Brevet FR2673237A1 — publié le 19920828

La présente invention se rapporte à une méthode de surveillance automatique de l'état vibratoire d'une garniture de forage. La recherche en milieu pétrolier a conduit à doter en leur sommet les garnitures de forage de nombreux capteurs tels que des accéléromètres et/ou des jauges de contrainte, permettant d'accéder à des grandeurs telles que les accélérations de torsion, axiales ou transverses, la force axiale, le couple et les moments de fléchissement. Toutefois, l'information vibratoire émanant de ces capteurs recèle une complexité évidente pour un non- spécialiste désirant l'exploiter En effet, les analyseurs de spectres traditionnels ne produisent en général que des courbes dont l'analyse n'est pas immédiate Or, le maître- foreur doit connaître de manière instantanée le comportement vibratoire de sa garniture, et notamment une éventuelle instabilité dudit comportement afin de pouvoir régler au plus vite et au mieux les différents paramètres du forage, à savoir le poids sur l'outil, la vitesse de rotation ainsi que le débit de boue. Ces instabilités se produisent du fait que la garniture constitue un ensemble mécanique possédant ses modes propres qui est susceptible de répondre aux diverses sollicitations mécaniques intervenant lors du forage, tels que le travail de l'outil sur la roche et les interactions entre le puits et ladite garniture, ceci étant vrai aussi bien axialement que latéralement ou en torsion. De telles instabilités sont à proscrire car elles sont à l'origine d'une contrainte supplémentaire apportée au matériau risquant d'entraîner une rupture de la garniture; de plus, elles consomment une part d'énergie qu'il serait préférable de transmettre directement à l'outil, ce dernier la transformant alors en énergie de destruction de la roche, ce qui contribue à un avancement du forage plus efficace. La présente invention a donc pour objet une méthode de surveillance automatique de l'état vibratoire d'une garniture de forage qui permet d'exploiter les mesures fournies par un ensemble de capteurs situés au sommet d'une garniture de forage, notamment en avertissant un utilisateur de manière simple d'éventuelles instabilités au niveau de ces mesures. Pour ce faire, l'invention propose une méthode de surveillance automatique de l'état vibratoire d'une garniture de forage pourvue de capteurs, ladite méthode comportant les étapes suivantes: obtention d'un spectre de référence pour chacun des capteurs, obtention d'un spectre pour chacun des capteurs en situation réelle, comparaison des deux spectres afin de détecter d'éventuelles instabilités au niveau des grandeurs mesurées par les capteurs, signalisation desdites instabilités au moyen de dispositifs auditifs et/ou visuels. 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 un dessin schématique de l'ensemble du système de surveillance; la figure 2 est un logigramme décrivant certaines étapes de la signalisation à l'utilisateur; et les figures 3 a, 3 b et 3 c sont des courbes explicatives de la présente invention. Comme représenté sur la figure 1, le système de surveillance comprend une batterie de filtres programmables 8 ainsi que des convertisseurs RMS 10 ou des filtres anti- repliement 12 permettant de traiter les signaux provenant de capteurs 14 disposés sur la garniture de forage 16; les données provenant des convertisseurs 10 sont regroupées au niveau d'un multiplexeur 18 puis transmises à un convertisseur analogique numérique 20 et enfin à un ou plusieurs processeurs 22 Le ou les microprocesseurs 22 sont éventuellement assistés par un ou plusieurs processeurs de signal 24 et sont couplés à une interface 26; l'utilisateur peut transmettre des informations au(x) processeur(s) 22 au moyen d'un clavier 28 et d'un lien de communication 30 On peut rentrer au niveau de l'interface 26 certaines informations concernant les spectres de référence 32 relatifs à chaque capteur, ladite interface 26 étant reliée à des moyens de signalisation auditifs 34 et/ou visuels 36. Afin de détecter d'éventuelles instabilités au niveau des grandeurs mesurées par les capteurs, il convient de procéder aux étapes suivantes: Obtention d'un spectre de référence pour chacun des capteurs: Pour ce faire, deux méthodes sont possibles Le maître-foreur détermine dans le premier cas un état qu'il juge adéquat à un forage efficace, assisté éventuellement en cela par un spécialiste des vibrations dans le domaine du forage A cet état correspondent différentes mesures vibratoires fournies par les capteurs, ces mesures étant traitées de la façon décrite ci-après de manière à obtenir des spectres de référence relatifs à chacun des capteurs Le traitement des mesures vibratoires peut être effectué soit de manière grossière, c'est-à-dire qu'elles sont échantillonnées à une fréquence faible, par exemple 0,1 Hz, et que seule est retenue leur valeur efficace, soit de manière plus fine, à savoir qu'elles sont échantillonnées à une fréquence supérieure à 400 Hz après un filtrage anti-repliement soigné. Dans le second cas, un logiciel de simulation auquel on fournit des renseignements mécaniques sur la garniture de forage produit les spectres relatifs à chacun des capteurs, le logiciel de simulation pouvant le cas échéant être intégré au système lui-même L'information ainsi produite est introduite au niveau du ou des processeurs au moyen d'une interface de communication, ledit processeur n'oeuvrant plus ensuite que par comparaison avec ces éléments de référence. Obtention d'un spectre en situation réelle: A cette fin, les mesures vibratoires fournies par les capteurs sont traitées de la même manière que pour l'obtention du spectre de référence, ladite manière étant décrite ci-dessus; dans l'exemple illustré, les grandeurs mesurées par les capteurs sont respectivement la composante dynamique de la force au crochet (FCD), l'accélération longitudinale (AL), la composante dynamique du couple (CD), l'accélération de torsion (AT) et l'accélération de flexion (AF) L'information est alors transmise au processeur après une conversion analogique numérique des mesures. Comparaison des données et signalisation d'éventuelles instabilités: Cette comparaison peut se faire soit au niveau des valeurs efficaces uniquement, soit au niveau du spectre tout entier. En ce qui concerne les valeurs efficaces, le processeur compare ladite valeur à celle de référence déterminée précédemment, cette comparaison s'effectuant sous la forme du rapport des deux valeurs, ce qui permet de s'affranchir d'un étalonnage des capteurs toujours délicat. Comme représenté sur la figure 2, si aucune valeur efficace n'excède 10 fois son niveau de référence, la situation est considérée comme stable, et aucun avertissement n'est adressé au maître-foreur. Si le niveau de l'une d'entre elles au moins est compris entre 10 et 100 fois son niveau de référence, le maître-foreur est alerté et peut, s'il le juge nécessaire, faire varier les paramètres du forage. Si le niveau de l'une d'entre elles au moins excède fois son niveau de référence, le maître-foreur est alerté de l'existence d'une situation très instable et se doit d'y remédier au plus vite. Le traitement au niveau des spectres est du même type En effet, les spectres élaborés sur chaque mesure par le processeur sont comparés raies à raies avec ceux de référence De même que pour les valeurs efficaces, les critères correspondant à des rapports respectivement 10 et 100 fois plus grands que la référence sont retenus dans l'exemple illustré Toutefois, dans un cas comme dans l'autre, les valeurs 10 et 100 sont arbitraires et sont susceptibles d'être modifiées. Comme représenté sur la figure 2, la présente invention permet, de manière simple, de signaler au maître- foreur le niveau d'instabilité des différentes grandeurs mesurées par les capteurs Dans l'exemple illustré, on utilise un ensemble de voyants, analogue aux feux classiques destinés à régler la circulation routière, ainsi que différents signaux auditifs. Dans l'exemple illustré, un voyant vert indique au maître-foreur l'existence d'une situation stable, un voyant orange complété par un signal sonore discontinu débrayable l'avertit d'une instabilité relative et un voyant rouge complété par un signal sonore continu l'alerte d'une forte instabilité. Les figures 3 a, 3 b et 3 c sont des courbes explicatives de la présente invention Les courbes 3 a et 3 b sont des spectres obtenus pour un même capteur, l'un 3 A étant un spectre de référence et l'autre 3 B étant un spectre instantané correspondant à une situation réelle, lesdits spectres s'étendant sur une gamme de fréquences de 0,5 à 50 Hz La courbe 3 C représente le rapport du spectre instantané sur le spectre réel sur le domaine de fréquences précédant A partir des différentes valeurs de ce rapport, l'appareil est en mesure de signaler à l'utilisateur s'il est nécessaire d'apporter, le cas échéant, une modification aux différents paramètres de forage. Il est à noter que ce système de surveillance peut être complété par de nombreux algorithmes lui permettant d'élargir sensiblement ses possibilités Ainsi, il peut détecter une éventuelle disparition des vibrations, correspondant respectivement à des rapports 1/10 entre le spectre réel et le spectre de référence pour une disparition relative et 1/100 pour une disparition notable La disparition des vibrations se révèle aussi préoccupante que l'accroissement des amplitudes, car elle traduit entre autres l'effondrement du puits au-dessus de l'outil. De plus, le système objet de la présente invention permet le traitement de données émises depuis le fond par un outil approprié et transmises à la surface par une quelconque méthode de mesure en cours de forage.35 Ainsi, à partir des différents signaux auditifs et/ou visuels qui lui parviennent, le maître-foreur peut, le cas échéant, apporter les modifications qui lui semblent nécessaires au niveau des différents paramètres de forage, tels que le poids sur l'outil, la vitesse de rotation et le débit de boue. REVENDICATIONS 1 Méthode de surveillance automatique de l'état vibratoire d'une garniture de forage pourvue de capteurs, ladite méthode comportant les étapes suivantes: obtention d'un spectre de référence pour chacun des capteurs, obtention d'un spectre pour chacun des capteurs en situation réelle, comparaison des deux spectres afin de détecter d'éventuelles instabilités au niveau des grandeurs mesurées par les capteurs, signalisation desdites instabilités au moyen de dispositifs auditifs et/ou visuels. 2 Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les signaux fournis par les capteurs passent successivement par des filtres programmables, des convertisseurs RMS ou des filtres anti-repliement, un multiplexeur, un convertisseur analogique numérique et un ou plusieurs processeurs. 3 Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la comparaison s'effectue sous forme d'un rapport entre le spectre réel et le spectre de référence. 4 Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la comparaison s'effectue soit au niveau des valeurs efficaces uniquement, soit au niveau du spectre tout entier. Méthode selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le traitement des spectres s'effectue sur une gamme de fréquences s'étendant au moins de 0,1 Hz à 400 Hz. 6 Méthode selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que, si le rapport entre spectre réel et spectre de référence n'excède pas une valeur de sécurité, on signale à l'utilisateur que les paramètres de forage peuvent être maintenus. 7 Méthode selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que, si le rapport entre spectre réel et spectre de référence excède une valeur d'alerte, on signale cet état à l'utilisateur afin qu'il puisse agir activement et modifier les paramètres de forage. 8 Méthode selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que, si le rapport entre spectre réel et spectre de référence est compris entre la valeur de sécurité et la valeur d'alerte, on signale cet état à l'utilisateur afin de lui permettre de modifier le cas échéant les paramètres de forage.