Brevet FR2493927A1 — publié le 19820514

SYSTEME DE CONTROLE D'OPERATIONS DE POMPAGE DANS UNE INSTALLATION DE FORAGE. La présente invention concerne un systeme de contrôle d'opérations de pompage, telles que celles effectuées avec une pompe de cimentation ou une pompe d'injection de boue, dans une installation de forage. On a déjà installé des moyens de détermination du débit d'une telle pompe et des moyens de détermination d'une pression établie par cette pompe ; mais on s'est contenté de suivre l'évolution dans le temps des grandeurs mesurées ou de faire apparaître une courbe de pression en fonction du volume pompé, par des moyens d'information analogiques, et on ne peut pas ainsi exploiter les résultats des mesures effectuées de façon pleinement satisfaisante. Un objet de la présente invention consiste en un systeme de contrôle d'opérations de pompage dans une installation de forage qui comprend une unité de traitement numérique comportant des moyens d'acquisition des informations fournies par les moyens de détermination de débit et de pression et des moyens d'élaboration d'informations numériques de sortie ainsi que des moyens d'affichage de ces informations de sortie et ainsi qu'un moyen de visualisation graphique de celles-ci. Il est ainsi possible d'avoir une vision immédiate et précise des conditions de fonctionnement hydraulique de l'installation de forage et, par suite, d'optimiser la marche de l'installation de forage. Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits moyens d'élaboration d'informations numériques de sortie comprennent un moyen de calcul des logarithmes des informations acquises relativement à la pression et au débit. On peut ainsi représenter le logarithme de la pression en fonction du logarithme du débit sous la forme de droites, dans une plage déterminée de débits, et obtenir une information immé- diate sur les pertes de charge en disposant un moyen de calcul d'une information relative à la pente de ces droites. En outre, un moyen de mémorisation faisant apparaître une droite de consigne sur le moyen de visualisation qui affiche le logarithme de la pression en fonction du logarithme du débit permet d'effectuer des comparaisons et, par exemple, de déceler rapidement une obstruction ou une fuite.La représen tation du logarithme de la pression en fonction du logarithme du débit permet d'établir des rhéogrammes dans les conditions réelles de fonctionnement au lieu de partir des indications données par des viscosimetres placés en surface. Les moyens d'élaboration d'informations numériques du système selon l'invention comportent aussi avantageusement un moyen de cumul des informations relatives au débit, afin de donner une information relative au volume total pompé Selon une autre caractéristique de l'invention, le système de contrôle comporte des moyens de sélection de programme tels que le moyen de visualisation graphique soit en mesure d'afficher, à volonté, une courbe représentant la pression en fonction du volume total pompé ou en fonction du temps ou une courbe représentant le logarithme de la pression en fonction du logarithme du débit, de sorte que l'on puisse effectuer des opérations de contrôle diverses. Le système de contrôle selon l'invention est de préférence facilement déplaçable On prévoit pour cela que l'ensemble de l'unité de traitement numérique et des moyens d'affichage et de visualisation graphique est disposé dans un -coffret portable. Des prises électriques sont alors avantageusement prévues sur ce coffret pour la connexion de câbles de liaison aux moyens de détermination de débit et de pression ou capteurs. Le coffret peut, en outre, être muni d'un couvercle dans lequel se logent, pendant le transport, les câbles de liaison et les capteurs. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront d'exemples de réalisation de l'invention qui vont être donnés à titre non limitatif en se référant au dessin schématique ci-joint, dans lequel - la Figure 1 représente l'ensemble d'une installation de forage munie du systeme selon l'invention ; - la Figure 2 représente un schéma synoptique d'ensemble de l'unité de traitement et des moyens d'affichage et de visualisation - la Figure 3 est une vue en perspective d'un coffret contenant l'ensemble représenté sur la Figure 2 ; - la Figure 4 représente un schéma synoptique d'acquisition de données de mesure ;; - la Figure 5 représente un schéma synoptique de l'interface de la table traçante - la Figure 6 est un diagramme pression/volume débité ou temps relatif à une premiere fonction remplie par le système selon l'invention - les Figures 7, 8 et 9 sont des diagrammes logarithme de pression/logarithme de débit relatifs à diverses fonctions que peut remplir le système selon 1 invention ; et - la Figure 10 est un diagramme pression/volume débité relatif à une autre fonction que peut remplir le système selon l'invention. Sur la Figure 1, on a représenté une installation de forage comprenant une tête de puits 1, une table de rotation 2, une tige carrée d'entraînement 3, une tête d'injection 4, un derrick 5, des bassins de liquide de forage ou de boue 6. Une pompe de forage 7 prélève du liquide de forage contenu dans les bassins 6 et l'envoie par une colonne montante 8 et un tuyau flexible 9 dans la tête d'injection 4. Ce liquide de forage, après être descendu dans le puits (non représenté) par un passage central, avoir passé sur l'outil de forage et être remonté dans l'espace annulaire du puits, revient par une canalisation 10 dans les bassins 6. Un conduit de sécurité, dit "kill line", 11, relié à la tête de puits 1 en dessous d'un obturateur de sécurité, permet une injection de boue pour neutraliser le puits en cas de nécessité.Une unité de cimentation comporte au voisinage de la tête de puits 1, une pompe de cimentation 12 et une canalisation ] 3 de transfert du mortier au puits. Le système objet de l'invention concerne la pompe de forage 7 et/ou la pompe de cimentation 12, que l'on munit d'un capteur de débit tel que le capteur schématiquement figuré en 14 pour la pompe 7 ou le capteur schématiquement représenté en 15 pour la pompe 12. Des capteurs de pression sont disposés sur des canalisations alimentées par ces pompes. En ce qui concerne les canalisations alimentées par les pompes 7 et 12, on a figuré un capteur de pression 16 sur la colonne montante 8, un capteur de pression 17 sur la "kill line" 11, et un capteur de pression 18 sur la canalisation 13. Ces capteurs 14, 15, 16, 17 et 18 peuvent être reliés à un coffret de traitement 19, disposé par exemple sur le plancher de forage par des câbles électriques respectivement 20, 21, 22, 23 et 24, munis à leur autre extrémité de prises de raccordement complémentaires de prises de raccordement 25, 26 prévues sur le coffret 19. Les câbles 21 et 24 ont été représentés reliés au coffret 19, tandis que les câbles 20, 22 et 23 ont été représentés seulement dans leur portion voisine des capteurs correspondants 14, 16 et 17, pour ne pas encombrer le dessin. On a indiqué sur cette figure un ensemble de capteurs 14, 15, 16, 17 et 18 pour montrer diverses données de débit et de pression qui peuvent être successivement prélevées sur l'installation, mais les organes contenus dans le coffret 19 permettent à un instant donné l'affichage simultané d'informations relatives à un débit et à une pression seulement. On peut, par contre, sans accroître pratiquement l'encombrement du coffret 19, prévoir l'entrée simultanée de données relatives aux débits de deux pompes fonctionnant en parallele. Les capteurs de pression et de débit, au lieu d'être des appareils disposés séparément, pourraient être réunis en un même emplacement, les impulsions hydrauliques dues aux divers coups de pompe pouvant être détectées lors de la mesure de la pression en un point d'un circuit hydraulique alimenté par une pompe. Un seul câble de liaison peut alors relier les capteurs de débit et de pression au coffret 19. La Figure 2 représente l'ensemble des éléments contenus dans le coffret 19 dont la Figure 3 montre l'aspect extérieur, le couvercle ayant été enlevé. Les liaisons électriques du coffret 19 avec l'extérieur se font d'une part au moyen des prises 25 et 26 en ce qui concerne les capteurs d'autre part au moyen d'une prise 27 d'alimentation en énergie électrique. Les liaisons électriques internes du coffret 19 ont été représentées par des bus 28,#29, 30. Les éléments constituant ce coffret comprennent : un bloc d'alimentation 31 en énergie électrique à 115 V/220 V, 50/60 HZ, qui peut fournir diverses tensions ; une interface 32 pour la mise en forme des signaux reçus des capteurs ; un clavier 33 ; une horloge en temps réel 34 ; une unité de traitement numérique comprenant un calculateur 35 tel que par exemple un microprocesseur MOTOROLA M 6802, muni d'interfaces ; une mémoire reprogrammable 36 d'une capacité de 4 K mots par exemple, qui charge le programme contenu dans une cassette 37 munie d'une interface 38, cet ensemble pouvant, dans une autre réalisation, être remplacé par des mémoires reprogrammables ; une mémoire vive 39 d'une capacité de 8 K mots par exemple ; une interface 40 permettant une mise au point du programme par télétype ; deux écrans d'affichage 41, 42, l'un pour des valeurs relatives au débit ou au volume débité, l'autre pour des valeurs relatives à la pression, composés chacun de huit afficheurs hexadécimaux ; et une table traçante 43, équipée d'un dé rouleur-enrouleur de papier, reliée par une interface 44. Le coffret ] 9 est, de préférence, en polyester stratifié, et il est étanche au ruissellement. Un capot transparent 45 protège la table traçante située au-dessous de celui-ci. Une poignée, non représentée, permet le transport du coffret. Le couvercle du coffret peut être enlevé de ses gonds par simple translation latérale et il a, de préférence, une hauteur suffisante pour contenir, pendant le transport, au moins un capteur de débit et un capteur de pression avec leurs câbles de liaison distincts ou leur câble de liaison commun. On a représenté sur la Figure 4 un schéma électrique d'acquisition des mesures de débit et de pression. La mesure du débit s'effectue en détectant les coups de pompe au moyen d'un capteur de proximité, non représenté, de type mécanique ou magnétique. Un thyristor inclus dans ce capteur entre en conduction lorsque, par exemple, un index magnétique porté par u#n organe tournant avec la pompe passe devant ce capteur. Le nombre d'alternances positives ainsi obtenues est fonction de la vitesse de rotation. Les impulsions provenant en 46 du capteur sont intégrées par un filtre passe-bas 47 dont la constante de temps est ajustée en fonction du capteur et de la vitesse de rotation de la pompe.Le signal sortant du filtre 47 est échantillonné par une bascule 48 dont le seuil peut être ajusté par un potentiomètre 49, et la sortie 50 de la bascule 48 est reliée à la prise 26 de l'interface 32. La mesure de la pression s'effectue au moyen d'un organe sensible à la pression et modifiant une résistance électrique 51 qui fait partie d'un pont de résistances comprenant, outre la résistance variable 51, des résistances 52, 53, 54. Ce pont est alimenté par l'intermédiaire d'un régulateur de tension 55 dont la tension est ajustée pour chaque capteur par un potentiomètre 56. Un amplificateur différentiel 57 détecte l'écart entre une tension référence donnée par le côté du pont dont les résistances 53, 54 sont fixes et une tension variable donnée par le coté du pont contenant la résistance variable 51. Un potentiomètre 58 permet de compenser, lorsque le capteur est à la pression atmosphérique, le déséquilibre du pont qui peut résulter d'une anomalie telle qu'une zone morte, une déformation ou un vieillissement. Le gain de cet amplificateur 57 peut être ajusté, par exemple de 1 à 50, en fonction du capteur. Un convertisseur d'analogique en numérique 59 transforme le signal analogique fourni par l'amplificateur 57 en un signal numérique 60 qui est envoyé sur la prise 25 d'entrée dans l'interface 32. Le calculateur 35 lit les mesures de pression et de débit par l'intermédiaire de circuits tels que le circuit MCS 6522 de MOS TECHNO LOGE. Les informations de lecture sont rangées dans une file de type FIFO (première information entrée = premiere information sortie) pour être présentées au programme de traitement quand celui-ci le demande. Le calculateur 35 effectue notamment : le calcul des logarithmes des informations acquises relativement à la-pression et au débit, au moyen d'un développement en série ; le cumul des informations relatives au débit pour donner une information relative au volume total pompé ; le calcul de la pente des courbes représentant le logarithme de la pression en fonction du logarithme du débit. Le clavier 33 est, par exemple, un clavier étanche à vingt touches SADAR. Les contacts du clavier sont organisés en matrice. Les informations lues sur les lignes de cette matrice sont introduites dans une file d'attente et signalées au calculateur par l'intermédiaire d'un indicateur d'interruption. Les colonnes sont testées séquentiellement par un décodeur dont les sorties sont générées par un circuit programmable tel que le circuit 8279 d'INTEL. Ce circuit réalise toutes les fonctions de base nécessaires pour le décodage et la validation des touches du clavier. Il effectue la commande par multiplexage des écrans d'affichage 41 et 42 constitués chacun par exemple par deux ensembles de huit afficheurs. Le circuit 8279 contient une mémoire vive à acces aléatoire de seize octets dans laquelle le programmeur écrit les codes qu il désire voir apparaltre sur les afficheurs. Les informations contenues dans les cellules de cette mémoire sont présentées séquentiellement sur un registre de sortie. Les sorties de ce registre, après amplification, permettent l'attaque directe des segments des afficheurs. La validation des afficheurs est réalisée par le décodage des états du compteur du circuit 8279. La Figure 5 donne le synoptique de l'interface 44 de la table traçante. Un circuit 61 réalise l'interface entre le calculateqr 35 et les circuits du traceur. Un circuit 62, constitué par un réseau de portes permet l'adressage d'un des quatre circuits 63, 64, 65, 66 de commande du traceur. Les circuits 63 et 64 sont des convertisseurs de numérique en analogique qui transforment le code du calculateur 35 en une tension compatible avec les entrées du traceur relatives aux axes de coordonnées x et y de celui-ci. Le circuit 65 commande le moteur d'un dérouleur-enrouleur de papier et le relevé ou baissé de la plume traçante. Le circuit 66 permet la lecture des contacts de fin de course du chariot de la plume traçante et de la plume elle-nême pour le calcul des facteurs de correction à appliquer sur les valeurs calculées.Le renouvellement du papier est assuré par deux compteurs dont le premier génère une impulsion rectangulaire d'une fréquence déterminee, par exemple de 200 Hzjet le deuxieme compte le nombre d'impulsions jusqu a une valeur prédéterminée qui correspond au nombre de pas que doit faire le moteur de l'enrouleur-dérouleur pour amener la longueur de papier voulue. La précision de la mesure pour le renouvellement du papier est ainsi de l'ordre de 0,5 mm. Le programme de la table traçante a pour rôle de mettre en oeuvre des processus réalisant le tracé d'une courbe, l'édition de messages et le renouvellement du papier. La communication avec ce programme se fait par l'intermédiaire d'un mot de commande comprenant neuf octets : octet 0 pour le mot d'état de la commande, mot qui désigne l'état de la plume et la fonction à réaliser ; octets 1 et 2 pour l'abscisse X ; octets 3 et 4 pour l'ordonnée Y ; octets 5 et 6 pour l'adresse du message à éditer ; octets 7 et 8 pour la longueur de renouvellement de papier. L'abscisse X et l'ordonnée Y sont modifiées par des paramètres de correction qui ont pour but de cadrer la courbe sur la surface utile du papier, ce qui évite à l'opérateur de régler le zéro et la pleine échelle de la table traçante. Pour supprimer les dérives dues aux variations de température et au vieillissement des composants mécaniques de la table traçante 43, le calculateur 35 établit à des intervalles de temps déterminés, par exemple toutes les heures, un diagnostic sur l'étendue de l'échelle disponible suivant les deux axes de coordonnées X, Y. Le calculateur calcule ainsi le facteur d'échelle et le décalage de l'origine à appliquer à la mesure. Le clavier 33 est le moyen de communication entre l'opérateur et le calculateur. Il permet à l'opérateur - de demander l'exécution ou l'arrêt d'une fonction; - de modifier les paramètres ou coefficients relatifs aux mesures ou aux échelles ; - de visualiser les mesures désirées. Le calculateur n'ayant qu'un périphérique de sortie graphique, toutes les fonctions pour lesquelles il est conçu sont exclusives ; celles-ci sont donc indépendantes les unes des autres et commutables. Le présent système est spécialement conçu pour permettre l'exé- cution des cinq fonctions suivante s - essai de fuite, - mesure de pertes de charge à débits réduits ; - surveillance de la pression par rapport au débit ; - rhéologie ; - suivi d'opérations spéciales Dans l'exécution de chacune de ces fonctions, la table traçante recevra l'édition des axes X, Y, du titre de la fonction, des coefficients sélectionnés et des échelles choisies. Avant d'appeler la fonction désirée, l'opérateur branche le secteur et les capteurs, vérifie la position du zéro sur la table traçante et procède à l'initialisation du système, au chargement du programme d'application et à l'introduction des parametres. La premiere des cinq fonctions-énumérées ci-dessus consiste à réaliser un essai de fuite sur le puits de forage. Le calculateur 35 effectue la somme des informations relatives au débit de la pompe de cimentation 12 par exemple, pour donner une information relative au volume total pompé V, qui est portée en abscisse, ainsi que le temps t, sur la table traçante 43, tandis que la pression P est portée en ordonnée, comme le montre la Figure 6. Une baisse de pression pour un certain volume pompé V1 indique l'apparition d'une fuite, après quoi la pression se maintient à une valeur sensiblement constante. Cet essai permet de vérifier l'étan- chéité des cuvelages, sabots, bouchons. La deuxième fonction consiste à mesurer des pertes de charge à débits réduits, par exemple 1/2 ou 1/3 du débit normal de forage. Le calculateur 35 donne les logarithmes de la pression mesurée, par exemple dans la colonne montante 8, et du débit D mesuré, par exemple en nombre de coups de la pompe de forage 7 par minute, et la table traçante 43 visualise la courbe log P/log D, comme le montre la Figure 7. Cette courbe est sensiblement une droite et un programme en calcule la pente i . Ces mesures peuvent être faites à l'approche de zones dangereuses du puits, une fois par poste de travail ou par jour par exemple. Elles sont utilisées dans le contrôle,dit "contrôle de Kick", de variation des pertes de charge en fonction du débit en cas de venue de gaz. La troisième fonction consiste dans l'analyse simultanée de la pression de refoulement sur la colonne montante 8 et des coups de la pompe de forage 7 par minute, ce qui permet de surveiller les conditions de fonctionnement hydraulique de l'installation de forage. Cette fonction fait également appel à un calcul des logarithmes de la pression et du débit, mais une droite de consigne 63 est tracée sur la table traçante d'après des valeurs mises en mémoire en 39, comme le montre la Figure 8, de sorte que l'on peut immédiatement voir si le point de fonctionnement est sur la droite de consigne. On a tracé sur la Figure 8 en pointillé une droite 64 de fonctionnements possibles correspondant à une puissance constante.Si l'on se trouve au-dessus du point de fonctionnement normal 65 défini par l'intersection des droites 63 et 64, par exemple en 66, il doit y avoir une obstruction sur le circuit hydraulique, telle qu'une duse bouchée, tandis que si l'on se trouve au-dessous de ce point 65, par exemple en 67, une tige de forage est probablement percée. La droite de consigne 63 est enre gistrée à chaque ajout d'une tige de forage ou à chaque changement de caractéristiques de la boue de forage, mais on ne reprend cet enregistrement qu'au moment de la vérification des conditions de fonctionnement. La quatrième fonction consiste à calculer les viscosités apparentes à partir d'un diagramme en logarithmes de la pression sur la colonne montante 8 par exemple et du nombre de coups par minute de la pompe de forage 7 par exemple, tel que celui représenté sur la Figure 9. La rhéologie permet de calculer ou d'optimiser les duses et, éventuellement, de mettre en évidence un écart entre pertes de charges calculées et pertes de charges mesurées et d'en tirer une information sur le comportement du puits en ce qui concerne notamment le nettoyage, le bourrage, le fluage et le cavage. Un rhéogramme ainsi effectué "dans 'le puits" intègre tous les paramètres tels que géométrie du puits, pression, température > etdonne donc des renseignements beaucoup plus sûrs qu'un rhéogramme effectue d'après les conditions de surface avec un viscorimètre de Fann, comme on le fait actuellement. La cinquième fonction permet de maîtriser des opérations spéciales telles que le déplacement d'un fluide ou d'un bouchon, un échantillonnage par circulation inverse après test ou un contrôle de Kick, en fonction du volume pompé et non plus en fonction du temps ou de la profondeur comme on fait actuellement. Le calculateur 35 donne le volume pompé V et la table traçante 43 trace le diagramme de la pression P en fonction du volume pompé V, comme le montre la Figure 10, la pression P étant par exemple mesurée sur la colonne montante 8 ou sur la "kill line" Il et le débit étant par exemple-mesuré sur la pompe de forage 7. Bien entendu, les cinq fonctions que l'on vient d'énumérer et qui illustrent l'intérêt présenté par le système objet de l'invention ne sont pas données à titre limitatif ; ce système est en effet susceptible d'applications variées selon les particularités de chaque installation de forage et la nature des contrôles souhaités par l'opé- rateur, l'avantage essentiel de ce système résidant précisément dans la multiplicité des investigations qu'il permet et dans sa souplesse d'utilisation. REVENDICATIONS 1. - Système de contrôle d'opérations de pompage, telles que celles effectuées avec une pompe de cimentation ou une pompe d'injection de boue, dans une installation de forage, comportant un moyen de détermination du débit d'une telle pompe et un moyen de détermination d'une pression établie par cette pompe, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de traitement numérique (35, 32) comportant des moyens d'acquisition (32) des informations fournies par ces moyens de détermination de débit et de pression (14 > 15, 16 > 17, 18) et des moyens d'élabora- tion (35) d'informations numériques de sortie, ainsi que des moyens d'affichage (41, 42) de ces informations de sortie et qu'un moyen de visualisation graphique de celles-ci (43). 2, - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'acquisition comprennent un moyen de conversion en numérique (59) d'une information analogique relative à la pression et un moyen de mise en forme (48) d'une information relative au débit, donnée en nombre de coups de pompe. 3. - Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'élaboration (35) comprennent un moyen de calcul des logarithmes des informations acquises relativement à la pression et au débit. 4. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'élaboration (35) comprennent un moyen de cumul des informations relatives au débit, donnant une information relative au volume total pompé. 5. - Système selon la revendication 3., caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de sélection de programme (33, 37) tels que le moyen de visualisation graphique (43) est en mesure d'afficher, à volonté, une courbe représentant la pression en fonction du volume total pompé ou du temps ou une courbe représentant le logarithme de la pression en fonction du logarithme du débit. 6. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de calcul (35) d'une information relative à la pente (OC) d'une courbe représentant le logarithme de la-pression en fonction du logarithme du débit. 7. - Système selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de mémorisation (39) permettant de faire apparattre une droite de consigne sur le moyen de visualisation (43) lorsque celui-ci affiche une courbe représentant le logarithme de la pression en fonction du logarithme du débit. 8. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'affichage comprennent deux écrans d'affichage de valeurs relatives, respectivement, au débit et à la pression (41, 42). 9. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de visualisation graphique comprend une table traçante (43). 10. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'initialisation des paramètres des moyens de détermination du débit et de la pression et des coefficients d'échelle, qui est commande par un clavier (33) et qui permet l'affichage de ces paramètres et coefficients (43). 11. - Système selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (35) de détection de saturations suivant l'un ou l'autre de deux axes de la table traçante (43) et des moyens de-modification d'échelle du moyen de visualisation graphique liés à ces moyens de détection. 12. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble de l'unité de traitement numérique et des moyens d'affichage et de visualisation graphique est disposé dans un coffret portable (19).