Brevet FR2562147A1 — publié le 19851004

La présente invention concerne de façon générale un procédé d'optimisation de la vitesse de manoeuvre d'un train de tiges de forage. L'invention est particu- lièrement utile pour rendre mexima] le rendement de J]'opéra- tion de forage, avec maintien de la pression hydraulique dans le fluide de forage placé dans le sondage dans une plage convenable. Plus précisément, l'invention permet de rendre maximale la vitesse d'introduction d'un train de tiges dans un sondage et d'extraction du train de ce sondage, sans production de surpression ou de dépression en dehors d'une plage voulue de sécurité. Les opérations de forage rotatif "rotary" mettent en oeuvre un trépan destiné à découper les formations terrestres et à former un sondage. Le trépan est fixé à l'extrémité d'un train de tiges qui comprend plusieurs tiges raccordées, ayant chacune une longueur d'environ 9 m. D'autres tiges sont ajoutées au train au cours de la progression du forage. Pendant une opération de forage, le train de tiges doit souvent être retiré afin que le trépan puisse être changé. Le retrait du train de tiges peut aussi être nécessaire pour d'autres raisons, par exemple pour l'exécution d'opérations de diagraphie. Lorsque le trépan a été changé ou lorsque les opérations de diagraphie ont été terminées, le train de tiges doit être reconstruit et replacé dans le sondage. L'opération d'extraction du train de tiges et de remise en place, appelée "manoeuvre" est bien connue dans l'industrie. Cette manoeuvre est un mal toléré mais nécessaire qui doit être réalisée en un temps aussi court que possible; la progression de l'opération de forage est nulle pendant la procédure de manoeuvre, si bien que du temps précieux de la plate- forme de forage est perdu. Bien que les tiges puissent être ajoutées ou retirées individuellement, on ajoute ou retire en général des tronçons formés de deux ou trois tiges raccordées, pendant les opérations de manoeuvre, afin d'économiser du temps et d'accroître le rendement de la plate-forme. Ces tronçons sont appelés respectivement "doubles" et "triples" et sont souvent appelés collectivement "longueurs de tiges". De telles longueurs de tiges raccordées sont normalement conservées verticalement dans des râteliers ou supports placés sur la plate-forme de forage ou à proximité de celle-ci. Dans un exemple d'opération de manoeuvre, une longueur de tiges sous forme d'un double ou d'un triple, est retirée du sondage ou introduite dans celui-ci par l'intermédiaire de la table rotative de la plate-forme de forage, à l'aide d'un moufle mobile verticalement dans la tour de sondage de l'installation de forage. La longueur de tiges est déconnectée ou connectée juste au-dessus du plancher de l'installation de forage alors que le train de tiges restant dans le sondage est fermement serré par des coins de retenue de la table rotative. Ce fonctionnement se poursuit successivement jusqu'à ce que la totalité du train de tiges ait été retirée du sondage ou jusqu'à ce que le train ait été introduit dans le sondage et que le trépan ait été mis au contact du fond du sondage. L'opération d'extraction ou d'introduc- tion du train de tiges comprend donc plusieurs extrac- tions ou introductions élémentaires dans chacune desquelles le train de tiges est accéléré de l'arrêt à une vitesse de traction ou d'introduction puis décélère jusqu'à une autre position fixe, en général à des intervalles compris entre 18 et 27 m. La vitesse d'extraction ou d'introduction est en général constante sur toute la longueur de chacun de ces intervalles progressifs. Un fluide de forage, habituellement appelé "boue", circule constamment dans le train de tiges et remonte par l'anneau formé par le train de tiges et le sondage afin que la pression maintenue dans le sondage soit suffisante pour qu'elle empêche l'introduction des fluidesde la forma- tion dans le sondage et empêche ainsi une "éruption" du puits. Il est souhaitable que la pression hydrostatique 256214? de la colonne statique de fluide de forage qui se trouve dans le puits soit maintenue en équilibre avec la pression de la formation au fond du forage. Cependant, lorsqu'un train de tiges est retiré d'un sondage ou introduit dans celui-ci, divers effets hydrauliques créent des différences de pression du fluide de forage, influant sur la pression hydrostatique du sondage. Les "surpressions" correspondent à une augmenta- tion de la pression hydraulique totale dans le sondage, à une valeur supérieure à la pression hydrostatique normale de la colonne statique du fluide de forage dans le puits. Cette condition se présente souvent lorsque le train- de tiges est introduit dans le sondage à une vitesse excessive. Une surpression excessive peut détériorer la formation environnante en provoquant même parfois des fractures indésirables de celle-ci. Ces fractures peuvent provoquer une perte de fluide de forage, un coincement du train de tiges ou d'autres effets indési- rables. Un autre effet hydraulique, la dépression ou "pistonnage" peut aussi être créé. Ce pistonnage est une réduction de la pression hydraulique totale dans le sondage, a une valeur inférieure à la pression normale hydrostatique de la colonne statique de fluide dans le puits. Cette condition se présente souvent lorsque le train de tiges est retiré du sondage à une vitesse exces- sive. Cette réduction excessive de la pression hydraulique peut provoquer l'entrée de fluides de la formation dans le sondage, connu sous le nom de "'cahot". Une réduction supplémentaire de la pression hydraulique peut provoquer des secousses incontrôlées ou une éruption. En outre, dans les formations molles, un pistonnage excessif peut provoquer un affaissement des parois du sondage. Il est donc nécessaire de réduire au minimum les surpressions et les dépressions créées lors de l'extrac- tion du train de tiges ou de son introduction, pendant l'opération de manoeuvre. Cependant, comme cette opération de manoeuvre n'est pas productrice, il est aussi souhai- table d'augmenter au maximum la vitesse à laquelle ces opérations sont exécutées afin que le temps d'arrêt de l'installation de forage soit minimal et que son rendement soit maximal. Habituellement, une liste ou un programme de manoeuvre indiquant les vitesses optimales suggérées de manoeuvre par longueur de tiges est à la disposition du foreur. Celui-ci essaie donc d'extraire les longueurs du train de tiges ou de les introduire à la vitesse uni- forme suggérée en notant le temps total nécessaire au déplacement de chaque longueur de tiges. Cependant, ces vitesses suggérées de manoeuvre ne correspondent pas aux vitesses maximales par longueur afin que le temps total de manoeuvre soit minimal, avec cependant conserva- tion de la pression du fluide de forage entre des limites acceptables. Les vitesses maximales et précises de ma- noeuvre sont en réalité affectées par de nombreux facteurs. La vitesse maximale de sécurité peut être affectée par la quantité de tiges qui se déplacent dans un sondage, par la longueur de dépassement du train de tiges et par les caractéristiques et pressions des formations dans lesquelles le sondage a progressé. On a déjà essayé de résoudre ce problème par simple établissement de vitesses maximales de manoeuvre qui ne doivent pas être dépassées, et par contrôle de la vitesse réelle de manoeuvre afin qu'un signal d'alarme soit transmis lorsque la vitesse maximale établie est dépassée, comme décrit par exemple dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 3 866 468 et 3 942 594 qui concer- nent un système de mesure de vitesse et d'avertissement. On a aussi essayé de résoudre ce problème par détermina- tion du volume, et en conséquence du poids ou de la masse, de fluide de forage nécessaire, au remplissage du sondage lorsque le train de tiges est extrait ou du fluide déplacé hors du sondage lorsque le train de tiges est introduit, par exemple comme décrit dans les brevets des Etats- Unis d'Amérique n 3 646 808 et 3 729 986 qui concernent un sys- tème de comparaison. Cependant, ces efforts n'ont pas donné la solution au problème posé depuis longtemps mais toujoursnon résolu de l'optimisation de la vitesse de manoeuvre d'un train de tiges par augmentation à la valeur maximale de la vitesse de manoeuvre avec conservation de la pression hydraulique du fluide de forage dans une plage acceptable. L'invention concerne un nouveau procédé d'optimi- sation de la vitesse de manoeuvre d'un train de tiges. Ce procédé est particulièrement utile pour l'augmentation au maximum de la vitesse de manoeuvre du train de tiges avec maintien de la pression hyraulique du fluide de forage dans le sondage dans une plage acceptable. Ce procédé permet l'augmentation de la vitesse de manoeuvre à une valeur maximale, alors que la pression hydraulique du fluide de forage dans le sondage est contrôlée afin que la pression dans le puits reste dans une plage accep- table. Seion le procédé de l'invention, la pression du fluide à proximité du trépan est déterminée à plusieurs emplacements dans le sondage, pendant l'opération de manoeuvre. En outre, la vitesse du train de tiges, dans plusieurs intervalles correspondants dans le sondage, est déterminée pendant l'opération de manoeuvre. Une plage de pressions acceptables du fluide, ayant une valeur minimale et une valeur maximale acceptables, est établie pour chacun de ces emplacements dans le sondage. La pression réelle et déterminée du fluide, à chacun de ces emplacements, est comparée à la plage correspondante des pressions acceptables. Pendant les opérations suivantes de manoeuvre, la vitesse de manoeuvre, dans chaque inter- valle, est réglée afin qu'elle soit maximale, avec maintien cependant de la pression déterminée dans la plage des pressions acceptables. Ce procédé peut mettre en oeuvre la détermination et la comparaison des surpressions, des dépressions ou de ces deux variations de pressions. Ce procédé permet l'utilisation des déterminations de pressions effectuées pendant l'extraction du train de tiges du sondage, pendant son introduction dans le sondage ou pendant ces deux opérations, au cours de la manoeuvre. Ce procédé permet l'utilisation de déterminations de pressions effectuées pendant le déplacement de chaque longueur de tiges ou de déterminations effectuées pendant un nombre plus restreint de ces raccordements. En outre, les hommes du métier peuvent noter qu'un tel procédé, lorsqu'il est commandé par un ordinateur, permet un contrôle constant de la pression pendant le déplacement du train de tiges et pendant qu'il est fixe, afin que le réglage soit continu. L'invention concerne un procédé d'optimisation ou d'augmentation au maximum de la vitesse de manoeuvre d'un train de tiges avec maintien de la pression hydraulique du fluide de forage dans le sondage dans une plage accep- table afin que le rendement de l'opération de forage soit maximal. Plus précisément, l'invention concerne un procédé d'optimisation de la vitesse d'un train de tiges pendant son opération de manoeuvre. L'invention concerne plus précisément l'augmentation au maximum des vitesses diffé- rentielles atteintes par le train de tiges dans plusieurs intervalles pendant lesquels elles subissent une accéléra- tion séparée au cours de la manoeuvre, avec maintien de la pression hydraulique du fluide de forage à proximité du trépan dans une plage acceptable de valeurs. Cette plage pour la pression hydraulique est établie afin que les surpressions ne puissent -pas être excessivement élevées et que les dépressions ne puissent pas, être trop dangereuses. Comme décrit précédemment, les surpressions excessivement élevées peuvent poser divers problèmes, notamment la fracturation indésirable de la formation et des pertes du fluide de forage. En outre, des dépressions excessi- vement faibles peuvent poser divers autres problèmes, notamment l'affaissement du sondage, la pénétration du fluide de la formation et la création finale de conditions d'éruption. Le procédé selon l'invention débute par la déter- mination de la pression hydraulique du fluide de forage près du trépan à plusieurs emplacement dans le sondage. Ces déterminations peuvent être effectuées pendant la manoeuvre, pendant le forage ou pendant que des longueurs de tiges sont connectées au train de tiges ou déconnectées de celui-ci. Ces déterminations sont effectuées à l'aide de tout dispositif classique de mesure de pression utile dans les conditions de mesure en cours de forage. Ces déterminations peuvent être une mesure directe ou indirecte de la pression. Une seule mesure ou plusieurs mesures peuvent être effectuées à chaque emplacement. Il est préférable d'effectuer une seule mesure à chaque emplacement ou pendant chaque intervalle. Cependant, dans une variante, plusieurs mesures, cinq par exemple, peuvent être effectuées dans chaque intervalle et à des vitesses différentes afin que les données soient en plus grand nombre et permet- tent une optimisation plus précise et meilleure. En fait, il est aussi possible que plusieurs déterminations soient effectuées dans un intervalle quelconque, les données pouvant être traitées sur place, seules les pressions minimale et maximale étant enregistrées ou transmises pour pouvoir être comparées. Ces déterminations peuvent être effectuées dans tout intervalle voulu lorsque le train de tiges est retiré du sondage ou introduit dans celui-ci. En fait, à l'aide d'un appareillage convenable de mesure et d'une commande par ordinateur, ces détermina- tions peuvent être réalisées de façon continue le cas échéant. Elles peuvent être réalisées soit pendant l'extrac- tion soit pendant l'introduction du train de tiges soit pendant ces deux phases de l'opération de manoeuvre. En outre, ces déterminatiors peuvent être effectuées à chaque opération de manoeuvre, afin que la correction et les vitesses de manoeuvre soient rendues maximales de la manière la plus efficace, ou elles peuvent être faites pendant certaines opérations de manoeuvre seulement, à la demande de l'opérateur. Les pressions mesurées du fluide ou d'autres résultats peuvent être transmis à la surface pour être enregistrés par un opérateur ou une mémoire d'un ordinateur ou tout autre dispositif de traitement de données. Dans une Variante, les pressions ou autres données mesurées pendant chaque opération de manoeuvre peuvent être conservées dans une mémoire conve- nable placée au niveau du dispositif détecteur de pression qui se trouve dans le train de tiges ou à proximité de ce dispositif, et les données peuvent être restituées pour être analysées et comparées lorsque le raccord conte- nant le dispositif de stockage est ramené à la surface. Le procédé selon l'invention comprend en outre la détermination de la vitesse du train de tiges à plusieurs intervalles correspondant à des intervalles de détermina- tion de pression dans le sondage au cours de l'opération de manoeuvre. Les vitesses de manoeuvre sont déterminées de la manière la plus commode à la surface à laquelle le déplacement du train de tiges peut être facilement observé et les données peuvent être facilement enregistrées ou mémorisées pour une analyse. Un dispositif de mesure de la vitesse de manoeuvre dans ces intervalles est bien connu dans la technique. Tout dispositif convenable, par exemple du type décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique n 3 866 468 et 3 942 594 peut être utilisé pour la détermination des vitesses instantanées et moyennes de manoeuvre pendant les intervalles mesurés. Le procédé comporte en outre la détermination et l'établissement de pressions maximale et minimale acceptables du fluide hydraulique pour chacun des inter- valles dans le sondage. Ces pressions de fluide déterminent une plage de pressions acceptables du fluide hydraulique. Il est souhaitable que la surpression ne dépasse pas une valeur maximale acceptable afin que la formation ne soit pas détériorée et que d'autres problèmes posés par des pressions très élevées soient évités. En outre, il est souhaitable que la dépression ne descende pas au-dessous d'un niveau acceptable minimal afin que les fluides de la formation ne pénètrent pas dans le sondage 25624T et surtout que des conditions d'éruption n'apparaissent pas. La plage des pressions acceptables du fluide hydrau- lique, pour chaque intervalle, peut être établie d'après la connaissance antérieure obtenue par les techniques classiques de diagraphie des sondages, concernant la formation, une telle connaissance portant sur la lithologie et d'autres caractéristiques de la formation, à proximité de ces intervalles. Le procédé selon l'invention comprend en outre la comparaison de la pression hydraulique déterminée en réalité pour chaque intervalle, à la plage des pressions acceptables pour cet intervalle. Cette comparaison peut être réalisée manuellement ou visuellement par un opérateur, bien qu'il soit préférable qu'elle soit exécutée automati- quement par un ordinateur ou un calculateur analogique ou un autre dispositif. Grâce à la comparaison de ces données de pression pour les vitesses déterminées et à la connaissance du fait que, lorsque la vitesse de manoeuvre augmente, la surpression augmente et la dépression diminue, 'Voperateur peut augmenter au maximum la vitesse de ma-- noeuvre tout en maintenant la pression du fluide dans la plage des valeurs acceptables. L'invention concerne aussi le réglage, pour les manoeuvres ultérieures, de la vitesse de manoeuvre dans chacun des intervalles mesurés afin que cette vitesse soit maximale, la pression réelle déterminée du fluide hydraulique restant dans la plage des pressions acceptables dans chaque intervalle. En fait, il est très souhaitable que la vitesse de manoeuvre garde sa valeur maximale per- mettant le maintien de la surpression près de sa valeur acceptable maximale, lors de l'introduction du train de tiges dans le sondage. En outre, il est très souhaitable que la vitesse de manoeuvre soit maintenue à la valeur maximale pour laquelle la dépression reste près de la valeur minimale acceptable lors de l'extraction du train de tiges du sondage. Bien que ces opérations puissent être réalisées manuellement, il est préférable que la comparaison des pressions et le réglage des vitesses de manoeuvre soient réalisés automatiquement, par exemple à l'aide d'un ordinateur ou d'un autre dispositif. La description qui précède concerne un mode de réalisation préféré. Cependant, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier aux appareils et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, la pression peut être déterminée directement ou indirectement par tout dispositif convenable connu des hommes du métier. 1 1 REVENDICATIONS 1. Procédé d'optimisation de la vitesse de ma- noeuvre d'un train de tiges, destiné à accroître le ren- dement d'une opération de forage, avec maintien de la pression hydraulique du fluide de forage dans le sondage dans une plage acceptable, caractérisé en ce qu'il comprend: la détermination de la pression hydraulique du fluide de forage dans le sondage à proximité du trépan, à plusieurs intervalles espacés longitudinalement le long du sondage, la détermination de la vitesse du train de tiges dans ces intervalles, l'établissement d'une plage des pressions accep- tables pour chacun des intervalles dans le sondage, par détermination des pressions hydrauliques minimale et maximale acceptables pour chacun des intervalles, au cours de la manoeuvre, la comparaison de la pression déterminée pour chacun des intervalles dans le sondage à des plages de pressions acceptables correspondant auxdits intervalles, et le réglage de la vitesse de manoeuvre, dans chacun des intervalles, au cours des manoeuvres suivantes, afin que la vitesse de manoeuvre soit maximale, avec maintien de la pression déterminée dans la plage des pressions acceptables pour chaque intervalle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination des pressions et des vitesses au cours d'une opération.de manoeuvre. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend le réglage de la vitesse de manoeuvre dans chaque intervalle afin que la pression déterminée du fluide dans chaque intervalle soit toujours maintenue dans la plage des pressions acceptables. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination des surpressions. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé 256214? en ce qu'il comprend la détermination des surpressions pendant que le train de tiges est introduit dans le sondage. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend le réglage de la vitesse de manoeuvre afin que la différence entre la pression déterminée du fluide et la pression maximale acceptable pour chaque intervalle soit minimale. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination des dépressions. 8. Procédé selon la- revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination des dépressions pendant que le train de tiges est retiré du sondage. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend le réglage de la vitesse de manoeuvre afin que la différence entre la pression déterminée du fluide et la pression minimale acceptable soit réduite au minimum pour chaque intervalle. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination directe des pressions du fluide dans chaque intervalle. - 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination indirecte des pres- sions du fluide dans chaque intervalle. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la comparaison de la pression déter- minée du fluide à la plage des pressions acceptables pour chaque intervalle, d'une manière automatique à l'aide d'un dispositif de calcul. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend le réglage des vitesses d'une manière automatique par le dispositif de calcul. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination des pressions et des vitesses, et le réglage des vitesses de manière conti- nue. 15. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la mémorisation de données correspon- dant auxdites pressions déterminées, dans une mémoire placée dans le train de tiges, alors que ce dernier se trouve dans le sondage, et l'accès aux données mémorisées dans la mémoire lorsque le train de tiges est extrait du sondage. 16. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination desdites pressions Lorsque le train de tiges est en cours d'extraction du sondage pendant l'opération de manoeuvre. 17. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend le déplacement du train de tiges dans le sondage à plusieurs vitesses dans chaque intervalle, et la détermination de la pression hydraulique correspon- dant à chaque vitesse dans chaque intervalle. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend la comparaison des seules pressions minimale et maximale enregistrées dans chaque intervalle à la plage des pressions acceptables. 19. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'établissement des plages des pres- sions acceptables du fluide par détection du flux des fluides de la formation introduit dans le sondage, et par détection de la perte de fluide de forage à partir du sondage. 20. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend l'établissement des plages des pres- sions acceptables par détection des pressions dans les pores de la formation.