Brevet FR2037007A1 — publié le 19701231

i 2037007 La présente invention concerne un procédé et un appareillage pour optimiser l'avancement d'un outil de forage entraîné par un moteur fournissant un couple qui est une fonction décroissante de sa vitesse de rotation, c'est-à-dire pour que la vitesse de pénétration de cet outil dans le sol soit la plus 5 grande possible, quelle que soit la puissance fournie, le trépan utilisé et la roche traversée. Les moteurs de fond tels que les turbines utilisées dans le procédé de turboforage et les moteurs électriques série ou compound utilisées dans le procédé dit d'électroforage ont une telle caractéristique couple moteur-1Q vitesse de rotation. Il doit être cependant entendu que l'invention ne se limite pas seulement au cas où le moteur d'entraînement de l'outil est directement accouplé à celui-ci, à l'extrémité inférieure de la conduite de forage, mais concerne également le cas où l'entraînement de l'outil s'effectuerait par rotation de 15 la conduite de forage au moyen d'un moteur de surface exerçant sur l'outil un couple dont là valeur est fonction décroissante de la vitesse de rotation de cet outil. Avec une telle caractéristique couple-vitesse, on constate que si en partant d'une valeur faible de l'effort axial ou poids s'exerçant sur l'outil de 20 forage, on fait croître progressivement ce poids, la vitesse d'avancement commence par croître, puis décroît si le poids sur l'outil continue à augmenter^ jusqu'au calage de l'outil. La valeur optimale du poids appliqué sur l'outil, à laquelle correspond la vitesse d'avancement maximale, varie avec la nature des terrains traversés £.5 par le puits foré. L'objet essentiel de la présente invention est de fournir un procédé et un appareillage permettant par un ajustement pouvant être entièrement automatique du poids s'exerçant sur l'outil de forage, d'obtenir une vitesse d'avancement de l'outil aussi voisine que possible de sa vitesse maximale d'avance-30 ment, dans chacune des couches géologiques traversées par le puits foré. Le procédé selon l'invention, permettant d'atteindre cet objectif, se caractérise en ce que l'on fait osciller autour de sa valeur optimale la valeur de la charge appliquée sur l'outil, par une suite alternée de phases d'augmentation et de phases de diminution de la tension exercée sur la conduite de 35 forage auxquelles correspondent respectivement des périodes de décroissance et des périodes de croissance du rapport représentant le quotient changé • de signe de la variation de la vitesse d'avancement de l'outil par la variation . correspondante de la tension en un point de la conduite de forage, en ce que l'on commande le passage d'une phase d'augmentation à une phase de réduction 40 de la tension au plus tard lorsque la valeur dudit rapport - a atteint 69 13967 2 2037007 en décroissant une valeur-limite négative et en'ce qu'on commande le passage d'une phase de réduction à une phase d'augmentation de ladite tension au plus tard lorsque la.valeur dudit rapport a atteint une valeur-limite positive, lesditcs valeurs-limites étant fixées à l'avance et ajustables. 5 La commande d'inversion du sens de variation de la tension exercée sur la conduite de forage pourra être réalisée avant que la valeur dudit rapport n'atteigne l'une ou l'autre desdites valeurs-limites, lorsque la valeur d'au moins un autre paramètre da fonctionnement de l'appareillage de forage,. tel que la tension T exercée sur la colonne de forage, ou encore la vi-10 tesse de rotation de l'outil, atteindra une limite de sécurité fixée à l'avance. Un appareillage automatique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison des moyens pour faire varier progressivement le poids sur l'outil, des moyens d'inversion du 15 sens de variation de ce poids, des moyens pour mesurer la valeur algébrique du-rapport - égal au quotient changé de signe de la variation de la vitesse d'avancement de l'outil à la variation correspondante de la tension s'exerçant sur la conduite de forage en un point de celle-ci, des moyens d'affichage d'une valeur-limite positive et d'une valeur-limite négative dudit 20 rapport, et de comparaison de la valeur de ce rapport avec lesdites valeurs-limites, "lesdits moyens de comparaison étant connectés auxdits moyens de mesure dudit rapport et auxdits moyens d'inversion du sens de variation du poids sur l'outil en étant adaptés à déclencher une diminution de ce poids au plus tard lorsque la valeur dudit rapport a atteint ladite valeur-limite-25 négative et une'augmentation de ce poids lorsque la valeur de ce rapport a atteint ladite valeur-limite positive. L'appareillage pourra comporter des moyens de comparaison de la valeur d'au moins un autre paramètre du forage tel que tension de'la conduite de forage et vitesse de rotation de l'outil avec une limite de sécurité fixée à 30 l'avance, ces moyens étant également connectés auxdits moyens d'inversion du. sens de variation du poids sur l'outil, de manière à les actionner lorsque la valeur dudit paramètre atteint ladite limite de sécurité. - Un mode de réalisation de l'invention est décrit ci-après en se référant aux dessins annexés où : 35 - la figure 1 illustre,dans le cas du forage avec moteur de .fond, la loi de variation de la vitesse du trépan en fonction du poids s'exerçant sur celui-ci, - les figures 2 et 2A représentent schématiquement deux exemples d'appareillages selon l'invention, 40 - la figure 3 montre en regard l'une de l'autre une courbe de variation de la 6.9-13967 3 2037007 vitesse d'avancement du trépan en fonction du temps et la variation correspondante de la pression du fluide de forage mesurée en surface. - la figure 4 montre la loi de variation du rapport Aya en "fonction du temps, /X ■£ lorsqu'on applique le procédé selon l'invention, .5 - la figure 5 montre la Loi correspondante de variation de la vitesse de défilement de la conduite de forage eû surface. - les figures 6 et 7 représentent respectivement les variations correspondantes de la vitesse d'avancement de l'outil et du poids exercé sur celui-ci. Sur. la figure 1 où la courbe 1 et la courbe 2 représentent, pour deux 10 couches de terrain, respectivement, la variation de la vitesse d'avancement de l'outil en fonction de l'effort axial W ou poids s'exerçant sur celui-ci, les points Mj et M2 représentent les points de fonctionnement respectifs pour ces deux couches de terrain dont l'abscisse correspond au poids W£ appliqué à l'outil et l'ordonnée la vitesse d'avancement correspondante dans la couche 15 de terrain considérée. On voit que si.l'on augmente le poids Wf à partir du point de fonctionnement Mj ou M2, ce point de fonctionnement se déplaçant vers la droite de la fi gure, sur l'une ou L'autre des deux courbes, la vitesse Va d'avancement de l'outil augmente et passé par un maximum au point Sj (ou S2), la portion de la 20 courbe décrite par le point de fonctionnement correspondant à des régimes de fonctionnement stable. Si l'on dépasse le sommet de la courbe de fonctionnement, on entre dans une zone de régimes de fonctionnement instable et la vitesse d'avancement décroît lorsque le poids sur l'outil augmente jusqu'au calage du moteur de fond. 25 Comme le montre la figure 3, la vitesse d'avancement de l'outil subit des fluctuations autour d'une courbe moyenne 3 de variation en fonction du temps, ces fluctuations ayant une fréquence liée à la pulsation des pompes de circulation de la boue de forage et qu'il n'est pas possible de filtrer sans introduire une constante de temps incompatible avec le temps de réponse exigé d'un 30 dispositif automatique d'optimisation de la vitesse d'avancement du forage, qui doit éviter toute possibilité de calage de l'outil. Il es,t "possible d'éliminer cet inconvénient en considérant la valeur moyenne de la vitesse d'avancement de l'outil dans un intervalle de temps égal à la durée de la pulsation des pompes de boues. 35 Lés. instants t , et t délimitant de tels intervalles, pourront être choi n-1 n sis comme ét-ant" les instants-de passage à zéro délimitant une période (fig.3) de la composante alternative de la pression Ps du fluide de forage, mesurée en surface, cette pression oscillant élle aussi autour d'une valeur moyenne repré sentée par la droite 4, à la même fréquence que la vitesse d'avancement mais 40 avec un déphasage 0, correspondant au déphasage qui existe entre la pression 4 69 13967 2037007 du fluide de forage en surface et sur le front de taille. La vitesse moyenne d'avancement sur le front de taille entre les instants t , et t est donnée par la formule : n-1 n o) (Vtn + rT t i a tn-i d tn_! t [Tn - T j tn n n_i 5 où (Vd) est la valeur moyenne de la vitesse de défilement de la conduite tn-l mesurée en surface entre les deux instants considérés,e>C le coefficient d'allongement de la conduite, ^ et Tr les tensions s'exerçant sur la conduite à l'Instant t et à l'instant t respectivement. n-1 n Les figures 2 et 2A illustrent schématiquement deux appareillages possi-10 bles pour la mise en oeuvre de l'invention : la figure 2 correspond à l'utilisation d'une conduite de forage souple déroulée à partir d'un tambour de stockage et la figure 2A à l'emploi d'une conduite de forage formée d'éléments rigides. Sur ces figures, la référence 5 désigne l'outil de forage suspendu à la conduite de forage 7 et entraîné par le moteur de fond 6 qui est, par 15 exemple, une turbine de forage alimentée en énergié hydraulique depuis la surface, la référence 8 désignant le puits foré. La conduite est descendue dans le puits par un dispositif de manoeuvre 9 pouvant par exemple être constitué d'une ou plusieurs chaînes sans fin porteuses de mâchoires ou de patins de serrage dans le cas de la figure 2 et d'un 20 treuil 33 sur lequel est enroulé un câble 34 supportant un moufle 32 dans le Cas d'utilisation de tiges rigides pour constituer la conduite 7 (fig. 2A); Ce dispositif de manoeuvre est entraîné par un moteur 10, avec interposition d'un dispositif d'accouplement irréversible 11 dont on peut à volonté commander l'embrayage ou le débrayage au moyen dç signaux électriques transmis par le 25 câble de commande 12. Un calculateur numérique en temps réel 13 reçoit la mesure de la tension T de la conduite pouvant être fournie dans le cas du mode de réalisation de la figure 2, par l'intermédiaire de conducteurs électriques 14, par un dispositif 15 comportant au moins une jauge de contrainte placée à l'extrémité inférieure 30 de la conduite de forage 7 ou en 35 sur le brin mort du moufle 31 en surfacej dans le mode de réalisation illustré par la figure 2A. Un dispositif 16 mesure la longueur L de conduite de forage soutenue depuis la surface par le dispositif 9. Ce dispositif pourra comporter par exemple une roulette au contact de la 35 conduite 7 et entraînée en rotation par le défilement de celle-ci, cette roulette entraînant à son tour en rotation l'émetteur d'un synchromécanisme d'un type bien connu oos spécial-istes sous le nom de Selsyn dont le récepteur 17 auquel il est relié électriquement par le câble 18 entraîne un dispositif de comptage de tours fournissant par une série d'impulsions électriques une mesure 69 13967 2037007 numérique de la longueur L, transmise au calculateur 13 par le câble 19. La vitesse Vd de défilement eti surface de la conduite de forage pourra être mesurée par des dispositifs 20 et 21, respectivement analogues aux dispositifs 16 et 17, la valeur numérique de cette vitesse étant transmise au 5 calculateur 13 par le câble 22. Pour cette mesure de Vd, il semble préférable d'utiliser des dispositifs distincts de ceux utilisés pour la mesure de L, afin de déterminer avec une précision suffisante la vitesse de défilement de la conduite. On affiche en 23 dans le calculateur la valeur du coefficient ^ d'élasti-10 cité de la conduite 7 et l'on introduit également dans ce calculateur, par le conducteur 24, un signal représentant la valeur numérique de la composante alternative de la pression Ps de la boue de forage en surface, la mesure de cette pression étant effectuée par tout capteur de pression approprié non représenté placé sur le circuit de boue et fournissant un signal de mesure qui 15 est filtré par le dispositif 25 ne laissant subsister que la composante alternative du signal qui est appliquée au calculateur. On utilisera de préférence, comme valeur numérique de ° Le calculateur numérique 13 est adapté à déterminer la valeur du rapport (2; _ Ava 25 AT (ïCl" Mil* ' (î)tn^2 '(Kn-r tn-l désignant respectivement les valeurs moyennes de la vitesse d'avancement de 30 l'outil et de la tension s'exerçant sur la conduite de forage, respectivement déterminés par le calculateur 13 entre les instants t _ et t .et entre les r n-2 n-1 instants t , et t ci-dessus définis et indiqués au calculateur en 24 comme n-1 n on l'a expliqué. Le calculateur 13 détermine les valeurs (Va)^n î; et (Va)^n . en utilisant tiî**Z tn-L 35 la formule (1) ci-dessus. Dans l'exemple considéré, ces valeurs sont successivement affichées par le calculateur sur le dispositif 27 auquel il est connecté par le câble 28. Le rapport - AVa est égal au rapport AVa si le débit de boue Q est constant AT ÂW et correspond donc sensiblement sur la courbe de fonctionnement 1 ou 2 de la 40 figure 1 à la pente de la tangente au point de fonctionnement ou M^, cette 69 13967 6 2037007 pente étant nulle lorsque la vitesse d'avancement a sa valeur maximale pour la couche de terrain considérée. On fournit au calculateur 13 par affichage en 29 et 30 respectivement ÀVa AVa une valeur-limite négative (- rr-) et une valeur-limite positive (- Tzr~) du AVa 01 Al 5 rapport - calculé, ces deux valeurs correspondant respectivement à une valeur-limite positive^ et à une valeur-limite négative (Fig. 1) pour l'angle d'inclinaison sur l'axe ,aes abscisses de la tangente à la' courbe de fonctionnement (1 ou 2) au point de fonctionnement. Le fonctionnement de l'appareillage est le suivant : le dispositif 9 10 entraîne la conduite 7 vers le bas avec une vitesse de défilement supérieure à la vitesse d'avancement maximale (Va max) de l'outil 5 (Fig. 5), et par exemple égale au double de cette vitesse, ce qui a pour effet d'augmenter le poids W sur celui-ci et de faire décrire au point de fonctionnement Mi (ou M2) la courbe de fonctionnement 1 (ou 2) vers la droite de la figure A, La 15 vitesse d'avancement Va augmente d'abord avec le poids W sur l'outil (fig.6 et 7), passe par un maximum puis redécroît, tandis que décroît. Le calculateur 13 compare la valeur du rapport-^^ calculée à chacune des valeurs-limites indiquées : lorsque cette valeur devient à l'instant t * __ o (Fig. 4) inférieure à la valeur-limite négative (- > Ie calculateur 13 20 délivre une impulsion de commande du débrayage du dispositif 11 et, le dispositif 9 n'étant plus entraîné, le défilement de la conduite est arrêté (Fig. 5), ce qui relâche la charge s'exerçant sur l'outil (Fig. 7), l'outil se dégageant lui-même. Le point de fonctionnement Mj (ou M2) décrit cette fois vers la gauche 25 la courbe de fonctionnement (Fig. 1) et la vitesse d'avancement recommence à croître, passe à nouveau par le maximum, puis décroît à nouveau, tandis que - augmente (Fig. 4) . Lorsqu'à l'instant tj la valeur du rapport— calculée devient supérieure à la valeur-limite positive (- calculateur 13 commande par 30 le conducteur 12 l'embrayage du dispositif 11, ce qui provoque la reprise du défilement de la conduite (Fig. 5} et à nouveau un accroissement du poids sur l'outil. Le cycle précédent peut alors se reproduire indéfiniment. On voit qu'il en résulte une oscillation permanente autour de sa valeur optimale du poids appliqué sur l'outil, cette oscillation se traduisant 35 par le maintien de la vitesse moyenne d'avancement à une valeur très peu inférieure à la valeur maximale, la différence étant fixée par les valeurs (- et (" P?uvent être choisies à volonté et aussi rapprochées que le permettent le processus de forage et l'appareillage de commande. La commande rapide de variation du poids sur l'outil obtenue par com-40 mande drun embrayage ou d'un débrayage, permet d'éviter les risques de calage 69 i3967 2037007 lorsqu'après avoir dépassé le maximum de la courbe de fonctionnement (Fig. 1), le point de fonctionnement pénètre dans la zone de fonctionnement instable. Le mode de sélection ci-dessus indiqué des instants t ... t , t .... etc... ^ n-1 n n+1 pour délimiter les intervalles de temps pour lesquels on détermine la vitesse 5 moyenne d'avancement du forage, permet d'obtenir sur la vitesse d'avancement la précision nécessaire à un fonctionnement correct de l'appareillage sans risques d'intempestives commandes de l'embrayage et du débrayage du dispositif 10 qui pourraient résulter de fluctuations de la vitesse d'avancement Va à poids constant sur l'outil (Fig. 3), si l'on introduisait dans le calculateur 13 la va-10 leur instantanée de cette vitesse. Pour que les intervalles de temps pendant lesquels le dispositif 10 est débrayé soient sensiblement de même durée que ceux pendant lesquels il est embrayé (de façon que le calculateur puisse intervenir avec le maximum d'efficacité en cas de changement du terrain), il est avantageux que la vitesse Vd de 15 défilement en surface soit environ le double de la vitesse Va d'avancement au fond. Ceci peut être réalisé par un asservissement de la vitesse d'entraînement du dispositif 9 à la valeur maximale lue en 27 (fig. 2). Cet asservissement qui peut être réalisé par le calculateur 13 n'a pas besoin d'être très précis et tolère une constante de temps relativement élevée due à l'inertie du moteur 10 20 (Fig. 2) . L'appareillage selon l'invention s'adapte automatiquement aux changements de nature des roches forées. De tels changements se traduisent en effet par un simple changement de courbe de fonctionnement (Fig. 1), le point passant en M2. 25 Le seuil négatif (- ^T~) étant atteint plus tard que si le point de fonc tionnement était resté sur la courbe 1, il en résulte que le poids sur l'outil va augmenter davantage, que la vitesse d'avancement Va va atteindre une valeur plus élevée et par suite la vitesse de défilement Vd qui est asservie à la valeur 2 Vamax augmentera, ce qui réalisera l'adaptation à la nouvelle couche de 30 terrain traversée par le trépan. L'ajustement de la vitesse Vd de défilement de la conduite pourrait également être effectué manuellement en fonction des indications de 27 (fig. 2). Il sera bien entendu possible, sans sortir du cadre de l'invention, d'imposer à l'appareillage par l'intermédiaire du calculateur, des consignes plus 35 complexes pour la commande de llembrayage et du débrayage, en vue d'obtenir une grande sécurité de fonctionnement. Par exemple, la commande du débrayage qui ci dessus a été supposée être déclenchée uniquement par le dépassement d'un seuil négatif de la valeur calcu- Ûva lée - 7r=r~ pourra également etre déclenchée au moyen d un dispositif logique Ava 40 tel que des circuits électriques du type "porte OU", non seulement si - 69 13967 8 2037007 franchit un seuil négatif choisi à l'avance, mais encore si le poids W sur l'outil atteint un maximum fixé à l'avance ou si la vitesse de la turbine descend en-dessous d'un seuil fixé à l'avance, etc... De même, la commande de l'embrayage, en vue. d1 augmenter le poids sur l'outil pourra être commandée non seulement si -franchit un seuil positif fixé à l'avance, mais aussi si le poids W sur. l'outil est réduit dans une proportion fixée à l'avance ou si la vitesse de rotation de la turbine dépasse une vitesse fixée à l'avance, etc... Dans ces conditions, le déclenchement du débrayage ou de l'embrayage est effectué au plus tard lorsque le rapport - atteint l'un ou l'autre des seuils (ou valeurs-limites) négatif ou positif qui lui ont été fixés, ce déclenchement p»ouvant s'effectuer plus tôt si au moins un des autres paramètres du forage tels que le poids sur l'outil ou la vitesse de la turbine dépasse une valeur de sécurité fixée. 69 13967 2037007 REVENDICATIONS 1. Procédé pour rendre optimal l'avancement'd'un outil de forage entraîné par un moteur dont le couple est une fonction décroissante de sa vitesse de rotation, caractérisé en ce que l'on fait osciller autour de sa valeur optimale la valeur de la charge appliquée sur l'outil par une suite alternée de phases 5 d'augmentation et de phases de diminution de la tension exercée sur la conduite de forage, auxquelles correspondent respectivement des périodes de décroissance et des périodes de croissance du rapport - représentant le quotient changé de signe de la variation de la vitesse d'avancement de l'outil par la variation correspondante de la tension en un point de la conduite de forage, 10 en ce que l'on commande le passage d'une phase d'augmentation à une phase de réduction de la tension àu plus tard lorsque la valeur dudit rapport -a atteint en décroissant une valeur limite négative et en ce qu'on commande le passage d'une phase de réduction à une phase d'augmentation de ladite tension au plus tard lorsque la valeur dudit rapport a atteint une valeur-limite posi 15 tive, lesdites valeurs-limites étant fixées à l'avance et ajustables. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit rapport - est déterminé à partir de valeurs moyennes de la vitesse d'avancement Va et de la tension T dans des intervalles de temps de durée égale à la période de pulsation des pompes de circulation du fluide de forage. 20 3. Appareillage automatique pour rendre optimal l'avancement d'un outil de forage entraîné par un moteur dont le couple est une fonction décroissante de sa vitesse de rotation, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison des moyens pour faire varier progressivement le poids sur l'outil, des moyens d'inversion du sens de variation de ce poids, des moyens pour mesurer La valeur 25 algébrique du rapport - égal au quotient changé de signe de la variation de la vitesse d'avancement de l'outil à la variation correspondante de la tension s'exerçant sur la conduite de forage en un point de celle-ci, des moyens d'affichage d'une valeur-limite positive et d'une valeur-limite négative dudit rapport, et de comparaison de la valeur de ce rapport avec lesdites valeurs-30 limites, lesdits moyens de comparaison étant connectés auxdits moyens de mesure dudit rapport et auxdits moyens d'inversion du sens de variation du poids sur l'outil en étant adaptés à déclencher une diminution de ce poids au plus tard lorsque la valeur dudit rapport a atteint ladite valeur-limite négative et une augmentation de ce poids lorsque la valeur de ce rapport a atteint 35 ladite valeur-limite positive. 69 13967 10 2037007 4. Appareillage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de comparaison de la valeur d'au moins un autre paramètre du forage avec une limite de sécurité fixée à l'avance, ses moyens étant également connectés auxdits moyens d'inversion du sens de variation du poids sur l'outil, de manière à les actionner lorsque la valeur dudit paramètre atteint ladite limite.