Brevet FR2614360A1 — publié le 19881028

Procédé de mesure de la vitesse d'avancement d'un outil de forage L'invention se rapporte à un procédé de mesure de la vitesse d'avancement d'un outil de forage sur le front de taille au cours d 'une opération de forage du type rotary d'un puits. L'outil de forage, qui peut être un trépan, est fixé à l'extrémité d'un train de tiges qui est soutenu en surface à l'aide d'un crochet de la tour de forage. Le train de tiges est soumis à un mouvement de rotation, ce qui permet à l'outil de forer. La vitesse d'avancement de l'outil dans le puits est simplement déterminée par la vitesse de défilement du train de tiges de forage en surface. On détermine donc en surface cette vitesse de défilement. Cependant le train de tiges qui est constitué de tiges d'acier est relativement élastique et se déforme en longueur sous l'action des tractions et des compressions auxquelles il est soumis. Il en résulte des variations de longueur qui affectent sérieusement les mesures de la vitesse d'avancement de l'outil situé au fond du puits foré. Les erreurs sont d'autant plus importantes que l'on fore à grande profondeur et donc que le train de tiges est long, que les efforts auxquels est soumis le train de tiges sont importants et que les frictions du train de tiges contre les parois du trou foré sont importantes. Dans ce dernier cas, qui est relativement fréquent lorsque le trou foré n'est pas vertical, le poids appliqué en surface au train de tiges n'est pas transmis intégralement à l'outil de forage. Pour pallier à ces inconvénients, il est proposé dans le brevet US 2.688. 871 de considérer le train de tiges comme un ressort ayant une certaine élasticité. Le coefficient d'élasticité est determiné théoriquement en connaissant la longueur et la section du train de tiges ainsi que le module d'Young de l'acier. Cette valeur du coefficient d'élasticité est recalculée de temps en temps pour tenir compte des ajouts ou retraits de tiges. En prenant comme modèle un ressort dont on a déterminé le coefficient d'élasticité, on peut ainsi calculer la vitesse d'avancement de l'outil fixé à l'extrémité inférieure du train de tiges en fonction de la vitesse d'avancement de l'extrémité supérieure du train de tiges et de la valeur (positive ou négative) de la variation de la force appliquée à cette extrémité supérieure du train de tiges. Une méthode voisine est proposée dans le brevet US 3.077.560. Les méthodes décrites dans les deux brevets précités comportent l'inconvénient majeur que le coefficient d'élasticité calculé théoriquement ne reflète absolument pas les conditions auxquelles est soumis le train de tiges dans le puits. Ainsi, les frottements du train de tiges contre les parois du puits sont complètement ignorés. Une méthode destinée à combler la déficience des méthodes de l'art antérieur est proposée dans le brevet francais no 2.038.700. Dans ce brevet, on se propose de déterminer la vitesse d'avancement de l'outil de forage en utilisant un coefficient d'élasticité du train de tiges mesuré in situ dans le puits. Pour ce faire, on détermine au cours d'une descente de l'outil dans le puits les variations de la tension à laquelle est soumis le train de tiges en l'un de ces points. Dans l'exemple indiqué, le point est choisi à proximité de l'outil de forage. La mesure est faite au fond et les valeurs mesurées sont acheminées à la surface par un câble électrique. On vient faire reposer l'outil sur le fond sans forer, en repérant l'instant o il vient au contact du fond, cet instant correspondant au début de la période de diminution de la tension mesurée. On détermine pendant cette période la variation de cette tension et la valeur de la vitesse de défilement en surface du train de tiges. On déduit de ces valeurs la valeur réelle du coefficient d'élasticité. Cette méthode est en pratique difficilement applicable et n'est en fait pas exploitée à ce jour. En effet, il est très difficile de déterminer avec précision l'instant o l'outil de forage touche le fond du puits lorsque l'on effectue des mesures uniquement en surface. C'est probablement la raison pour laquelle l'exemple de réalisation proposée dans ce brevet fait appel à des mesures effectuées au fond du puits à l'aide de capteurs de force placés dans le train de tiges à proximité de l'outil de forage. Il est alors nécessaire de disposer d'un système de télémétrie pour transmettre les mesures du fond vers la surface, ce qui est un handicap important. De plus, ce coefficient d'élasticité est déterminé alors que l'on ne fore pas. Le train de tiges n'est donc pas en rotation. Il est maintenant communément admis que, sauf cas exceptionnel, les forces de frottement dus au déplacement longitudinal du train de tiges dans le puits sont négligeables par rapport aux forces de frottement dus à la rotation du train de tiges dans le puits. Le coefficient d'élasticité mesuré in situ selon la méthode de ce brevet francais n'est donc pas représentatif du coefficient d'élasticité apparent correspondant aux conditions réelles du forage. La présente invention fournit un procédé permettant la mesure précise de la vitesse d'avancement d'un outil de forage, ce procédé ne présentant pas les inconvénients indiqués ci-dessus des procédés de l'art antérieur. De facon plus précise, l'invention se rapporte à un procédé de mesure de la vitesse VF d'avancement d'un outil de forage fixé à l'extrémité inférieure d'un train de tiges descendu dans un puits que l'on fore et selon lequel on tient compte de la rigidité du train de tiges, ledit procédé comportant les étapes suivantes: a) pendant un intervalle de temps initial At, on fore le puits en maintenant, en moyenne, la valeur du poids F du train de tiges mesurée en surface relativement constante et on mesure en surface à différents instants successifs les valeurs instantanées de la vitesse Vs d'avancement du train de tiges et du poids F du train de tiges mesuré en surface, b) on détermine la valeur de la vitesse moyenne VSM d'avancement du train de tiges en surface à partir des valeurs VS mesurées et les valeurs successives dF/dt de la dérivée première par rapport au temps des valeurs mesurées du poids F, c) on détermine le coefficient de rigidité apparente du train de tiges pendant l'intervalle de temps A t à partir des valeurs VSM, VS et dF/dt, d) pendant que l'on continue de forer le puits, on mesure à des instants successifs les valeurs de V et F, on détermine les valeurs de la dérivée dF/dt et, pour chacun de ces instants successifs, la valeur de la vitesse VF d'avancement de l'outil de forage, à partir des valeurs Vset dF/dt et de la valeur \ déterminée à l'étape c), et e) on répète les étapes précédentes a) à d) régulièrement au cours du forage du puits. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre en regard des dessins annexés, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif du procédé. La figure 1 représente schématiquement en coupe verticale, une tour de forage "rotary" et le puits qu'elle surmonte. La figure 2 montre un morceau d'une bande d'enregistrement des valeurs mesurées, en fonction du temps, de la vitesse instantanée Vs d'avancement du train de tiges mesurée en surface, du poids F mesuré au crochet de la tour de forage soutenant le train de tiges, les valeurs de la vitesse instantanée VF de l'outil de forage et du coefficient de rigidité A déterminé selon la présente invention. La tour de forage "rotary" représentée à la figure 1 comprend un mât 1 se dressant au-dessus du sol 2 et équipé d'un appareil de levage 3 auquel est suspendu un train de tiges de forage 4 formé de tiges aboutées par vissage et portant à son extrémité inférieure un outil de forage 5 d'un puits 6. L'appareil de levage 3 se compose d'un moufle supérieur 7 dont l'axe est fixé au sommet du mat 1, d'un moufle inférieur 8 mobile verticalement, auquel est attaché un crochet 9, d'un câble 10 passant sur les moufles 7 et 8 et formant, à partir du moufle supérieur 7, d'une part un brin mort 10a ancré en un point fixe 11, d'autre part un brin actif 10b qui va s'enrouler sur le tambour d'un treuil 12. Le train de tiges 4 est suspendu au crochet 9 par l'intermédiaire d'une tête d'injection 13 reliée par un tuyau flexible 14 à une pompe à boue 15, laquelle permet d'injecter dans le puits 6, via les tiges creuses du train 4, de la boue de forage issue d'un bassin à boue 16, ce dernier pouvant, inversement, recevoir de la boue en excès du puits 6. Cela permet, par actionnement de l'appareil de levage 3 au moyen du treuil 12, de faire remonter le train de tiges 4, ses tiges étant successivement retirées du puits 6 et dévissées de facon à extraire l'outil 5, ou de faire descendre le train de tiges 4, avec revissage successif des tiges qui le composaient, pour faire retourner l'outil au fond du puits. Ces opérations de montage et de démontage de tiges nécessitent de décrocher momentanément de l'appareil de levage 3 le train de tiges 4. Ce dernier est alors soutenu par coincement à l'aide de câles 17 dans un évidemment conique 18 qu'offre la table de rotation 19 montée sur une plate-forme 20 et que traverse le train de tiges. Durant les périodes de forage, le train de tiges 4 est entrainé en rotation par l'intermédiaire d'une tige carrée 21 montée à son extrémité supérieure. Entre ces périodes, cette tige carrée est remise dans un fourreau 22 creusé dans le sol. Les variations de la hauteur h du moufle mobile 8 au cours de ces opérations de remontée de tiges 4 sont mesurées au moyen d'un capteur 23. Il s'agit dans le présent exemple d'un capteur d'angle de rotation couplé à la poulie la plus rapide du moufle fixe 7 (c'est la poulie d'o part le brin actif lob). Ce capteur donne à chaque instant la grandeur et le sens de la rotation de cette poulie, d'o il est aisé de déduire la valeur et le sens du déplacement linéaire du câble 10, puis, compte tenu du nombre de brins de câble reliant les moufles 7 et 8, la valeur et le sens du déplacement du moufle 8 et, par suite, la hauteur h de celui-ci. La mesure de la valeur de h en fonction du temps permet de facon immédiate la détermination de la vitesse instantanée du crochet 9 qui est égale à la vitesse instantanée VS du train de tiges à la surface. Le poids F appliqué au crochet 9 du moufle mobile 8 est 261 4360 aussi mesuré. Il correspond au poids du train de tiges 4 dans la boue de forage présente dans le puits diminuée du poids appliqué sur l'outil de forage. Ce poids varie avec le nombre de tiges que celui-ci comporte. Cette mesure est effectuée au moyen d'un capteur de force 24 inséré dans le brin mort 10a du câble 10 et mesurant la tension de celui-ci. En multipliant la valeur que fournit ce capteur par le nombre de brins reliant les moufles 7 et 8, on obtient le poids au crochet 9. Les capteurs 23 et 24 sont reliés, par des lignes 25 et 26, à une unité de calcul 27 qui traite les signaux de mesure et qui comprend une horloge incorporée. Un enregistreur 28 est connecté à l'unité de calcul 27 laquelle est préférentiellement un ordinateur. Les paramètres mesurés et nécessaires à la mise en oeuvre de l'invention sont le poids F pendu au crochet 9, l'altitude h du moufle mobile supportant ce crochet et le temps correspondant fourni par l'horloge incorporée au calculateur 27. Les paramètres sont régulièrement enregistrés à la fréquence de Hz et immédiatement numérisés, donc convertis en valeurs binaires directement utilisables par le calculateur. Les enregistrements de ces valeurs sont indexés en temps. A partir de ces valeurs, le calculateur délivre les valeurs correspondantes de la vitesse instantanée VS du train de tiges en surface et de la dérivée première dF/dt du poids F suspendu au crochet 9, ainsi que les valeurs de VF et A déterminées de la facon expliquée ci-après. La figure 2a représente l'enregistrement en fonction du temps t, (en secondes) du poids F (en kN) appliqué au crochet de la tour de forage. Généralement le foreur essaie de maintenir relativement constante la valeur de F, pour une formation déterminée. Cette valeur est choisie de facon optimale pour obtenir la meilleure vitesse de pénétration de l'outil de forage en fonction des conditions lithologiques. Le poids F au crochet est égal au poids total du train de tiges dans la boue de forage dans le puits diminué du poids effectivement appliqué sur l'outil de forage. Le foreur opère par séquences successives de quelques secondes. Après avoir appliqué sur l'outil un certain poids, il bloque le train de tiges en surface de facon à éviter tout mouvement longitudinal mais en permettant la rotation du train de tiges pour forer. La pénétration de l'outil dans la formation s'effectue alors par l'allongement naturel du train de tiges dû à son élasticité. Dans ce cas, on remarque une augmentation progressive dF du poids F appliqué au crochet à laquelle correspond une diminution du poids appliqué sur l'outil de forage. La profondeur forée durant cette séquence correspond à l'allongement du train de tiges. Cet allongement est relié à la diminution du poids effectivement appliqué sur l'outil. En considérant le train de forage comme un ressort, l'allongement du train de tiges, ou ce qui revient au même la profondeur forée, est égal au produit AkdF, A étant la rigidité du ressort que constitue le train de tiges ou l'inverse de son élasticité. A la fin de cette séquence de forage, qui ne dure que quelques secondes la valeur du poids F s'écarte trop de la valeur fixée et le foreur décide alors de libérer le mouvement longitudinal du train de tiges. En d'autres termes, il ajoute du poids sur l'outil de forage, ce qui revient à diminuer d'autant la valeur du poids F appliqué au crochet. Au cours de cette deuxième séquence, la profondeur forée dans le puits est égale à la variation de longueur du train de tiges mesurée en surface plus la variation de longueur du train de tiges. Cette dernière est en fait égale au produit de À par la variation du poids F du crochet. Il en découle que l'on peut écrire l'expression suivante: VF = Vs + X dF (I) dt dans laquelle VF et VS représente les vitesses instantanées respectivement de l'outil de forage et du train de tiges en surface, X représente la rigidité apparente du train de tiges dans le puits au moment de la mesure et dans les conditions du forage et dF/dt représente la dérivée première par rapport au temps t du poids F suspendu au crochet. Sur la figure 2b on a représenté les valeurs de la vitesse instantanée VS du train de tiges en surface, exprimées en mètre par heure, déterminées telles qu'indiquées précédemment à l'aide des mesures des variations d'altitude h du crochet en fonction du temps. La figure 2c représente les valeurs de la vitesse instantanée VF de l'outil de forage exprimées en mètre par heure. Selon la présente invention, on commence par considérer que la vitesse de pénétration de l'outil de forage est égale à la vitesse moyenne de défilement du train de tiges en surface VSM. Ainsi, on détermine VSM tout d'abord pendant un intervalle de temps àt de zero à environ 350 secondes dans l'exemple de la figure 2c. Cet intervalle peut être réduit et être par exemple 100 secondes. On remarque que les vitesses Vs et VF sont égales sur les figures 2b et 2c sur l'interval de temps considéré. On détermine ensuite le coefficient de rigidité apparente X du train de tiges dans le puits pour ces conditions de forage. Pour se faire, sachant que pour ce premier intervalle de temps considéré, VF = VSM, on peut écrire: VSM - Vs = DF () SM S Connaissant VSM on détermine pour chaque valeur de VS et de dF/dt une valeur correspondante de rigidité de train de tigesA À Cependant, sur un intervalle de temps aussi court que celui considéré, le coefficient > \peut être considéré comme constant. On détermine alors une valeur moyenne, à partir des mesures effectuées, en remarquant que l'expression précédente est l'équation d'une droite de pente A. Une façon de faire consiste à appliquer la méthode des moindres carrés. Dans l'étape suivante, on continue de forer et d'acquérir séquentiellement les valeurs VS et dF/dt. Le coefficient de rigidité À étant connu, on détermine la vitesse VF de l'outil de forage à l'aide de l'équation 1. Ces valeurs successives sont représentées sur la figure 2c après l'intervalle de temps O à 350 secondes. On remarque que pour chaque couple de valeurs Vs et F nouvellement acquises, on peut recalculer une nouvelle valeur de A et de VF. On peut suivre ainsi au cours du forage l'évolution de la rigidité apparente 8-du train de tiges ainsi que la vitesse instantanée VS de l'outil de forage. Dans le cas o la puissance de calcul disponible sur le site de forage (calculateur 28 - fig 1) n'est pas suffisante, on peut se contenter de calculer la nouvelle valeur de A qu'après avoir foré une certaine profondeur de formation, par exemple tous les mètres. On remarque que bien que l'on ait considéré au départ que le forage s'effectuait à poids relativement constant sur l'outil, il est nécessaire pour déterminer avec suffisamment de précision la valeur de \ d'avoir des variations de poids F suffisamment importantes. En d'autres termes, pour déterminer X il est nécessaire que le ressort constitué par le train de tiges se tende et se détende avec suffisamment d'amplitude. Sur la figure 2d, on a représenté les valeurs successives du coefficient de rigidité > calculées toutes les 350 secondes. Les variations de ce coefficient sont importantes à observer sur le plan pratique. En effet, ce coefficient représente non seulement la rigidité théorique du train de tiges, hors du puits, mais aussi les frottements ou coincements du train de tiges dans le puits. On peut ainsi déterminer les endroits du puits qui sont susceptibles de créer des problèmes, au cours de la remontée ou de la descente du train de tiges. On admet généralement, pour une lithologie donnée, que la vitesse d'avancement de l'outil de forage est sensiblement proportionnelle au poids appliqué sur l'outil. De facon à s'affranchir de ces variations de poids sur l'outil, on peut déterminer une vitesse instantanée normalisée VSN égale à la vitesse instantanée VS de pénétration de l'outil divisée par le poids appliqué sur l'outil à l'instant considéré. L'une des applications pratiques importantes de cette vitesse normalisée consiste dans la détermination de l'instant o le forage de la formation recommence lorsqu'on vient de redescendre le train de tiges. La facon habituelle de faire est de considérer que l'on recommence à forer par exemple si le poids de l'outil est supérieur à une tonne. Cette facon de faire est arbitraire et est la source d'erreurs. Grace à la présente invention, on peut considérer que l'on recommence à forer la formation lorsque la vitesse VSN instantanée normalisée de l'outil de forage est semblable à la vitesse normalisée obtenue avant l'ajout de la nouvelle tige (continuité de la lithologie). On peut bien entendu associé cette condition relative à la vitesse normalisée à d'autres conditions telles que l'altitude du crochet (après estimation de l'altitude du crochet lors de la reprise du forage à partir de la position du crochet en fin de forage de la tige précédente et d'une estimation automatique de la longueur de la nouvelle tige lors de la connection) ou un seuil pour la valeur du poids sur l'outil. On peut aussi remarquer qu'une variation de cette vitesse normalisée VSN peut traduire un changement de lithologie. Il est à remarquer que les diagrammes de la figure 2 sont donnés en fonction du temps t. On peut bien entendu convertir ces diagrammes pour qu'ils soient donnés en fonction de la profondeur forée. Une méthode de conversion est par exemple décrite dans la demande de brevet francais no 87.02628 déposée par la demanderesse le 27 février 1987. l 214360 Revendications 1. Procédé de mesure de la vitesse VF d'avancement d'un outil de forage fixé à l'extrémité inférieure d'un train de tiges descendu dans un puits que l'on fore et-selon lequel on tient compte de la rigidité du train de tiges, caractérisé par les étapes suivantes: a) pendant un interval de temps initial At, on fore le puits en maintenant, en moyenne, la valeur du poids F du train de tiges mesurée en surface relativement constante et on mesure en surface à différents instants successifs les valeurs instantanées de la vitesse V d'avancement du train de tiges et du poids F du train de tiges mesuré en surface, b) on détermine la valeur de la vitesse moyenne VSM d'avancement du train de tiges en surface à partir des valeurs VS mesurées et les valeurs successives dF/dt de la dérivée première par rapport au temps des valeurs mesurées du poids F, c) on détermine le coefficient de rigidité apparente X du train de tiges pendant l'intervalle de temps à t à partir des valeurs VSM, VS et dF/dt, d) pendant que l'on continue de forer le puits, on mesure à des instants successifs les valeurs de V et F, on détermine les valeurs de la dérivée dF/dt et, pour chacun de ces instants successifs, la valeur de la vitesse VF d'avancement de l'outil de forage à partir des valeurs V et dF/dt et de la valeur kdéterminée à l'étape c), et e) on répète les étapes précédentes a) à d) régulièrement au cours du forage du puits. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les valeurs successives de VF sont déterminées par la relation suivante: VF = + A dF 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisée en ce que la valeur du coefficient de rigidité apparente.kest déterminée par la relation: VSM Vs A dF dt en supposant que la vitesse VF d'avancement de l'outil de forage pendant l'intervalle de temps A t est constante et égale à la vitesse moyenne VSM d'avancement du train de tiges en surface. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la valeur X est déterminée en tracant le graphique représentant (VsM-Vs) en ordonnée et X dF/dt en abcisse et en Sm S dt appliquant ensuite la méthode des moindres carrés pour déterminer la valeur de la pente A de la droite représentant au mieux la relation: VF - Vs = dF F S dt 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on enregistre les valeurs successives de en fonction du temps ou de la profondeur forée, de facon à fournir une courbe caractéristique des conditions de forage. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on détermine les valeurs successives de la vitesse instantanée normalisée VFN en effectuant, pour chaque instant de mesure, le rapport de VF sur le poids appliqué sur l'outil de forage et en ce que l'on trace la courbe VFN en fonction du temps ou de la profondeur forée pour fournir une indication relative à la lithologie de la formation forée. 7. Application du procédé défini à l'une des revendications précédentes, à la détermination de l'instant auquel l'outil de forage recommence à forer la formation.