Brevet FR2620819A1 — publié le 19890324

La présente invention concerne une méthode de détermination de l'usure d'un trépan en cours de forage. On connait déjà par le brevet US-4.627.276 une méthode dans laquelle on détermine des valeurs moyennes de la vitesse d'avancement d'un outil de forage, de la vitesse de rotation et du poids sur l'outil, pour en déduire l'efficacité du forage, ainsi que la résistance au cisaillement de la roche dans laquelle s'effectue le forage. La présente invention concerne une méthode de contrôle de l'usure d'un outil de forage, dans laquelle on mesure le poids W sur l'outil et le couple T nécessaire à sa rotation. Selon cette méthode on établit par des mesures de W et T effectuées en cours de forage une portion de la courbe représentative des variations de T en fonction de W -et on déduit le degré d'usure de l'outil en fonction d'au moins une grandeur liée à la concavité de cette portion de courbe. Selon une variante de la présente invention on suit en fonction du temps les variations de la grandeur liée à la concavité et on en déduit l'évolution du degré d'usure de l'outil au cours du forage. Selon La présente invention la grandeur peut être fonction du rayon de courbure moyen de ladite portion de courbe. Selon une autre variante de la présente invention, le contrôle de l'usure d'un outil de forage peut être obtenu en mesurant le poids sur l'outil et le couple nécessaire à sa rotation, ces deux grandeurs 2620 8 1 9 2- étant Liées entre elles par une relation du type T = uW + vW' o T représente le couple et W le poids appliques à l'outil, u et v étant des coefficients de même que l'exposant X, on détermine la valeur de v ou d'une fonction de ce coefficient à partir de mesures de W et T et l'on déduit de cette valeur de v le degré d'usure de l'outil de forage. La valeur de v ou d'une fonction de ce coefficient peut être déterminee en réalisant un balayage faisant varier en cours de forage la valeur de W au voisinage de sa valeur de consigne et en déterminant les valeurs correspondantes de W et T au cours de ce balayage. L'invention permet d'obtenir plus particulièrement un critère d'usure des dents d'un outil. Elle s'applique donc parfaitement aux outils à molettes à dents fraisées et à picots, ou à des outils de forage présentant une relation de même type du couple appliqué (T) en fonction du poids (W), ce qui est le cas, par exemple, des outils P.D.C. (Polycrystalline Diamond Compact). La présente invention permet de déterminer l'usure d'un outil à partir de la mesure du couple sur l'outil et du poids sur l'outil. A partir de ces mesures on détermine une courbe moyenne, par exemple par la méthode des moindres carrés, et on détermine à partir de la concavité moyenne de cette courbe, ou d'une grandeur liée à cette concavité moyenne, le degré d'usure. Cette détermination de l'usure peut se faire, soit en contrôlant l'évolution de la concavité moyenne en fonction de l'avancement du forage, soit en composant la concavité moyenne avec des concavités moyennes établies au cours d'essais de référence. -3- L'invention sera bien comprise en se référant à La description correspondant aux figures annexées, parmi lesquelles: - La figure 1 illustre schématiquement une méthode d'obtention du critère d'usure du trépan en fonction des paramètres poids exercé sur l'outil W et couple de rotation exercé sur l'outil T, - la figure 2 est une représentation schématique d'enregistrements effectués en fonction des mesures des paramètres T et W, et - les figures 3 et 4 montrent des courbes représentatives du couple (T) de rotation en fonction du poids exercé sur l'outil (W). On va définir tout d'abord un certain nombre de notations utilisées ciaprès: C1 Demi-largeur des dents de l'outil de forage (à l'enfoncement) D: Diamètre de l'outil E: Module d'Young de la formation m: Constante sans dimension (fonction du type de formation) N: Vitesse de rotation de l'outil n: Méplat des dents usées P Pression différentielle sur le front de taille Q: Débit de boue r: Distance d'un éclat de roche par rapport à l'axe de l'outil R: Rayon d'une molette S: Contrainte de cisaillement de la roche à la rupture T: Couple sur l'outil V: Vitesse de la boue au niveau du front de taille VA: Vitesse instantanée d'avancement de l'outil W: Poids sur l'outil Z: Masse spécifique de la boue : Exposant du poids dans la relation T=uW + vWO I: Fraction de la surface du front de taille enlevée par les dents 27C 2620 8 1 9 de l'outil : Pénétration des dents dans la formation 9: Facteur d'efficacité de la boue au niveau du front de taille 27k: Fraction de la surface du front de taille supportant le poids W p: Viscosité dynamique de la boue : Angle définissant la géométrie d'un copeau Il existe de nombreuses façons de déterminer la concavité moyenne ou une grandeur liée à la concavité moyenne à partir de mesures couple, poids sur l'outil. La méthode présentée ci-après à titre d'exempLe nulLement Limitatif s'appuie sur un mode de détermination.simple et commode d'une grandeur liée à la concavité moyenne. Selon cette méthode le degré d'usure d'un outil est estimé, à l'aide d'un critère ou grandeur liée à la concavité moyenne dépendant de la valeur du paramètre v défini par la relation: T = uW + vWîe (1) relation dans laquelle u et v sont deux paramètres dépendant: du type d'outil 25. de la formation des conditions hydrauliques de la vitesse de rotation de l'outil, et o î est un coefficient de valeur numérique en générale voisine de 2. En effet il a été vérifié que, pour un forage dont les conditions hydrauliques et la vitesse de rotation du train de tige varient peu et - 5 - dont la lithologie des formations traversées n'est pas radicaLement diversifiée, la valeur de v diminue au fur et à mesure que l'outil s'use. IL est donc possible de considérer cette valeur; ou toute autre fonction de v, en tant que représentant un critère d'usure des outils. Si par contre-les conditions dont il vient d'être question varient de manière importante, il convient d'affecter v d'un facteur de pondération fonction des variations précédentes dont l'influence peut être déterminée par les relations 5, 6 et 7 et/ou par des essais de référence. Dans sa réalisation pratique, la mise en oeuvre de la détermination du critère peut être obtenue en effectuant un balayage en poids sur l'outil. La plage de balayage et le nombre de paliers doivent être suffisants. La durée de chaque palier de poids est déterminé par l'établissement d'un régime de fonctionnement stabilisé. La figure 1 schématise l'environnement permettant l'obtention de la valeur du critère d'usure v ou f(v), la fonction f représentant un traitement supplémentaire du paramètre v, par exemple pour présenter les résultats de manière simple à l'opérateur. L'invention nécessite principalement la connaissance des deux paramètres de fond, poids sur l'outil (W) et couple sur l'outil (T). Sur la figure 1 la référence 1 représente un puits foré à l'aide d'un outil de forage du type tricône 2 fixé à l'extrémité d'un train de tiges de forage 3. Les mesures de poids et de couple s'exerçant sur l'outil 2 peuvent être transmises à la surface, par exemple par le canal du fluide de forage, ou par tout autre moyen (câble électrique, etc.) et au calculateur 4 par une ligne électrique symbolisée par la flèche 5. 2620 8 1 9 - 6 - Le calculateur fournit à l'opérateur la vaLeur du critère d'usure selon l'invention. Chaque fois que l'opérateur veut connaître la valeur du critère d'usure, il déclenche depuis La surface La procédure de test représentée sur la figure 2. Les valeurs de T et de W sont alors enregistrées, puis traitées et exploitées par le calculateur. La figure 2 représente côte à côte une courbe d'évolution 6 du poids W s'exerçant sur l'outil en fonction de la profondeur PR et une courbe 7 d'évolution du couple T s'exerçant sur l'outil en fonction de la profondeur PR. Les échelles de profondeur PR des courbes 6 et 7 sont identiques et se correspondent mutuellement. Les mesures de poids et de couple s'exerçant sur l'outil peuvent s'effectuer de manière connue de l'homme de l'art, par exemple à l'aide de la méthode dite du M.W.D. ("Measurement While Drilling"). La variation du poids s'exerçant sur l'outil peut être obtenue de manière classique en supportant plus ou moins le train de tiges à partir de la surface. Les mesures des paramètres sont effectuées en fonction de la profondeur et/ou du temps. Il est recommandé de pouvoir effectuer au moins cinq paliers par test, ce qui conduit à une durée globale de test d'environ quinze minutes. La figure 2 représente schématiquement un test comportant cinq paliers. Le niveau du palier 8 correspond au poids sur l'outil en cours de forage à partir duquel l'opérateur décide de déclencher le test. Le test comporte une diminution du poids sur l'outil pour arriver au palier 9 puis une montée en quatre autres paliers respectivement 10, 11, 12 et 13 correspondant à une augmentation du poids sur l'outil. 2620 8 1 9 -7 Durant cette variation du poids sur L'outil on enregistre Les variations du couple T s'exerçant sur l'outiL (courbe 7) et à La fin du cinquième palier 13 on peut revenir au niveau du paLier 14, qui est sensiblement égal au poids sur L'outil du forage avant le déclenchement du test et qui donc correspond approximativement au palier 8. Par la suite on peut revenir à un autre palier correspondant à des conditions optimum d'utilisation de l'outil de forage compte tenu de son état d'usure qui vient d'être déterminé. Le premier test doit être réalisé, l'outil étant en début de passe. Le nombre de tests suivants dépend des choix de l'opérateur. Dans le cas o la valeur du poids sur l'outil au fond peut être obtenue de manière précise à partir d'une mesure en surface, notamment dans le cas des puits verticaux, celle-la peut être éventuellement utilisée. Les caractéristiques de la formation traversée, de l'outil, les valeurs des conditions hydrauliques et de N peuvent être prises en compte pour normaliser la valeur du paramètre v et/ou celle du critère. La méthode selon l'invention est fondée sur une approche théorique, des essais expérimentaux sur banc de forage et des mesure sur des puits. 1 ) Approche théorique On se référera aux publications suivantes: - H.W.R. Wardlaw - Optimization of Rotary Drilling Parameters - Dissertation - University of Texas, 1971. - T.M. Warren - Factors Affecting Torque for a Tricone Bit - S.P.E. 11 994 - 1983. 2620 8 1 9 - 8- - P.F. Gnirk and J.B. Cheatham - A Theoretical Description of Rotary Drilling for Idealized Down-Hole Bit-Rock Conditions - S.P.E. Journal, Dec. 1969. En utilisant les hypothèses de Wardlaw et en intégrant le couple élémentaire le long du rayon r, l'expression du couple global T s'écrit: S D2 T D (2) Cos O Sin 8 1 0 Par ailleurs, en appelant la fraction de surface du front de 27. taiLLe correspondant à des éclats de roche se libérant de la pression différentielle P et en appelant de même celle correspondant à des éclats broyés sous équipression, soit Y3 dans le cas o 27C l'influence du débit de la boue Q et l'efficacité de la boue 9 au niveau du front de taille sont prépondérants, soit Y2, la pénétration moyenne des dents est donnée par: ZU AV = 2 VA (3) + Y; N avec i = 2,3 suivant le mode de fonctionnement considéré, d'o: 2 7 1 SD2 V T S 0 C (4) Y(1 + 'Yi Sin Cos 0 8 N - 9 - et en remplaçant VA par son expression en fonction du mode de forage considéré par Wardlaw, les expressions du couple s'écrivent: 8 C -Y, / w2 T1 -_ _ smn2 D/siP -128 '1 sm2 f32 sirf W2a.(5 TI = -- sin2 /2sin{-) il+ 8 l'sin. r D72 tg P D 8C1 1 w2 T=- - _ sin' $/2sinp - t 6 2 DC+2 p1 1 41' sin ri2 sin Usin2G NW | D f D g QZV2 SD / 8 C1 Xl sin2 f/2 sinS _ w2 T 2 (7) D 1 +.,m ND (+128 1 sin2 e/2 sin W) 7T m tgO END dans l'équation 7, m est une constante sans dimension, dépendant de la nature de la formation. En prenant l'exemple du premier mode de fonctionnement(équation 5), il est possible de montrer que le rayon de courbure de la courbe représentative augmente lorsque l'outil s'use, et donc que le terme v de l'équation 1 diminue. - 10- En effet l'équation 5 peut s'écrire w2 T = I - (8) 1 + J w2 et si l'on se place sur cette courbe en dessous du point d'inflexion, c'est-a-dire pour W 4 T2) 3/2 (+47... P # W / (9) 2I T Sachant que la valeur.du rapport T est en général bien W inférieure à 1, la variation de p lorsque l'outil s'use dépend principalement de celle de I. Or: 8 C1 %1 1 I -sin /2sin(3- (10) I - n / DP Au fur et à mesure de l'usure des dents décroît (équation 14), donc C1 décroît aussi puisque: C1 = &tg 3/2 (11) - 11 - par aiLLeurs la valeur de augmentant, I ne peut que décroître, p croître et donc v diminuer corrélativement. De même Warren propose comme équation du couple sur l'outil: T =sin D/2 (1 + xdx (12) K1 étant une constante, pour un outil donné, fonction du décentrement de l'axe des molettes par rapport à l'axe de l'outil, R le rayon courant d'une molette et O' l'angle complémentaire du demi-angle au sommet de la même molette. L'intégration de l'équation (12) conduit à l'équation (13): T = D sin( + _) W (13) 4 3 R sachant que la pénétration 6 est liée au poids sur l'outil d'après Cheatham et Gnirk par la relation: =(W _ K2n)- n(14) K3 avec: K2 et K3, paramètres fonction des caractéristiques géométriques des 26208 1 9 - 12 - dents, de l'angle de frottement interne de la formation et, dans une faible mesure, de la vitesse de rotation N. , contrainte de compression à la pression différentielle P. ,t Àlargeur du méplat des dents usées. L'équation (14) s'écrit: T = D sine ( w + - - K2) (15) Donc pour un outil, une formation et des conditions hydrauliques donnés, lorsque l'outil s'use n augmente et, l'équation (15) montrant que la concavité de la courbe représentative diminue dans ce cas, la valeur du paramètre v de l'équation: T = uW + vWC diminue elle aussi. Ce qui ne peut que confirmer le résultat déjà obtenu précédemment. 2 ) Résultats expérimentaux Des expérimentations effectuées sur le banc d'essais de la Société Nationale Elf Aquitaine ont permis de quantifier l'influence de l'usure des dents sur la valeur du paramètre v, les conditions d'essais étant: - 13 - - diamètre des outils: 0,152 m (6") - formation: calcaire de Buxy vitesse de rotation: 116 tr/min - pression de confinement: 90 bars - débit de la boue à l'eau: 400 L/min Les résultats obtenus ont permis de tracer les courbes T = uW + vW. avec î = 2 par régression en utilisant la méthode des moindres carrés. Ainsi la figure 3 indique la diminution de la valeur de v pour un même type d'outil (J3D), en fonction de trois degrés d'usure différents (outil neuf, usure T4 et usure complète des dents T8) avec, du fait du choix des unités non normalisées: u* = 103 u v = 107 v La figure 3 représente les courbes expérimentales 15, 16, 17 du couple (T) en fonction du poids sur l'outil (W). La courbe 15 correspond à un outil neuf, la courbe 16 au même type d'outil avec un degré d'usure T4 (la désignation de l'outil dans cet état étant: J3DT4). La courbe 17 correspond au même type outil avec un degré d'usure T8 (l'outil dans cet état étant désigné par J3DT8). L'abscisse de la figure 3 représente le poids exercé sur l'outil exprimé en tonnes et en ordonnée, le couple T exprimée en m.daN. 2620 8 19 - 14 - Le tableau 1 donne pour chaque courbe la désignation de l'outil et les valeurs de u* et v* COURBE DESIGNATION | |OUTIL U* V* J3DN 5,8 0,50 16 J3DT4 9,4 0,31 17 J3DT8 6,1 0,06 Tableau 1 Ainsi il apparaît nettement que v décroît lorsque l'usure de l'outil augmente. Un examen des courbes montre bien que c'est la courbe 15 qui a la concavité la plus grande. Les résultats obtenus sur site de forage sont présentés à la figure 4. Ces résultats correspondent à un puits foré pour la Société Nationale ElfAquitaine au large des Pays-Bas. Contrairement aux essais sur banc, l'outil était de gros diamètre (17"1/2). L'usure, après une passe de forage de la cote 1306 m à la cote 1673 m, était égale à T2. Les trois groupes des mesures effectuées se sont répartis respectivement sur 27 m, 3,5 m et 7,5 m. Bien que dans ce cas l'usure de l'outil soit faible, la décroissance de la valeur de v a bien lieu. L'abscisse de la figure 4 exprime le poids exercé sur l'outil en - 15 - tonnes et l'ordonnée le couple exercé sur l'outil exprimé en m.daN. La courbe 18 se situe entre les cotes 1320 et 1347 m, la courbe 19 entre les cotes 1460 et 1463,5 m et la courbe 20 entre les cotes 1559 et 1566,5 m. Au cours de cet essai l'outil est passé de l'état neuf à une usure T2, soit une usure faible. Le tableau suivant indique pour chaque courbe la cote de profondeur du test, la valeur de u* et la valeur de v* COURBE COTE l l (mn) i U* V* 18 1320 à 1347 29 1,37 19 1460 à 1463,5 27 1,20 1559 à 1566,5 26 0,87 Tableau 2 Ainsi il apparaît que pour une usure faible la valeur de v* (et par conséquent de v) a varié de façon significative, ce qui indique que la méthode selon l'invention permet de connaître l'usure de l'outil avec précision. Les points représentés aux figures 3 et 4 correspondent aux valeurs ayant servi à l'établissement des différentes courbes. Il n'est pas - 16 - nécessaire de tracer Les courbes lors des différents tests. IL suffit d'obtenir la valeur de v ou d'une fonction de v pour être renseigné sur l'état d'usure de l'outil. Bien entendu, il est souhaitable que l'opérateur ait à sa disposition une représentation graphique des points représentatifs et des courbes correspondantes. Les différentes courbes ainsi que les valeurs de u ont été données pour faciliter au lecteur la compréhension de la présente demande. La méthode selon la présente invention permet d'éviter de forer avec des outils usés ou de remonter trop tôt des outils. La connaissance du degré d'usure des outils qu'elle permet intervient directement dans la réduction du coût des forages. - 17 - R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Méthode de contrôle de l'usure d'un outil de forage, dans laquelle on mesure le poids W sur l'outil et le couple T nécessaire à sa rotation, caractérisée en ce que l'on établit, par des mesures de W et de T effectuées en cours de forage, une portion de la courbe représentative des variations de T en fonction de W et, en ce que l'on déduit le degré d'usure de l'outil en fonction d'au moins une grandeur liée à la concavité de cette portion de courbe. 2. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on suit en fonction de la profondeur les variations de ladite grandeur et en ce que l'on en déduit l'évolution du degré d'usure de l'outil au cours du forage. 3. - Méthode selon l'une des revendications 1, et caractérisée en ce que ladite grandeur dépend de la valeur du rayon de courbure moyen de ladite portion de courbe. 4. - Méthode de contrôle de l'usure d'un outil de forage, dans laquelle on mesure le poids sur l'outil et le couple nécessaire à sa rotation, ces deux grandeurs étant liées entre elles par une relation du type T = uW + vWX o T représente le couple et W le poids appliqués à l'outil, u et v étant des paramètres de même que l'exposant O, méthode caractérisée en ce que l'on détermine la valeur de v ou d'une fonction de ce paramètre à partir de mesures de W et T et en ce que l'on déduit de cette valeur de v le degré d'usure de l'outil - 18 - de forage. 5. - Méthode selon la revendication 3, caractérisee en ce que la valeur de v ou d'une fonction de ce paramètre est déterminee en réalisant un balayage faisant varier en cours de forage la valeur de W au voisinage de sa valeur de consigne et en déterminant les valeurs correspondantes de W et T au cours de ce balayage.