Brevet FR2705801A1 — publié le 19941202

La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle de la vitesse de rotation d'une garniture de forage et plus particulièrement à un tel procédé dans lequel la vitesse de rotation est commandée en fonction des mesures représentant l'état vibratoire de la garniture de forage. Lors du forage d'un puits pétrolier, le moteur du train de tiges, qui est monté à la surface, tourne à une vitesse constante d'environ 50-150 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 pouvant atteindre des vitesses de rotation de pointe de l'ordre de 140 à 400 Tours/minute. Comme les puits suivent souvent des trajets contrariés, le contact entre la garniture et la paroi du puits se produit assez fréquemment. De plus, des ondes de torsion dans la garniture se produisent du fait que la garniture constitue un ensemble mécanique possédant ses modes vibratoires 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. Ces ondes de torsion peuvent se manifester par des instabilités périodiques en rotation de la garniture, plus communément appelées "slip-stick". 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 le transformant alors en énergie de destruction de la roche, ce qui contribuerait à un avancement du forage plus efficace. Ainsi, il est souhaitable que le maître-foreur connaisse de manière instantanée le comportement vibratoire de sa garniture, et notamment qu'il soit averti d'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. La recherche en milieu pétrolier a conduit à doter les garnitures de forage, en leur sommet, de nombreux capteurs tels que des accéléromètres et/ou des jauges de contrainte, permettant d'accéder à des grandeurs telles que les accélérateurs de torsion, axiales ou transversales, la force axiale, le couple et les moments de fléchissement. Le traitement des données fournies par ces deux capteurs permet de déduire la présence des instabilités périodiques en rotation de la garniture. Le document FR-A-2666845 décrit un procédé de conduite d'un forage dans lequel, à partir de mesures de la vitesse de rotation de l'extrémité supérieure de la garniture et de la variation du couple appliqué à cette extrémité, on peut déduire et signaler au maître-foreur la présence ou l'absence d'instabilités périodiques en rotation. Ce procédé permet d'avertir le maître-foreur de la présence des instabilités et de lui permettre de modifier les paramètres du forage. L'élasticité de la garniture de forage et plus précisément de la section des tiges donne à la garniture un comportement dynamique proche de celui d'un pendule de torsion. La présence quasi continue dans la garniture d'ondes de torsion sévères, ne peut qu'accroître le vieillissement du matériel. En effet, compte tenu du fait que ces ondes constituent un excellent agent de propagation des failles dans l'acier, elles augmentent le risque de rupture de la garniture. Puisqu'une variation de la vitesse de rotation de l'extrémité supérieure de la garniture est efficace tant pour réduire la présence des ondes de torsion que pour éliminer les instabilités en rotation, le maitre-foreur choisit le plus souvent de modifier ce paramètre. Cependant, il convient d'agir rapidement en effectuant cette modification afin d'assurer un forage optimum. La présente invention a donc pour objet un procédé de contrôle de la vitesse de rotation d'une garniture de forage qui permet de minimiser le temps de réaction entre la détection d'instabilités de rotation et la modification de la vitesse de rotation de la garniture. Pour ce faire, l'invention propose un procédé de contrôle de la vitesse de rotation d'une garniture de forage comportant les étapes suivantes - mesure de la vitesse de rotation de l'extrémité supérieure de la garniture de façon continue - mesure en continu du couple appliqué à cette extrémité de la garniture - détection, à partir de ces deux mesures, d'une éventuelle instabilité de vitesse de rotation de la garniture - contrôle de la vitesse de rotation de la garniture, en réponse à la présence d'une telle instabilité de vitesse, afin de faire disparaître l'instabilité, en envoyant au moteur une commande additionnelle destinée à corriger la vitesse de consigne, la commande additionnelle étant fondée sur une loi de commande non-linéaire. Selon un aspect particulier de l'invention, la commande additionnelle est fonction de la différence entre le couple à un instant donné et la moyenne du couple prise pendant un temps prédéterminé précédant l'instant. 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 - la Figure 2 est un logigramme de certaines étapes du procédé de l'invention - la Figure 3 est un schéma du circuit de contrôle du moteur, - les Figures 4a et 4b sont des courbes illustrant l'évolution de la vitesse de rotation et du couple avec le temps, pour un outil à tricones, et - la Figure 5 est une courbe illustrant l'évolution de la vitesse de rotation avec le temps pour un outil du type P.D.C. 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. Le train de tiges 14 est mis en rotation soit par une table de rotation 22, soit par une tête d'injection motorisée 24. L'extrémité supérieure de la garniture de forage est munie d'un ensemble de capteurs 26 comportant des jauges de vitesse de rotation et de couple appliqué au train de tiges 14. A partir des données représentant la vitesse de rotation et le couple on peut procéder à une détection des instabilités de rotation périodiques. I1 convient de rappeler ici les étapes du procédé de détection qui fait l'objet de la demande de brevet FR-A2666845. Ces étapes sont les suivantes - Recherche de la variation du couple Afin de voir si les variations de couple sont importantes pendant une période de temps donnée, on détermine la différence entre le couple maximum et le couple minimum et on divise ce résultat par le couple moyen. Si le résultat de ce calcul est supérieur à 10% on peut supposer qu'il y a des instabilités périodiques de vitesse de rotation de la garniture. Cette étape est représentée sur la Figure 2 par C maxi Cmini > 10% Cmoy Un résultat inférieur à 10% implique une faible variation de couple qui permet d'en déduire qu'il n'y a pas d'instabilité de vitesse de rotation de la garniture. - Calcul de la période P Si la variation du couple est importante, on procède à l'étape suivante du procédé dans laquelle on calcule la période P de la variation du couple. Ensuite on est amené à vérifier si cette période P est constante pour un nombre prédéterminé de cycles. S'il s'avère que la période P n'est pas constante on ne peut pas déduire qu'il y a, ou qu'il n'y a pas, d'instabilités de vitesse de rotation. Si la période P est constante on peut passer à l'étape suivante - Comparaison de la période P avec une période théorique La période théorique Pth est une caractéristique de la garniture utilisée. Elle est calculée à partir des modes propres de vibration en torsion de la garniture. Comme il y a plusieurs modes propres de vibration, il s'ensuit qu'il y a plusieurs valeurs pour Pth que l'on peut appeler Pth'; Pth2. On procède, donc, à une comparaison de la valeur P actuelle avec chacune des valeurs théoriques prédéterminées afin de voir si la valeur P se trouve dans une plage comprise entre 0,8 et 1,2 fois la valeur de l'une des valeurs théoriques Pth. Si la valeur P se trouve dans une telle plage on peut en déduire qu'il y a des instabilités périodiques de vitesse de rotation. En revanche, si la valeur P ne se trouve pas dans une telle plage il y a incertitude concernant le comportement du train de tiges. Ensuite il convient de procéder à une dernière étape: la caractérisation du phénomène. Cette étape comporte deux parties : le calcul du pourcentage de temps d'arrêt de l'outil et le calcul de la vitesse de rotation maximum de l'outil. Le pourcentage de temps d'arrêt de l'outil star est défini par la formule %tau" (temps de récupération-2 x temps de propagation)x 100 période Le temps de récupération, temps pendant lequel le moteur tourne et l'outil arrêté, est le temps nécessaire au moteur pour vaincre les frottements entre la garniture et le puits. Ce temps est égal à 60 x DN VRmoy où DN est le nombre de Tours de garniture nécessaire pour vaincre les frottements, et VRmoy est la vitesse de rotation moyenne de l'outil. Le temps de propagation est donné par l'expression longueur de la garniture vitesse des ondes dans le matériau de la garniture La vitesse de rotation maximum de l'outil VRmaX VRmaX = j x VR x 100 (100 - tzar) où j est un coefficient de profil qui est, par exemple 1,7 pour le premier mode de vibration. Ayant détecté la présence d'instabilités de rotation, il convient d'agir en faisant varier la vitesse de rotation du train de tiges afin de faire disparaître le phénomène. Sur la Figure 3 est représenté schématiquement le circuit de contrôle du moteur d'entraînement en rotation de la garniture de forage. Dans le mode de réalisation illustré, la garniture 14 est entraînée en rotation par une tête d'injection motorisée 24 qui comprend un moteur hydraulique 30 relié à la garniture par un bloc réducteur 32. Une pompe hydraulique 34, reliée à un moteur électrique 38 par l'intermédiaire d'une dynamo tachymétrique 40, alimente le moteur hydraulique 30 par des conduits 36. Un ensemble de régulation 42 reçoit des données de l'ensemble de capteurs 26, fonction du couple C appliqué à la garniture ainsi que de la vitesse de rotation Vr. L'ensemble de régulation 42 commande le moteur électrique 38 et reçoit des données W de la dynamo tachymétrique 40. Le moteur 30 reçoit une première commande Vr destinée à le faire tourner à une vitesse de consigne Vr. Selon l'invention, on rajoute à ce premier signal de commande un signal additionnel résultant de la loi de commande définie ci-après. Cette loi de commande repose sur le principe que pour réduire le phénomène des instabilités périodiques en rotation, il importe d'appliquer à l'extrémité supérieure du train de tiges un couple supérieur à celui en dessous duquel l'outil est bloqué en rotation. Appelons la vitesse de rotation du train de tiges à l'instant t, Vr(t) et le couple appliqué au train de tiges à l'instant t, Ct. La loi de commande donnant lieu au signal additionnel est Delta Vr(t) = a*[C(t)-Cm(t) où Cm(t) est la moyenne du couple prise sur quelques secondes avant l'instant (t). Cette valeur, constamment mise à jour, est toujours en mémoire. La loi n'exige qu'un seul paramètre "a" qui est le gain en boucle ouverte de la correction. Le gain "a" est ajusté de façon que le comportement du système en boucle fermée soit efficace. Les Figures 4A et 4B sont des courbes illustrant la mise en oeuvre de la présente invention pour un ensemble de forage muni d'un outil à tricône. La figure 4A montre l'évolution de la vitesse de rotation de la garniture en fonction du temps T, la courbe continue illustrant la vitesse de rotation à la surface Vrs et la courbe en pointillé celle du fond Vrf. Sur la figure 4Best représentée l'évolution du couple appliqué sur la garniture en fonction du temps T, la courbe continue illustrant le couple appliqué à la surface Cs et la courbe en pointillé celui du fond Cf. Sur les deux courbes le procédé de contrôle selon l'invention démarre au temps T'. On voit aisément qu'avant l'instant T' il y a d'importantes variations dans la vitesse de rotation du fond Vrf ainsi que dans les couples à la surface et au fond, respectivement Cs et Cf. A partir de l'instant T', où le procédé est mis en oeuvre, les vitesses de rotation et les deux mesures du couple se stabilisent rapidement. Le temps de stabilisation dépend de la valeur choisie pour le gain "a". Dans l'exemple illustré, le temps de stabilisation est de l'ordre de 7 secondes. La figure 5 est une courbe illustrant la mise en oeuvre de la présente invention pour un ensemble de forage muni d'un outil du type P.D.C. et montre l'évolution de la vitesse de rotation de la garniture en fonction du temps T, la courbe continue illustrant la vitesse de rotation à la surface Vrs et la courbe en pointillé celle du fond Vrf. Les instabilités se manifestent à partir du temps T et le procédé de contrôle selon l'invention démarre au temps T'. On voit aisément qu'avant l'instant T', il y a d'importantes variations dans la vitesse de rotation du fond Vrf. A partir de l'instant T', où le procédé est mis en oeuvre, les vitesses de rotation et les deux mesures du couple se stabilisent rapidement. REVENDICATIONS 1 - Procédé de contrôle de la vitesse de rotation d'une garniture de forage, la garniture étant entraînée en rotation par un moteur, comportant les étapes suivantes - commande du moteur afin de le faire tourner à une vitesse de consigne - mesure de la vitesse de rotation de l'extrémité supérieure de la garniture de façon continue ; - mesure en continu du couple appliqué à cette extrémité de la garniture ; - détection à partir de ces deux mesures, d'une éventuelle instabilité de vitesse de rotation de la garniture ; - contrôle de la vitesse de rotation de la garniture, en réponse à la présence d'une telle instabilité de vitesse, afin de faire disparaître l'instabilité, en envoyant au moteur une commande additionnelle destinée à corriger la vitesse de consigne, la commande additionnelle étant fondée sur une loi de commande non linéaire. 2 - Procédé de commande selon la revendication 1 caractérisé en ce que la commande additionnelle est fonction de la différence entre le couple à un instant donné et la moyenne du couple prise pendant un temps prédéterminé précédant l'instant.