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Le forage pétrolier à l'heure de la révolution numérique

Les métiers de la mine évoluent très vite. Le numérique retravaille en profondeur ces mondes de roc et de métal, en apportant des améliorations spectaculaires à la performance des outils de forage. Pour les industriels, s’appuyer sur des partenariats académiques permet de développer des stratégies gagnantes.

Monday
9
April 2018
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Paris Innovation Review - Le parapétrolier est un monde peu connu. Pouvez-vous nous présenter Varel en quelques mots?

Julien Carlos – C’est une société américaine créée en 1947 à Dallas par Dan Varel, qui a développé une activité centrée sur la construction d’outils de forage. L’entreprise a été rachetée en 1999 par des investisseurs qui ont repris au même moment la société Cristal Profor, à Pau, qui fabriquait également des outils.

Varel US avait des méthodes de fabrication et un outil industriel bien développé, de moyenne gamme. Cristal Profor, devenue depuis Varel Europe, avait des compétences en ingénierie et en R&D.

Varel Europe est passé de 1,5 à 80 millions d’euros de chiffre d’affaires et elle est implantée un peu partout dans le monde. Le boom des gaz et pétrole de schiste à partir de 2009 a contribué à cette croissance, mais ce qui a vraiment permis de développer l’activité, c’est la capacité de monter en gamme, grâce à des outils de simulation qui ont permis de conquérir des marchés en Mer du Nord, en Afrique, au Moyen-Orient et en Extrême-Orient.

La simulation est donc un élément significatif de la compétitivité?

Oui. Il faut comprendre que les conditions de forage sont extrêmement variées. Dans certaines régions, la roche est tendre, relativement homogène, et il n’y a pas beaucoup de surprise, mais a contrario il y a des endroits où c’est beaucoup plus compliqué, avec des roches très dures et des systèmes de fractures beaucoup plus complexes à gérer.

La grande évolution des 15 dernières années, c’est que la trajectoire de forage a beaucoup varié. Pendant des années, on forait des puits relativement faciles à exploiter : on creusait, il y avait suffisamment de pression, et le pétrole remontait quasiment tout seul. Ce n’est plus le cas : on forge sur des trajectoires à trois dimensions, avec des longueurs de trajectoire très importantes. Sur les puits les plus longs, entre la surface et le fond, on arrive à 10 000 mètres. C’est l’Everest, mais en sens inverse !

Les puits sont divisés en sections : plusieurs outils participent au forage. On commence avec des outils de gros diamètre, et au fur et à mesure que l’on avance, le diamètre diminue. L’un des enjeux est la stabilité du puits : pour éviter qu’il ne s’effondre sur lui-même, il faut le consolider. Il y a également des aspects de sécurité.

Sur 10 000 mètres, on aura entre 5 et 10 sections. On fore la première, on remonte l’outil de forage avec la tige, éventuellement on change un certain nombre de composants sur la tige, puis on redescend l’ensemble pour forer la section suivante.

L’économie d’une plateforme ce sont plusieurs millions de dollars par jour. La maîtrise du temps et des aléas est donc un élément essentiel.

Nous parlons de métiers sur lesquels, scientifiquement parlant, on ne maîtrise pas tout. Varel s’engage sur la performance de l’outil : lorsqu’on le vend, on promet à nos clients qu’on arrivera jusqu’à telle profondeur. Il arrive que l’outil s’use prématurément. Cela peut se détecter : l’outil ne répond plus suffisamment par rapport au poids qu’on peut lui mettre, on n’avance pas à la vitesse qu’on s’était fixée. On doit alors remonter l’ensemble du train de tiges, changer l’outil, et redescendre un outil neuf à l’intérieur pour pouvoir poursuivre. Cela engendre des coûts importants, car si l’outil proprement dit ne représente que quelques pourcents du coût total du puits, l’économie d’une plateforme ce sont plusieurs millions de dollars par jour. La maîtrise du temps et des aléas est donc un élément essentiel, et c’est sur ce genre de critère que se joue la compétition, dans notre métier. Réaliser des opérations qui n’étaient pas prévues, remonter l’ensemble du train de tiges pour redescendre un outil neuf, sont des choses qu’on cherche à éviter.

On peut considérer l’outil de forage comme une simple commodité dans l’ensemble des instruments qui sont déployés sur une plateforme, et pourtant son rôle est critique. Si on calcule mal une structure de coupe, l’analyse de ce qu’il faut fabriquer pour pouvoir forer efficacement tel ou tel terrain, les conséquences sont significatives.

Êtes-vous déjà positionné sur un modèle «industry as a service» – où vous vendriez des services de forage avec une garantie de performance, ou est-ce que vous vendez encore des produits sur étagère?

Il y a certes des disparités en fonction des marchés. Le marché américain, par exemple, est aujourd’hui un marché de location. On ne vend plus l’outil sur ce marché-là mais une performance, c’est-à-dire la garantie que tel outil va permettre de forer à telle distance, à telle vitesse. À nous d’assurer ensuite la performance proposée.

Sur les marchés qu’on adresse depuis l’Europe – Afrique, Mer du Nord, Moyen-Orient, et Extrême-Orient –, ce n’est pas encore le cas. Pour des questions de distance, d’implantation géographique, ce sont encore des marchés de vente. Le seul tampon par rapport à ce fonctionnement, c’est la mise en consignation : certains outils sont déployés sur le terrain mais restent dans nos stocks tant qu’ils ne sont pas encore utilisés. Pour se prémunir de tout retard, nos clients, en général, commandent un peu plus d’outils que ce dont ils ont théoriquement besoin, de façon à pouvoir faire face à un imprévu. Les clients se couvrent ainsi contre le risque.         

Si on déplace le curseur vers le service, ce qui a de la valeur, ce n’est pas l’outil lui-même, mais sa disponibilité et sa performance.

Absolument, et la tendance est très nette. Pour parler seulement du Moyen-Orient, qui représente un très gros marché pour nous, c’est en train de basculer vers la location. Nos clients nous demandent d’être implantés sur place et d’avoir des capacités de réparation sur place.

Ce ne sont plus les mêmes chaînes de valeur, et le risque n’est pas pensé par les mêmes acteurs. Quand il est porté par Varel, l’intérêt à fournir la performance promise est encore plus fort. Et la mise en œuvre de logiques de réparation peut avoir des impacts sur le design des outils, sur leur structure. Cela peut amener à des calculs économiques différents.

Passons au cœur du sujet, la modélisation. En simplifiant, on peut définir le forage comme la rencontre entre une tête de forage et un milieu géologique. Qu’est-ce qu’on modélise: le milieu, l’outil, ou la rencontre?

Précisons un point avant d’aller plus loin. Les outils de forage se partagent en deux grandes gammes : le Roller Cone, un trépan de forage avec trois roues, des éléments mobiles, qui tournent et écrasent la roche. Deuxième gamme, le PDC (Polycrystallin Diamond Compact), qui ressemble à une mèche de perceuse à cette différence près qu’elle n'est pas fabriquée d’un seul bloc. Des pastilles de diamant sont brasées (c’est-à-dire soudées) sur le corps de l’outil, qui est en acier ou en carbure de tungstène. Le PDC n’écrase pas la roche, il la coupe. Historiquement, le forage s’est fait sur base de Roller Cone, mais le PDC a fait énormément de progrès et aujourd’hui c’est l’outil de référence. Il est extrêmement performant et efficace et, dans la majeure partie des situations, fournit des performances supérieures au Roller Cone.

Je précise cela parce que la partie Roller Cone est relativement standard : elle est produite en série, avec des standards bien identifiés. Ce n’est pas le cas sur le PDC : 90 voire 95% de la production est adaptée au milieu qu’on va rencontrer, au puits et à la section qu’on va forer, ce qui amène une très grande variété de designs. Il faut fabriquer les structures de coupe avec les bons diamants, le bon corps, les bons matériaux, pour obtenir la meilleure performance sur le champ considéré.

Comment déterminez-vous la bonne structure de coupe?

Sur l’ensemble de ces deux gammes, l’étude débute par une analyse de la nature de la roche. On dispose parfois de données patrimoniales : des puits ont été forés dans le passé, et on sait comment cela s’est passé, ce qui donne des indications sur la nature de la roche.

Quand on arrive sur un champ neuf, on fore un puits test à la verticale, à l’intérieur duquel on va descendre des instruments de mesure. On mesure la radioactivité, la densité des roches, leur porosité, leur résistibilité, des effets photoélectriques. On effectue des mesures physiques qu’on va pouvoir analyser. Nous disposons d’un logiciel, GeoScience, qui, à partir de ces mesures, reconstruit la nature de la roche. À chaque pas de profondeur, on calcule les différentes fractions de roche qu’on va rencontrer, en distinguant entre les roches dures, tendres, abrasives, etc.

Cette lithologie reconstruite donne un modèle de dureté. Sur ce profil de dureté, on va pouvoir créer notre structure de coupe.

Cette modélisation demande-t-elle de grande capacité de calcul?

Rien de comparable à ce que mettent en œuvre nos clients quand ils font de la prospection ou des études sismiques, où la modélisation géologique exige des supercalculateurs.

Notre analyse est beaucoup plus locale, puisqu’elle se limite au puits – là où les pétroliers étudient des champs entiers, parfois sur des centaines de kilomètres carrés, avec en plus le besoin de comprendre assez finement comment est structuré le réservoir, comment il se comporte en terme de pression, de porosité, où est-ce qu’il va falloir creuser, les fractures qu’il va falloir éviter, etc.

L’analyse géologique que nous produisons ne mobilise pas de gros moyens de calcul. Mais elle exige des logiciels spécialisés, opérés par des experts qui ont des formations initiales en géophysique ou en géologie. L’expérience qu’ils ont acquise chez Varel leur donne en outre une connaissance « métier » des différents terrains. Ils savent faire la part entre ce que le logiciel propose comme solutions mathématiques et l’expérience vécue sur le terrain. Mais demain il nous faudra des logiciels qui soient en mesure d’exploiter les données patrimoniales, et d’y détecter des corrélations qu’on ne voit pas forcément, de façon beaucoup plus automatisée que ce qu’on fait aujourd’hui. Une forme de big data, qui demandera des moyens plus conséquents que ce qu’on peut mobiliser aujourd’hui.

Parlons des outils logiciels.

Dans ce domaine, il y a deux grandes problématiques. La première concerne la qualité de la donnée : il y a un énorme travail de préparation en amont. Par exemple, nous avons développé il y a quatre ans le logiciel GeoScience, mais auparavant il y en avait un autre, et avant, encore un autre : si l’on remonte suffisamment dans l’historique on a des formats de données très variés, dont certains ne sont pas exploitables parce que ce sont des logiciels propriétaires et on ne sait pas précisément comment la donnée est formatée dans les fichiers. En général il y a un énorme travail de préparation de la donnée pour la rendre utilisable par un processus de type big data, un processus d’analyse systématique.

Le deuxième versant concerne l’intelligence qu’il faut mettre dans ces solutions, la science et les mathématiques à introduire dans les logiciels pour aller chercher les corrélations cachées au fond de ces données.

Une fois modélisée la roche, il vous faut modéliser le forage.

Nous disposons aujourd’hui de deux simulateurs d’outils, tous deux développés en partenariat avec l’Ecole des Mines.

Le premier et le plus ancien, Spot, fonctionne essentiellement à deux dimensions. On est amené à faire des hypothèses et quelques simplifications au niveau de la forme de l’outil. À ce stade, on met l’outil virtuel – la structure de coupe virtuelle – dans le bloc de roches qu’on a reconstruit avec le profil de dureté sur GeoScience, et on fait une simulation pour voir comment l’outil se comporte.

Le deuxième simulateur, plus récent, s’appelle DIG-IT. Il fonctionne en 3D. On prend la structure de coupe, l’outil tel qu’il sort de la CAO, on l’introduit virtuellement dans le bloc de roches, on le fait bouger dans ce bloc et on regarde ce qui se passe.

Quels sont les principaux critères de performance que vous observez dans cette simulation?

Le principal, c’est la vitesse. Mais ce n’est pas tout.

Il y a des aspects d’équilibre de l’outil. Comme je vous le disais au début de cet entretien, la plupart des forages aujourd’hui sont directionnels. Ils sont donc associés à des équipements qui permettent d’assurer cette direction : il y a par exemple à l’intérieur des tiges de forage des systèmes de moteurs : on fait tourner les tiges depuis la surface, mais on fait également tourner l’ensemble avec des systèmes motorisés à l’intérieur des tiges, qui vont orienter l’outil suivant la direction qu’on veut lui donner. Il est donc essentiel que l’outil puisse répondre efficacement à ces demandes de changement de direction. Un outil mal équilibré aurait tendance à partir systématiquement dans la même direction, avec en outre un risque de casse.

L’autre contrainte, notamment sur les marchés de type location, c’est qu’on va chercher à ce que l’outil s’use le moins possible, de façon à pouvoir le réutiliser.

Vous évoquiez le risque de casse.

Le but, sur cette structure de coupe, c’est que le corps de l’outil ne touche pas la roche. C’est la partie diamantée qui interagit avec la roche. Le diamant est un des matériaux les plus durs mais il résiste mal aux chocs. Or sur des terrains hétérogènes, on peut passer brutalement d’une roche tendre à des nodules de roche dure comme le quartz, et cela provoque des phénomènes de choc.

Le diamant, par ailleurs, résiste très mal aux augmentations de température : il peut redevenir graphite, ce qui revient à forer avec de la mine de crayon !

Tout un travail de développement, dans le domaine des matériaux, vise donc obtenir des diamants qui résistent mieux à la température. La simulation vise donc à répondre à plusieurs questions : combien mettre de diamants autour de l’outil de forage, quelles seront ses conditions opératoires, à quelle vitesse sera-t-il opéré, quel poids faudra-t-il mettre, quelle vitesse de rotation faudra-t-il lui imposer ?

La modélisation se fait-elle à partir de calculs théoriques ou de données empiriques?

Les deux. En amont nous avons GeoScience, le profil de dureté, et nous fabriquons une première structure de coupe : un premier modèle, en général basé sur l’expérience. Puis il faut simuler, faire des ajustements, et une fois qu’on estime que la structure de coupe est aboutie, elle part au bureau d’études, qui prend en charge la conception complète de l’outil avec des logiciels de CAO classiques.

La structure de coupe et le corps de l’outil peuvent ensuite être utilisés pour des simulations DIG-IT. On peut aussi être amené à faire des simulations à travers des logiciels qui ne sont pas développés par Varel – je pense notamment à tout ce qui est simulation hydraulique : n’oublions pas qu’à travers l’outil, il y a du fluide qui passe, il faut remonter à la surface tout ce qu’on est en train de couper au fond.

Une fois réalisées toutes ces simulations, quand nous sommes confiants sur la réaction de l’outil par rapport aux paramètres opératoires, il est fabriqué puis envoyé sur le terrain et opéré. Des mesures sont alors réalisées depuis la surface : on regarde ce qui a été appliqué comme poids, comme moment, quelle vitesse de rotation et quelle vitesse d’avancement on a obtenues.

Ces données font l’objet d’une analyse a posteriori. C’est systématiquement le cas quand l’outil n’a pas fourni la performance attendue, mais on peut aussi le faire quand tout se passe bien, pour s’assurer que tout ce qu’on a pu développer en amont, que toutes les hypothèses faites au départ étaient bien valides.

Les données de plus en plus volumineuses dont nous disposons ont de la valeur et nous aident à faire la différence. C’est l’une des raisons pour lesquelles le big data s’impose de plus en plus.

Il ressort de tout ce que nous avons dit que la simulation est un élément clé de votre proposition de valeur. Cela nous amène à votre partenariat avec Mines ParisTech-PSL, avec qui vous avez développé vos outils.

C’est une belle histoire, qui dure depuis deux décennies. Cristal Profor avait un jeune docteur des Mines, et cette petite structure a trouvé assez naturellement au sein de l’École les compétences pointues dont elle avait besoin. Spot, le premier simulateur, a été développé conjointement avec les Mines, grâce à une thèse de Laurent Gerbaud sur la modélisation de la coupe. Le partenariat s’est poursuivi jusqu’au développement du simulateur DIG-IT. Nous avons eu également beaucoup d’interactions sur la partie matériaux.

Un partenariat, ce sont de multiples liens. Sur les dix dernières années, Varel a financé des thèses et embauché les ingénieurs-docteurs. Au cours de leur thèse, ceux-ci ont développé des liens avec des chercheurs de l’École ; ces liens perdurent et cela permet à des projets de se développer au sein de Varel, projets qui vont mobiliser les compétences de l’École.

Aujourd’hui, nous avons toujours deux grands projets en partenariat : DIG-IT, sur lequel un chercheur des Mines apporte une expérience de pointe dans tout ce qui touche à la modélisation 3D, interaction en trois dimensions pour du calcul de volume, de surface, développement du code de calcul… Le code de DIG-IT est d’ailleurs en copropriété entre Varel et les Mines.

Le deuxième projet, DrillPerf, est un logiciel qui fait de la mesure en temps réel. Un certain nombre de rigs de forage sont aujourd’hui équipés de dispositifs qui diffusent de la donnée. On peut ainsi avoir les courbes d’avancement, la valeur de la rotation, du moment, du poids, etc. en temps réel, qu’on soit sur la plateforme ou dans un bureau à des milliers de kilomètres. Cela permet aux grandes compagnies de centraliser les opérations au sein de centres de contrôle, pour pouvoir surveiller différents forages en même temps par des équipes resserrées et très compétentes. Lorsqu’elles nous donnent accès à ces données, nous pouvons émettre des recommandations, soit pour les outils à venir – s’il y a d’autres puits à forer à proximité, on peut donner des recommandations en termes de structure de coupe – soit en terme de paramètres opératoires.

Tôt ou tard, vendre uniquement l’outil ne suffira pas. Il faudra probablement vendre l’outil et le logiciel de simulation, soit sous la forme d’une version simplifiée et adaptée aux utilisateurs, soit sous la forme d’un service d’analyse en temps réel. Le modèle économique est encore incertain mais une partie de notre proposition de valeur, à court-moyen terme, se situera dans la modélisation en temps réel.

 

Julien Carlos
IT R&D manager, Varel Europe