pouvons-nous réellement détecter ?

Cette étude est une « vérification de faisabilité », ce qui signifie qu'ils ont demandé : « Est-ce théoriquement possible ? »

Oui, cela fonctionne : Les simulations informatiques ont prouvé que ces jauges de pression peuvent détecter des fuites dans les puits actifs et abandonnés.
Le seuil : La méthode est efficace pour attraper les fuites qui représentent environ 2 % ou plus du fluide total pompé. Si la fuite est microscopique (moins de 2 %), le « bruit » des données pourrait la masquer, la rendant difficile à voir.
L'avantage : Contra\à d'autres méthodes qui nécessitent des câbles à fibre optique coûteux ou des camions sismiques (qui sont comme envoyer une équipe à la surface pour écouter les vibrations), cette méthode utilise les jauges qui sont déjà là. C'est une mise à jour « gratuite » du logiciel qui lit les données.

Le bémol (Limites)

Les auteurs sont très honnêtes sur ce qu'ils n'ont pas fait :

C'est une simulation : Ils n'ont pas testé cela sur un vrai puits fuyant dans l'océan pour le moment. Ils n'ont utilisé que des modèles informatiques.
Conditions simplifiées : Ils ont supposé que le fluide était simplement de l'eau et que la température était constante. Les scénarios réels impliquant des fluides géothermiques chauds ou du dioxyde de carbone (qui change d'état) sont plus complexes et n'ont pas été testés ici.
Le problème du « bruit » : Les jauges de pression réelles ne sont pas parfaites ; elles ont des interférences statiques et des tremblements. Les chercheurs ont utilisé une « enveloppe de sécurité » pour tenter d'ignorer ces tremblements, mais dans le monde réel, distinguer une minuscule fuite d'une jauge bruyante est plus difficile que dans un ordinateur.

L'essentiel

Ce document propose une nouvelle façon d'écouter nos puits souterrains. En utilisant les jauges de pression que nous possédons déjà et en cherchant des « chutes » ou des « pentes » spécifiques dans les données de pression, nous pourrions être capables de détecter des fuites dans les puits actifs et même dans les vieux puits abandonnés avant qu'ils ne deviennent des catastrophes environnementales. C'est comme donner au puits un stéthoscope pour écouter le son d'une fuite, plutôt que d'attendre que l'eau déborde.

Résumé Technique : Analyse des Transitoires de Pression pour la Détection de Fuites le Long des Puits Actifs et Abandonnés

Énoncé du Problème
L'intégrité des puits de subsurface est cruciale pour la sécurité environnementale et l'efficacité opérationnelle, particulièrement dans les projets d'injection géologique à grande échelle tels que l'injection d'eau, l'énergie géothermique et le captage et stockage du carbone (CSC). Un risque primaire concerne les fuites de la formation cible vers les zones peu profondes ou l'atmosphère par l'intermédiaire d'une intégrité de puits compromise. Les voies de fuite potentielles incluent les fractures induites se propageant à travers les couvertures (caprocks), les défaillances aux interfaces tubage-ciment ou ciment-formation, et les flux croisés dans les puits hérités (abandonnés/P&A). Bien que des technologies de surveillance comme la fibre optique et les levés microsismiques existent, elles font souvent face à des limitations concernant le coût, la complexité de déploiement ou la sensibilité aux micro-fuites. De plus, les méthodes existantes d'Analyse des Transitoires de Pression (PTA) se sont principalement concentrées sur des scénarios de fuite individuels plutôt que sur une approche globale capable de diagnostiquer plusieurs voies simultanément. Cette étude répond au besoin d'une solution de surveillance réalisable et rentable utilisant les jauges de fond permanentes (PDG) largement disponibles pour détecter et caractériser les fuites dans les puits actifs et abandonnés.

Méthodologie
L'étude emploie une approche de modélisation puits-réservoir mécaniste basée sur un réservoir de grès offshore norvégien représentatif. Les simulations de flux de fluides supposent un écoulement de fluide (eau) monophasique, isotherme et à faible compressibilité. La recherche est divisée en deux parties d'investigation principales :

Fracturation Induite et Fuite de la Couverture (Caprock) :
- Modélisation : Un flux de travail de pseudo-couplage utilisant le simulateur de réservoir Rubis a été utilisé pour simuler l'ouverture et la propagation de fractures induites par la pression. Une fonction de perméabilité de fracture dépendante de la pression, $k_f(p)$ , a été appliquée aux blocs de grille de fracture pour modéliser la transition du flux de matrice vers le flux de fracture une fois qu'une pression de fracturation spécifique ( $p_f$ ) est atteinte.
- Scénario : Un injecteur vertical a été simulé dans un système à trois couches (formation cible, couverture, formation peu profonde). Le modèle a suivi la croissance de la fracture depuis la formation cible, à travers la couverture, jusqu'à la couche peu profonde.
- Analyse : Des tests de taux d'injection (SRT) synthétiques ont été générés. Les données ont été interprétées à l'aide d'une approche PTA-SRT enrichie par un concept d'Enveloppe d'Incertitude (UE). La dérivée de Bourdet des transitoires de pression normalisés a été calculée pour chaque étape d'injection. L'UE a été établie sur la base d'une dérivée de référence (pré-fracture) pour distinguer les signatures de fuite réelles du bruit de mesure.
Fuite Derrière le Tubage (Défaillance de l'Intégrité Casing-Ciment-Roche) :
- Modélisation : Un modèle de réservoir composite a été développé où la gaine de ciment derrière le tubage s'est vu assigner une perméabilité effective distincte ( $k_c$ ). Cela a permis de simuler la migration de fluide de la formation cible vers la formation peu profonde à travers une zone de ciment compromise sans fracturation induite.
- Scénarios : Deux cas distincts ont été simulés :
  - Puits Actifs : Un test d'injection à débit constant suivi d'une période de fermeture (shut-in) pour analyser les réponses de pression en débit et en remontée (build-up).
  - Puits Abandonnés (P&A) : Un injecteur actif à proximité a été simulé pour induire une interférence de pression dans un puits obturé. Le puits abandonné a été surveillé via une jauge de fond sans fil simulée pendant une longue période de fermeture.
- Analyse : La PTA a été appliquée aux données de fermeture et de débit. Des graphiques log-log diagnostiques de la pression et des dérivées de Bourdet ont été comparés à des limites de référence représentant l'absence de fuite (écoulement dans une seule formation) et la pénétration totale (écoulement dans deux formations).

Contributions Clés et Résultats
L'étude démontre la faisabilité de l'utilisation des données PDG combinées aux méthodes PTA pour détecter les fuites dans des scénarios spécifiques :

Détection de la Fracturation Induite : La méthode PTA-SRT avec l'Enveloppe d'Incertitude a réussi à détecter l'amorçage de la fracturation induite. La signature de l'ouverture de la fracture a été identifiée comme un décalage vers le bas de la dérivée de Bourdet. La méthode a détecté la propagation de la fracture dans la formation peu profonde (fuite hors zone) lorsque le taux de fuite atteignait environ 2 % du volume total injecté. En dessous de ce seuil, les signatures de fuite étaient difficiles à distinguer du bruit dans les cas simulés.
Fuite Derrière le Tubage dans les Puits Actifs : L'étude a montré qu'une augmentation de la perméabilité effective du ciment ( $k_c$ ) entraînait une tendance à la baisse de la dérivée de pression pendant la période de débit. La fuite était détectable lorsque la perméabilité relative du ciment ( $k_c/k_m$ ) approchait 0,1, ce qui correspond à un volume de fuite d'environ 2 %.
Fuite Derrière le Tubage dans les Puits Abandonnés : Le cadre PTA adapté pour les puits abandonnés a réussi à identifier les signatures de fuite pendant les périodes de fermeture induites par un injecteur à proximité. La méthode a détecté la fuite lorsque la perméabilité du ciment était égale ou supérieure à la perméabilité de la formation cible, avec des volumes de fuite dépassant 1 % du volume injecté.
Gestion du Bruit : L'application du concept d'Enveloppe d'Incertitude s'est avérée efficace pour différencier les véritables signaux de fuite du bruit inhérent des mesures PDG, à condition que la signature de la fuite dépasse l'amplitude du bruit (par exemple, une déviation de >2 bar dans la dérivée contre <1 bar de bruit).

Signification et Revendications
Les auteurs positionnent ce travail comme une étude de faisabilité établissant une base conceptuelle pour l'application des méthodes PTA/PDG à la détection de fuites. La signification de l'étude réside dans :

Efficacité Opérationnelle : Les méthodes proposées utilisent l'interprétation des transitoires de débit (pendant l'injection) et les données de fermeture standard, évitant potentiellement les coûts et les pertes de production associés aux tests de puits dédiés.
Utilisation des Infrastructures Existantes : L'approche tire parti des PDG, qui sont déjà largement déployées dans les puits actifs et de plus en plus disponibles dans les puits abandonnés via la technologie sans fil, offrant une alternative évolutive et potentiellement moins coûteuse que la fibre optique ou la micro-sismique.
Surveillance Complémentaire : L'étude suggère que la détection de fuites par PTA peut servir d'adjunct pragmatique à la surveillance de la pression de tête de puits (SCP), offrant des capacités de détection spécifiques à la profondeur que les mesures de surface n'ont pas.

Limites et Travaux Futurs
Le document stipule explicitement que les résultats sont valables uniquement pour les hypothèses spécifiques formulées : puits verticaux, réservoirs à action infinie homogènes et écoulement monophasique isotherme. Les auteurs reconnaissent que la modélisation par procuration des fractures (sans géomécanique pleinement couplée) et l'hypothèse d'une perméabilité de ciment statique sont des simplifications. Ils soulignent que la non-unicité des interprétations PTA nécessite une intégration avec les données géologiques et l'historique opérationnel. Crucialement, les auteurs concluent que des tests et des validations supplémentaires utilisant des données de terrain, ainsi qu'une validation croisée avec d'autres technologies de surveillance, sont les prochaines étapes nécessaires pour faire mûrir la méthodologie pour une application industrielle pratique.