Simulateur d'éruption d'un puits de pétrole

Laboratoire
Simulateur d'éruption d'un puits de pétrole

Contexte

J'ai préparé cette expérience pour la classe de ma fille qui est à l'école primaire, dans le cadre d'une journée d'animation sur « le monde du pétrole ». Le but était de mettre la physique en mouvement au moyen de cartes, de vidéos et de descriptions géologiques. Cette expérience a remporté un tel succès que j'ai dû la renouveler plusieurs fois !

La boue de forage est injectée par le centre de la tige de forage et remonte ensuite à la surface par l'espace compris entre la tige et les parois du puits.

L'un des risques les plus importants lors du forage d'un puits de pétrole est l'éruption : celle-ci se produit lorsque la pression de gaz à l'intérieur du puits expulse soudainement le pétrole. Cette expérience et l'animation qui l'accompagne illustrent la façon dont une éruption peut se produire et comment l'éviter.

L'expérience fait également état des facteurs qui doivent être pris en compte lors du forage d'un puits de pétrole : la boue de forage, la prévention des éruptions, la pression et l'équilibre hydrostatiques, la compressibilité et la densité du gaz.

Outils et matériel

• Un tuyau en plastique transparent d'un diamètre interne de 6 mm
• Un tuyau en plastique transparent d'un diamètre externe de 6 mm
• Des ballons de baudruche
• Une planche de bois, 1 m x 20 cm
• Des cavaliers
• Un mètre ruban
• Une cartouche de film ou un petit récipient en plastique
• De la mousse
• Un raccord en croix en laiton de 6 mm
• Un robinet à aiguille
• Une pompe à vélo
• Du ruban adhésif
• De l'eau
• Du sel
• Une balance de cuisine
• Un petit entonnoir

Instructions

La maquette est faite de matériaux standard que l'on trouve facilement dans un magasin de bricolage ou chez un quincaillier. Le schéma montre comment la monter. Le tuyau en plastique transparent d'un diamètre interne de 6 mm représente un puits de pétrole. Le ballon de baudruche tient lieu de réservoir de pétrole. J'ai utilisé le plus gros tube transparent (6 mm de diamètre externe) d'une pompe à air d'aquarium pour le manomètre (jauge de pression), bien que cela provoque une légère erreur de capillarité. Des tuyaux plus larges, mais pas trop, peuvent être utilisés pour des raisons pratiques de montage.

J'ai fixé les tuyaux à une planche de bois à l'aide de cavaliers ronds. Un mètre ruban provenant d'un magasin d'ameublement a parfaitement fait office d'échelle graduée pour mesurer le niveau d'eau dans le puits et dans la jauge. Le puits et la jauge doivent être soigneusement alignés horizontalement sur le même point de référence. J'ai utilisé le boîtier d'une pellicule photo (un petit récipient en plastique fera aussi bien l'affaire) comme réservoir d'eau pour le manomètre. J'ai inséré de la mousse épaisse sous le couvercle du boîtier et fait pénétrer les tubes du puits et de la jauge dans le couvercle et la mousse pour garantir l'étanchéité. J'ai ensuite attaché le tuyau du puits et le ballon réservoir au raccord en croix de 6 mm et au robinet.

Vous devrez faire travailler votre imagination pour effectuer des connexions hermétiques avec des attaches plus ou moins de fortune. Vous pouvez utiliser du ruban adhésif ou des élastiques pour renforcer les attaches. Si vous réalisez ce projet en classe, il vaut mieux vous entraîner pour vous familiariser avec cette installation simple et éviter les petites erreurs.

Expérience n° 1

1. Fermez le robinet. Remplissez à ras bord le tuyau simulant le puits avec de l'eau douce. Remplissez également le réservoir à jauge avec de l'eau douce.
2. Actionnez la pompe à vélo pour amener le niveau d'eau de la jauge juste en dessous du niveau d'eau du tuyau représentant le puits. Si le ballon gonfle trop, placez deux ballons l'un dans l'autre.
3. Arrêtez de pomper et contrôlez qu'il n'y a pas de fuite. Ouvrez doucement le robinet. Le niveau d'eau dans le puits diminuera légèrement pour atteindre la même hauteur que dans la jauge. À ce moment, un équilibre se crée. La pression hydrostatique de la colonne d'eau du puits correspond exactement à la pression du réservoir en maintenant les fluides (dans ce cas l'air) à leur place.

   Marquez le niveau exact de la jauge sur le mètre ruban pour une utilisation ultérieure. Si le niveau descend bien au-dessous du bord du tuyau simulant le puits, fermez le robinet, remplissez le puits et augmentez légèrement la pression avant d'ouvrir à nouveau le robinet.

4. Simulons à présent un état de sous-pression. Appuyez doucement sur le ballon (afin d'augmenter légèrement la pression du réservoir) et observez la première bulle d'air pénétrant dans le tuyau. Observez l'augmentation de sa taille alors qu'elle remonte le tuyau et que la pression hydrostatique diminue.

5. L'augmentation du volume de la bulle d'air déplace l'eau, qui jaillit du tuyau simulant le puits. Au fur et à mesure que le volume d'eau du puits baisse, la pression hydrostatique chute également et un volume d'air plus important pénètre dans le tuyau, déplaçant davantage d'eau. Très rapidement, toute l'eau est expulsée et arrose les personnes autour du montage !

Ce scénario peut se produire lors du forage d'un puits de pétrole, entraînant une éruption qui peut avoir des conséquences catastrophiques. En fait, les premiers forages consistaient à enfoncer un pieu dans le sol à l'aide d'un marteau jusqu'à transpercer le réservoir afin que le fluide s'échappe. En plus d'être dangereuse, peu économique et peu respectueuse de l'environnement, cette technique (ou plutôt l'absence de technique !) était uniquement adaptée aux puits de surface. Dans les forages rotatifs modernes, de la boue fabriquée spécialement est injectée dans le puits pour maintenir les fluides du réservoir en place. La boue a également d'autres fonctions. La boue de forage est pompée en permanence dans le puits via la tige de forage et remonte ensuite à la surface par l'espace annulaire entre la tige et les parois du puits. Le fluide de forage remonté est contrôlé en permanence pour détecter la présence de gaz.

Si du gaz est détecté, le maître-foreur abaisse immédiatement la tige de forage au maximum et la fixe au moyen des mâchoires de fermeture du dispositif anti-éruption, stoppant ainsi les pertes de fluide. Ensuite, une boue de densité supérieure est injectée à travers la tige de forage et le fluide de l'espace annulaire est libéré afin d'évacuer le gaz et la boue plus légère tout en maintenant la pression. La boue épaisse descend dans la tige de forage et remonte par l'espace annulaire. Au fur et à mesure que la colonne de boue s'épaissit, on détecte de moins en moins de gaz à la surface. Une fois la boue épaisse en place et les fluides du réservoir contenus, les mâchoires de fermeture sont ouvertes et le forage reprend. Nous pouvons également modéliser ce phénomène dans notre simulateur.

Expérience n° 2

1. Placez sur votre balance de cuisine un récipient d'une capacité suffisante pour remplir le tuyau simulant le puits et réinitialisez-la. Remplissez le récipient d'eau douce et pesez-le.
2. Ajoutez du sel pour augmenter le poids de 5 ou 10 %. Remuez pour dissoudre complètement le sel.
3. Fermez le robinet et remplissez le tuyau simulant le puits avec l'eau salée.
4. Actionnez la pompe jusqu'à ce que le niveau du tuyau de la jauge augmente de 5 ou de 10 % par rapport à l'expérience 1, en fonction du volume de sel ajouté à l'étape 2.
5. Ouvrez doucement le robinet et observez la manière dont une colonne courte de fluide lourd (plus dense) dans le puits compense une colonne plus haute de fluide léger dans le tube de la jauge.
6. Si des bulles d'air pénètrent dans le puits, ceci signifie que la pression est trop élevée (vous avez trop pompé et le niveau de la jauge est trop élevé). Inversement, si le fluide du tuyau simulant le puits s'échappe, c'est que le réservoir est surcompensé (la pression dans le puits est trop élevée). (Remarquez qu'une légère perte est inévitable du fait du manque de précision évident de nos mesures.)
7. Nous voici à présent revenus à l'équilibre et une légère pression sur le ballon produira le même résultat que dans l'expérience 1.

Autres réflexions

Simulateur d'éruption d'un puits de pétrole
		Cliquez sur l'image pour tester le simulateur virtuel d'éruption d'un puits de pétrole.

Il est facile d'en déduire que pour forer en toute sécurité, la pression hydrostatique exercée par la colonne de boue de forage doit surcompenser légèrement la pression du réservoir. Cependant, avant le forage, cette pression ne peut être qu'évaluée. Par conséquent, il est nécessaire d'établir des marges de sécurité. Nous avons également vu que la surcompensation dans la colonne du puits entraîne une perte de fluides dans le réservoir. C'est également dangereux parce que cela amène à l'état d'équilibre qui précède l'éruption. Pour éviter cette situation, les boues de forage sont conçues pour boucher les pores du réservoir. Une partie des éléments fluides, les filtrats, s'écoule dans les pores du réservoir. Les particules solides en suspension plus volumineuses bloquent les pores et forment un enduit de boue, empêchant l'entrée de tout fluide dans le réservoir. La perte du fluide de forage est également un paramètre suivi de près lors du forage d'un puits de pétrole.