Brevet FR2706942A1 — publié le 19941230

PROCEDE D'AVERTISSEMENT DE COINCEMENT DU TUBE DE FORAGE, DURANT LES OPERATIONS DE FORAGE La présente invention concerne un procédé d'avertissement de l'apparition du phénomène de coincement du tube de forage durant les opérations de forage rotatif. Dans les opérations de forage rotatif, on met en rotation à partir de la table de forage un train de tiges constitué d'une série de tubes réunis bout à bout, et portant un trépan de forage fixé à son extrémité inférieure, et le matériau foré est transporté depuis le fond du puits de forage au moyen d'un fluide de forage que l'on pompe dans le puits par l'intérieur du train de tiges, et qui retourne vers la surface par l'espace annulaire se trouvant à l'extérieur du train de tiges, transportant ainsi le matériau foré avec lui. De temps en temps, il peut arriver que le train de tiges se coince en raison des interactions avec le puits de' forage. Le train de tige devient coincé lorsque le couple ou la force de dégagement que l'on peut appliquer au train de tiges depuis la surface est insuffisant pour libérer le train de tiges de ces forces d'interaction avec le puits de forage. Le coincement du tube de forage n'est pas souhaité car il conduit souvent à des longues périodes de temps de forage perdu et éventuellement à une perte d'équipement dans le-puits de forage lorsqu'il n'est pas possible de libérer le train de tiges que l'on doit alors découper, tandis que le puits de forage est détourné latéralement pour éviter la partie coincée du train de tiges restant alors dans le puits. On a proposé des-procédés pour identifier les situations lorsque le coincement commence à apparaître. De tels procédés peuvent impliquer des paramètres de contrôle tels que la charge au crochet à la surface lorsque l'on tire le train de tiges hors du puits. Cependant, aucun de ces procédés n'est réputé pour donner un avertissement préalable de l'apparition du phénomène de coincement du tube de forage. Un objet de la présente invention est de proposer un procédé qui permet de déceler l'apparition du phénomène de coincement du tube de forage durant une opération de forage, et qui déclenche une alarme de telle façon que l'opérateur peut prendre des décisions appropriées et éviter la situation o le tube de forage est réellement coincé. La présente invention propose un procédé d'avertissement du début du phénomène de coincement du tube de forage, dans une opération de forage rotatif, utilisant un train de tiges, comprenant les étapes suivantes: (a) contrôle (" monitoring ") de la pression d'un fluide de forage qui est pompé par le train de tiges, durant le forage, sur des périodes de temps prédéterminées afin d'obtenir des séries de mesures de pression; (b) contrôle du couple nécessaire pour mettre le train de tiges en rotation durant lesdites périodes afin d'obtenir des séries de mesures de couple; (c) obtention du " coefficient de dissymétrie " (puissance 3) ( ou " skew") de chaque série de mesures de pression selon la relation: " coefficient de dissymétrie " = l/N, [ (xi- xmoyen) /a] 3 dans laquelle N représente le nombre de mesures de pression xi dans les séries, xmoyen désigne la valeur moyenne des mesures dans les séries et a représente la déviation standard des mesures dans les séries; (d) obtention de la déviation standard normalisée un des mesures de couple dans chaque série correspondante de mesures de couple, selon là relation: Gn = (u/ymoyen) dans laquelle a représente la déviation standard des mesures dans les séries et ymoyen représente la valeur moyenne des mesures dans les séries; et (e) comparaison du " coefficient de dissymétrie " et de an pour les séries, afin d'identifier les modifications correspondantes dans les deux valeurs, et déclencher une alarme lorsque l'amplitude desdites modifications dépasse un seuil d'alarme prédéterminé. L'étape de comparaison -du lorsque la valeur du produit dépasse un seuil d'alarme. On préfère également que le produit du " coefficient de dissymétrie " et de un soit intégré sur une certaine période de temps et que la valeur intégrée soit actualisée sur une base régulière. La valeur réelle de l'intégrale est alors utilisée pour déclencher l'-alarme. La période d'intégration peut être choisie de manière représentative entre- environ 1-2 heures et la valeur intégrée est actualisée environ chaque minute. De manière représentative, la période de temps prédéterminée est de l'ordre de 120 secondes et les calculs sont répétés environ toutes les 60 secondes. L'avantage de la présente invention est de proposer un procédé d'utilisation de différents paramètres mesurés, chacun d'entre eux incorporant une information concernant le début du phénomène de coincement du tube5 de forage, parmi d'autres caractéristiques, afin de produire un diagnostic unique qui est globalement indicatif du début du phénomène de coincement du tube de forage. L'invention sera décrite ci-dessous au moyen d'exemples non limitatifs et en référence au dessin annexé, sur lequel: la Figure 1 représente un schéma logique d'un procédé selon la présente invention; - les Figures 2a et 2b représentent les courbes de pression dans la colonne montante (" standpipe >>) et du couple durant l'opération de forage, avant l'apparition d'un coincement du tube de forage; - les Figures 3a et- 3b représentent des parties agrandies des courbes des Figures 2a et 2b; - les Figures 4a et 4b représentent les courbes de déviation standard normalisée et du " coefficient de dissymétrie " des données correspondant aux Figures 2a et 2b; - les Figures 5a et 5b représentent les courbes du développement du produit du " coefficient de dissymétrie >> et de la déviation standard normalisée sous sa forme brute et sous sa forme intégrée; - les Figures 6a et 6b représentent les courbes correspondant aux Figures 5a et 5b sur une période de forage normal. En référence au dessin annexé, les principales étapes du procédé selon l'invention sont représentées sur la Figure 1. Durant le forage, la pression du fluide de forage que l'on pompe dans le train de tiges est mesurée. Ceci est effectué de manière tout à fait appropriée en mesurant la pression du fluide de forage dans la colonne montante avant que le fluide ne pénètre dans le train de tiges proprement dit. La mesure de la pression dans la colonne montante SPPxi est continue et régulière, et on obtient des séries de mesures (xl...xN) se situant à l'intérieur d'une fenêtre de temps, de manière représentative une fenêtre de 120 secondes. Le " coefficient de dissymétrie " ou puissance 3("skewI") de chaque série est obtenu selon la relation: " coefficient de dissymétrie " = 1/NE [ (xi-xmoyen) /a]3 dans laquelle N représente le nombre de mesures de pression xi dans la série, xmoyen représente la valeur moyenne des mesures dans la série, et u représente la déviation standard des mesures dans la série. Simultanément avec- la mesure de la pression de la colonne montante, on mesure le couple TORyi nécessaire pour la mise en rotation du train de tiges durant le forage, en continu, sur la même fenêtre de temps que celle. utilisée pour la pression dans la colonne montante, et on obtient la série correspondante des mesures de couple (yl...yN). La déviation standard normalisée un de chaque série est obtenue selon la relation un = (î/ymoyen) dans laquelle-u est la déviation standard des mesures de la série et ymoyen est la valeur moyenne des mesures dans la série. La valeur " coefficient de dissymétrie " d'une série des mesures de pression dans la colonne montante et la déviation standard normalisée de la série correspondante de mesures de couple sont alors multipliées l'une avec l'autre de manière à obtenir une valeur de diagnostic sans dimension que l'on compare à un seuil prédéterminé d'alarme et que l'on affiche sur un écran visuel. Lorsque la valeur de diagnostic dépasse le seuil d'alarme, on peut déclencher une alarme sonore5 et/ou visuelle, pour indiquer le-début du phénomène de coincement du tube de forage, à l'opérateur de forage, qui peut alors prendre les actions appropriées afin d'éviter que le tube ne soit réellement coincé. La mesure du couple et la mesure de la pression dans la colonne montante sont des opérations de routine et ne nécessitent aucune description spécifique, et toutes les étapes de calcul par système informatique et analogues décrites ci- dessus peuvent être effectuées par un ordinateur convenablement programmé- sur le site de forage. Dans le procédé préféré tel que représenté schématiquement sur la Figure 1, les valeurs de diagnostic sont intégrées sur une période de temps, de manière représentative sur une période de 1-2 heures, et cette valeur intégrée est utilisée pour déclencher l'alarme, et apparaît sur un écran visuel. L'intégrale, de manière représentative, est réactualisée chaque minute ou environ chaque minute. La mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus sera décrite ci-dessous en référence aux données de couple et de pression dans la colonne montante telles que représentées sur les Figures 2a et 2b. Dans l'opération de forage de iaquelle on a obtenu ces données, le forage a été interrompu à 14:20 h pour changer le trépan, mais après avoir extrait seulement une longueur de tube du puits de forage, le train de tiges s'est coincé. Les Figures 2a et 2b représentent les données recueillies entre 12:50 h jusqu'au moment o le forage a été interrompu, et les deux courbes sont à des échelles similaires. La pression dans la colonne montante révèle des pics d'environ 2,8 kg/cm2 (40 psi) dans 182 kg/cm2 (2600 psi) et on peut également observer des variations importantes du couple, quelques unes d'entre elles correspondant aux variations ou pics de pression. Par exemple, à 13:75 h une fluctuation sévère du couple peut être corrélée avec une augmentation de la pression dans la colonne montante. Les données provenant de cette période sont visualisées à une échelle agrandie sur les Figures 3a et 3b. A ce moment, la formation enserre momentanément le train de tiges, ce qui provoque une fluctuation de couple de grande amplitude, et la restriction apportée à l'écoulement provoque l'augmentation de la pression dans la colonne montante 2-3 secondes plus tard. La différence dans le temps entre le phénomène affectant le couple et le phénomène affectant la pression est due aux différences de vitesse de propagation entre les ondes de torsion ou de couple dans le train de tiges et les ondes de pression dans la boue de forage. Les données concernant le couple montrent que l'on a excité le mode d'oscillation du train de tiges correspondant à la plus basse fréquence de torsion. Ceci est probablement provoqué par une interaction forte avec la formation par l'intermédiaire des dispositifs de stabilisation, un éboulement ou une accumulation de débris de forage. Les pics apparaissant dans la pression de la colonne montante combinés avec les oscillations élevées du couple sont considérés comme représentant un indicateur valable du blocage de l'annulaire par la formation. Les Figures 4a et 4b représentent les données de " coefficient de dissymétrie " et de déviation standard normalisée pour respectivement la pression dans la colonne montante et le couple, sur les huit heures précédant le phénomène de coincement du tube de forage (y compris la période représentée sur les Figures 2 et 3). Ces données ont été obtenues selon le procédé décrit en relation avec la Figure 1. De grands pics positifs dans les données relatives à la valeur " coefficient de dissymétrie " sont évidents dans les quelques heures finales en raison des pics représentés sur la Figure 2a.5 Des pics apparaissent également dans la déviation standard normalisée des données de couple correspondant à une variation importante des données brutes. La déviation standard normalisée des données de couple donne une quantité sans dimension indicatrice d'oscillations relativement importantes du signal de couple. Lorsque les deux courbes sont mises à une échelle semblable comme dans les Figures 4a et 4b, les pics dans les données de pression de valeur " coefficient de dissymétrie " apparaissent durant la section o apparaissent des fluctuations relativement importantes du couple. Afin de donner un avertissement valable des problèmes potentiels de coincement du tube de forage, il est nécessaire de déclencher une alarme qui est sensible20 aussi bien aux pics positifs à un côté apparaissant dans les données de pression de " coefficient de dissymétrie " qu'aux oscillations de grande amplitude du couple. Un diagnostic sans dimension convenable est obtenu comme étant le produit de la déviation standard normalisée du couple et de la valeur " coefficient de dissymétrie " de la pression dans la colonne montante. Une courbe de ce diagnostic est représentée sur la Figure 5a. Étant donné qu'il est souhaitable de déclencher une alarme dans un système de computation en temps réel, un diagnostic plus fiable réside dans le choix d'une valeur intégrée sur une période de 1-2 heures comme représenté sur la Figure 5b. L'intégrale est actualisée à des intervalles de 1 minute et doit normalement être proche du 0 car le " coefficient de dissymétrie " oscille entre des valeurs positives et négatives. Cependant, on doit noter que les fluctuations de pression provoquées par exemple par les mises en route et le.s arrêts de pompes lorsque l'on effectue les connections ne doivent pas être incorporées dans le5 diagnostic. Des valeurs positives en augmentation du diagnostic intégré peuvent indiquer des conditions de détérioration du phénomène de coincement du tube et peuvent être facilement décelées par le déclenchement d'une alarme à un seuil quelconque prédéterminé. Dans10 l'exemple indiqué, une alarme dont le seuil est réglé à +5 permettrait de donner un avertissement concernant des problèmes possibles trois heures avant l'interruption du forage pour tirer le train de tiges hors du puits. Ceci donnerait un temps suffisant pour la mise en oeuvre d'essais complémentaires permettant de déceler la probabilité de coincement et d'effectuer des actions de correction éventuelles. Les Figures 6a et 6b représentent les courbes correspondant aux Figures 5a et 5b. Alors que le produit diagnostic présente des pics, le diagnostic intégré ne fluctue que sur un intervalle +/-1 et cette dernière valeur ne déclencherait donc pas d'alarmes intempestives. iO REVENDICATIONS 1.- Procédé d'avertissement de l'apparition du phénomène de coincement du tube de forage dans une opération de forage rotatif, utilisant un train de tiges, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) contrôle (" monitoring ") de la pression d'un fluide de forage qui est pompé par le train de tiges, durant le forage, sur des périodes de temps prédéterminées afin d'obtenir des séries de mesures de pression; (b) contrôle du couple nécessaire pour mettre le train de tige en rotation durant lesdites périodes afin d'obtenir des séries de mesures de couple; (c) obtention du -" coefficient de dissymétrie " (puissance 3) ( "skew'") de chaque série de mesures de pression selon la relation: " coefficient de dissymétrie " = l/N [ (xi- xmoyen) /] 3 dans laquelle N représente le nombre de mesures de pression xi dans la série, xmoyen désigne la valeur moyenne des mesures dans la série et oreprésente la déviation standard des mesures dans les séries; (d) obtention de la déviation standard normalisée un des mesures de couple dans chaque série correspondante de mesures de couple, selon la relation: n - (î/ymoyen) dans laquelle a représente la déviation standard des mesures dans les séries et ymoyen représente la valeur moyenne des mesures dans les séries; et i (e) comparaison du et de An pour la série, afin d'identifier les modifications correspondantes dans les deux valeurs, et déclencher une alarme lorsque l'amplitude desdites modifications dépasse un seuil d'alarme prédéterminé. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape consistant à comparer la valeur du " dépasse un seuil d'alarme. 3. - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le produit de la valeur du " coefficient de dissymétrie " et de un est intégré sur une certaine période de temps et en ce que la valeur intégrée est actualisée sur une base régulière. 4. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la valeur actuelle de l'intégrale est utilisée pour déclencher l'alarme. 5. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que la période d'intégration est d'environ 1-2 heures et la valeur intégrée est actualisée à des intervalles de.temps ou périodes d'environ 1 minute. 6. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la période de temps prédéterminée est de l'ordre de 120 secondes et en ce que les calculs sont répétés à des intervalles d'environ 601 secondes. I.