Brevet FR2666374A1 — publié le 19920306

La présente invention se rapporte à un procédé de détermination de la vitesse de rotation d'un outil de forage et, plus particulièrement, à un tel procédé destiné à déterminer cette vitesse en temps réel à partir de données captées en un point de la garniture. Lors du forage d'un puits pétrolier, le moteur du train de tiges, qui est monté à la surface, tourne à une vitesse constante entre 50 et 150 tours/minute Cependant, la friction produite entre l'outil de forage et le fond du puits, ou entre les tiges et la paroi du puits, peut provoquer des ralentissements voire même des arrêts périodiques de l'outil Comme pendant ce temps, le moteur continue à tourner à une extrémité du train de tiges, ce dernier à tendance à se tordre autour de son axe longitudinal jusqu'à ce que la force exercée soit supérieure à l'effet de friction freinant l'outil A ce moment là, le train de tiges se détend et l'outil se remet à tourner et peut atteindre des vitesses de rotation de pointe de l'ordre de 150 à 400 tours/minute Comme les puits suivent souvent des trajectoires déviés, le contact entre la garniture et la paroi du puits se produit assez fréquemment. Il est évident que le comportement de l'outil a un effet important sur l'avancement du forage Ainsi, il est souhaitable que le maître foreur soit averti des instabilités de vitesse de rotation périodiques de l'outil afin qu'il puisse modifier les paramètres du forage vitesse de rotation du moteur, débit de boue, ou poids appliqué sur l'outil et ainsi assurer une foration optimale. La présente invention a donc pour objet un procédé de détermination de la vitesse de rotation d'un outil de forage susceptible d'être effectué en temps réel à partir de données captées en un point de la garniture. Pour ce faire, l'invention propose un procédé de détermination de la vitesse de rotation d'un outil de forage, l'outil étant disposé à une extrémité d'une garniture de forage, l'autre extrémité de la garniture étant mise en rotation, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes: mesure de l'accélération axiale en un point de la garniture, traitement de cette mesure pour déterminer le contenu énergétique de l'accélération, application à cette valeur énergétique d'une correction pour déterminer ainsi la vitesse de rotation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un ensemble de forage, les figures 2 et 3 représentent, synoptiquement, les étapes du procédé selon la présente invention. Comme représenté sur la figure 1, un ensemble de forage comprend un mât 10 muni, de façon connue en soi, d'un crochet 12 auquel est suspendu un train de tiges, représenté généralement en 14 Le train de tiges 14 comprend un outil de forage 16, des masse-tiges 18 et des tiges de forage 20 formant un ensemble appelé garniture de forage Dans l'exemple illustré, le train de tiges 14 est mis en rotation par une table rotative 22 Le train de tiges 14 est muni d'un accéléromètre 24 ainsi que d'un capteur 26 de vitesse de rotation. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, on détermine la vitesse de rotation de l'outil 16 à partir de l'accélération de l'outil qui est mesurée au fond du puits. Il faut rappeler que les dispositifs de mesure de la vitesse de rotation de l'outil, destinés à être installés adjacents aux masse-tiges 18, sont très complexes et encombrants, tandis qu'un accéléromètre est généralement de construction et de fonctionnement simples Ainsi, selon ce premier mode de réalisation, un accéléromètre 28 est monté adjacent aux masse-tiges 18 et comprend une voie 30 de transmission des35 données vers la surface. Une fois que les données représentant l'accélération axiale de l'outil 16 sont arrivées à la surface, il est nécessaire de les traiter afin de déterminer la vitesse de rotation de l'outil Sur la figure 2 sont représentées les étapes du traitement des données. Dans une première étape, les données d'accélération axiale sont filtrées afin de ne laisser que les fréquences se trouvant entre 20 et 130 Hz Les données passent ensuite par un redresseur et un intégrateur afin de pouvoir déterminer l'énergie de l'accélération axiale La valeur de l'énergie d'accélération axiale est ensuite corrigée en appliquant le polynôme suivant afin de pouvoir déterminer la vitesse de rotation au fond. P(X) = 12,83 * X + 33,94 * X 0,11 Ainsi, à partir des accélérations axiales de l'outil mesurées au fond du puits, on peut, selon l'invention, en déduire la vitesse de rotation de l'outil. Néanmoins, la présente invention permet, dans un deuxième mode de réalisation, de déterminer la vitesse de rotation de l'outil à partir de mesures de l'accélération axiale de la garniture prises à la surface Le traitement des mesures prises à partir des accélérations axiales de la garniture à la surface nécessite la connaissance du facteur d'atténuation de l'énergie de vibration axiale dans la garniture entre l'outil et la surface Les données du problème sont les suivantes: Y? POL POL(X) = a * X + b * X + c As > Af > Vf ( 1) HYPOTHESE: Y amplificateur ( 2) CONTRAINTE: moyenne (Vs) = moyenne (Vf) ( 3) INCONNUE: Coefficient Y ( 4) Y x As = Af ( 5) POL (Af) = Vf Notations: Vf: vitesse de rotation en fond Vs: vitesse de rotation en surface As: énergie de l'accélération axiale en surface Af: énergie de l'accélération axiale au fond. La résolution du problème s'effectue comme suit: EOUATIONS ( 5) > a * Afu + b * Af + c = Vf ( 4) > Y * As = Af ( 2) > Moy (Vs) = uoy (Vf) RESOLUTION ( 5) > moy (a * Af + b * Af + c) = moy (Vf) ( 5)' a*moy 4 As J *YL+ b*moy(As)*Y+c=moy(Vs) ( 5)' + ( 4) + ( 2) Equation du second degré en Y. Résolution de l'équation pour obtenir le coefficient d'amplification: une seule des deux solutions est valable physiquement. Sur la figure 3 sont représentées les diverses étapes du traitement des données. Dans un premier temps, il convient de déterminer le type de fonctionnement de l'outil Il y a trois cas possibles Soit l'outil 16 tourne librement à une vitesse analogue à celle de la table rotative 22, situation appelée fonctionnement stable Dans un deuxième cas, la friction entre l'outil et le fond du puits, ou entre la garniture et la paroi interne du puits peut provoquer, de façon connue, des ralentissements irréguliers de la rotation de l'outil. Cette situation est appelée fonctionnement instable Dans le dernier cas, la garniture subit des instabilités périodiques de rotation, plus communément appelé "Stick Slip" Ces trois types de fonctionnement sont représentés par les voies A, B et C respectivement sur la figure 3; Dans le cas des instabilités périodiques de rotation, voie C, le traitement initial des données est sensiblement analogue à celui du premier mode de réalisation Comme la mesure s'effectue en un point éloigné du fond, il est nécessaire d'appliquer un coefficient multiplicateur, fonction de la position du point, afin de ramener les données du contenu énergétique à la valeur de celles prises au fond35 du puits. REVENDICATIONS 1 Procédé de détermination de la vitesse de rotation d'un outil de forage, l'outil étant disposé à une extrémité d'une garniture de forage, l'autre extrémité de la garniture étant mise en rotation, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes suivantes: mesure de l'accélération axiale en un point de la garniture, traitement de cette mesure pour déterminer le contenu énergétique de l'accélération, application à cette valeur énergétique d'une correction pour déterminer ainsi la vitesse de rotation. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on mesure l'accélération axiale en un point quelconque de la garniture, le procédé comportant l'étape additionnelle d'application d'un coefficient multiplicateur fonction de la position du point par rapport au fond afin de ramener le contenu énergétique à l'énergie d'accélération du fond. 3 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on mesure l'accélération axiale à l'extrémité supérieure de la garniture, le procédé comportant l'étape additionnelle de détection du type de fonctionnement de la garniture.