Brevet FR2765264A1 — publié le 19981231

La présente invention concerne le domaine des techniques de forage de puits de pétrole et de gaz, et plus particulièrement les techniques de détection de la précession pendant le forage de l'élément de la garniture de forage appelée communément " BHA" pour "Bottom Hole Assembly ". Pour simplifier, la partie de la garniture concernée par la présente invention sera dénommée BHA dans la suite de la description.10 La BHA est soumise à de la précession lorsqu'elle subit un mouvement de rotation propre dû notamment à de la flexion. Ce mouvement propre est influencé par des paramètres de forage (poids sur l'outil, vitesse de rotation, etc.) et des paramètres géométriques (dimensions des constituants de la BHA, diamètre de l'outil, trajectoire du trou, type de terrain, etc.). Il est considéré15 comme un dysfonctionnement sérieux car il empêche le bon déroulement du forage et peut même causer des dégâts matériels importants notamment aux éléments de la BHA. On connaît dans la profession le dysfonctionnement dit " whirling ", mais il n'a pour l'instant été pris en compte qu'au niveau de l'outil de forage pour réduire les ruptures et les usures excessives des éléments de coupe, dues à ce dysfonctionnement. Ainsi, la présente invention concerne une méthode de détection de la précession d'un élément d'une garniture de forage en rotation dans un puits. La méthode comporte les étapes suivantes: 25. acquisition d'au moins une mesure par des moyens de mesure placés proches de la surface, ladite mesure étant représentative de la vibration dudit élément dans ledit puits, traitement automatique de ladite mesure comprenant le repérage d'un saut de moyenne et le repérage d'une raie significative dans le spectre de ladite 2 2765264 mesure, lesdits repérages apparaissant dans un intervalle de temps inférieur à environ 10 secondes, * détermination d'un critère de précession à partir des caractéristiques de ladite raie, 5. déclenchement d'une alarme si le critère atteint une valeur seuil déterminée. Les mesures acquises en surface peuvent être fonction du couple S(t) et de la tension V(t) au sommet des tiges de forage. Le saut de moyenne peut être repéré à partir de la mesure du couple S(t) et le repérage de ladite raie significative à partir de la mesure de la tension V(t). La raie significative peut être comprise dans l'intervalle de fréquence correspondant à l'intervalle I= [oI2n;;I b/27c], co étant la vitesse moyenne de la garniture et Qb = - ( R) o Rc est le rayon dudit élément en précession et Rb est le rayon du puits, et ladite raie peut avoir une puissance au moins supérieure à 65% du maximum principal. On peut calculer C= Q/fb, Q étant calculé à partir de la fréquence de ladite raie significative, et on peut déclencher l'alarme lorsque C est supérieur à envïiron 0,5, et de préférence à 0,6. L'invention concerne également un système de détection de la précession d'un élément d'une garniture de forage en rotation dans un puits. Le système comporte: des moyens d'acquisition d'au moins une mesure, lesdits moyens de mesure étant placés proches de la partie supérieure de ladite garniture, ladite mesure étant représentative de la vibration dudit élément dans ledit puits, des moyens de traitement automatique de ladite mesure comprenant des moyens de repérage d'un saut de moyenne et de repérage d'une raie significative dans le spectre de ladite mesure, lesdits repérages apparaissant dans un intervalle de temps inférieur à environ 10 secondes, À des moyens de détermination d'un critère de précession à partir des caractéristiques de ladite raie, 5. des moyens de déclenchement d'une alarme si le critère atteint une valeur seuil déterminée. Les moyens d'acquisition peuvent comporter des capteurs de mesures liées au couple S(t) et à la tension V(t) à l'extrémité supérieure de la garniture. Le couple S(t) peut être mesuré par le moyen de la motorisation en rotation de la garniture et la tension peut être mesurée à partir de la tension du câble. On rappelle que la précession peut être définie comme étant le mouvement de la masse-tige lorsque le contact de la masse-tige contre les parois du puits engendre un mouvement orbital d'une ou plusieurs section de la BHA. Il s'agit donc d'une composition de deux mouvements de rotation. En notant: la vitesse de rotation imposée au train de tiges par l'appareil de surface (rotation autour de l'axe de la garniture), la vitesse propre de rotation due à la précession (rotation autour de l'axe du trou foré), ò V là vitesse de glissement au point de contact (dans le cas o il n'y a pas choc), * b vitesse de précession sans glissement (V=0), À Rb rayon du trou, et Rc rayon d'une section en précession, on obtient la relation V=(Rb-Rc).D+Rc. co, donc pour V=0, on a b=- co.Rc/(Rb-Rc) On définit s = Q/-b Lorsque est dans le même sens que co, on parle de précession " forward ", sinon on parle de précession " backward " ou " rétrograde ". La précession synchrone (Q = co) est la plus défavorable d'un point de vue abrasion du train de tiges, car celle-ci se fait toujours au même endroit, et que la vitesse de glissement est maximale. Par contre, en précession rétrograde, il n'y a pas de phénomène d'abrasion spécifique, mais la fréquence étant grande, la fatigue est importante. En fait, on est en situation de flexion alternée qui5 est d'autant plus grande que l'on se rapproche de Äb. En pratique, la majeure partie des ruptures et pannes sont liées à la fatigue, et il faudra donc éviter en priorité la forte précession rétrograde, c'est-à-dire le cas o s = DYQb s'approche de 1. Le but de la détection est de déterminer QI, d'en déduire dans quelles 0 conditions de précession on se trouve en étudiant la valeur de s, et de déclencher une alarme si nécessaire. Plusieurs niveaux d'alarme peuvent être définis en fonction de la valeur de s. Les facteurs d'influence de la précession sont essentiellement les paramètres opérationnels de forage (vitesse de rotation, poids sur l'outil, type de boue...), la géométrie de l'ensemble (dimension du puits, inclinaison du puits,...) et le type de roche forée. En effet, il apparaît que la tendance à la précession augmente quand le poids sur l'outil diminue et que la vitesse de rotation augmente. Une forte friction entre paroi et BHA (à cause d'une paroi rugueuse, et/ou d'une boue peu lubrifiante) favorise une précession rétrograde. On constate les mêmes faits-dans le cas d'une roche dure, d'une part, l'amortissement de l'interaction outil/roche et des vibrations y est faible, d'autre part, la vitesse d'avance est généralement peu importante. De plus, la déformation de flexion est naturellement limitée par le diamètre foré. Dans les puits déviés, elle est réduite par l'amortissement des vibrations au niveau des stabilisateurs. La précession est donc particulièrement présente dans les puits ou parties de puits verticaux ou faiblement déviés. En pratique, la majeure partie des ruptures et pannes sont liées à la fatigue, et il faut donc éviter essentiellement la précession rétrograde de la BHA. Le remède consiste presque toujours à arrêter la rotation de la tige pour faire disparaître la précession. Détecter la précession est donc indispensable5 pour arrêter le mouvement avant qu'il ait pris une ampleur trop importante. Il est également très avantageux de déterminer le phénomène de précession à partir de signaux caractéristiques que l'on peut disposer en plaçant des capteurs sur l'extrémité supérieure des tiges de forage liées à la partie supérieure de la BHA. En effet, les capteurs de fond (situés au niveau10 de la BHA) nécessitent des moyens de transmission lourds, dans la mesure o il est ici indispensable d'avoir un volume d'information important. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d'un exemple de réalisation, nullement limitatif, illustré par les figures ci-annexées, parmi15 lesquelles: * La figure 1 montre schématiquement une ensemble de forage comportant un système de détection de la précession selon l'invention, La figure 2 est un exemple d'organigramme de la méthode, * La figure 3 est un autre exemple d'organigramme. 20. Les figures 4a et 4b montrent la mesure et le spectre de la flexion de la BftA, Les figures 5a et 5b montrent la mesure du couple en surface et le spectre de la tension en surface. Selon l'invention, l'organigramme simplifié de l'alarme de précession de la BHA est le suivant: Un ensemble de capteurs fournit des mesures caractéristiques des vibrations latérales de la BHA, (par exemple le couple et la tension) à: -des moyens d'acquisition desdites mesures qui font transiter les signaux correspondant vers: 6 2765264 - des moyens de traitement automatiques des données qui déterminent le déclenchement ou non: - d'une alarme. L'invention a pour principal objectif de détecter la précession à partir seulement des signaux disponibles en surface. Or, les phénomènes de flexion sont assez peu sensibles en surface car d'une part, il y a une telle dissipation des ondes de flexion (structurelle et due au fluide de puits) que celle-ci tendent à disparaître avant d'arriver en surface, et d'autre part, le puits est un mauvais guide pour les ondes de flexion. Cependant, il existe de nombreux couplage entre les différents modes (longitudinal, torsion, flexion). On peut donc trouver des signes caractéristiques de précession dans des signaux de surface autres que la flexion. La figure 1 décrit le forage d'un puits 1 à l'aide d'une installation de surface 2 comportant une tour 3 et des moyens de suspension 4 auxquels est accrochée la garniture de forage 5. La garniture de forage 5 se compose comme il est connu dans l'art du forage, par un outil de forage 6, un ensemble de masses-tiges 7 dans lequel on peut intégrer un ou plusieurs stabilisateurs 8, des tiges de forage 9 vissées les unes aux autres pour effectuer la liaison mécanique avec la tête d'injection, par exemple motorisée 10, suspendue aux moyens de levage 4. C'est la précession d'une partie de la BHA 7 qui concerne la présente invention. Un raccord 11 comporte des capteurs sensibles à la vibration du train de tiges. Les vibrations enregistrées peuvent être de torsion, de flexion, de tension, ou même de pression dans le fluide de forage injecté à travers la tête d'injection 10. Dans le présent exemple, les capteurs sont sensibles au couple et à la tension au niveau de l'extrémité supérieure des tiges 9. Pour la mesure du couple, on peut installer des capteurs adaptés dans les moyens de mise en 7 2765264 rotation de la garniture: table de rotation ou tête d'injection motorisée 10. La tension peut aussi être mesurée à partir de la tension d'un brin du câble de forage. Des moyens d'acquisition et de traitement 12 des signaux correspondant à la vibration du couple et de la tension en surface, respectivement (S(t) et V(t), sont en liaison avec le raccord instrumenté 11, soit par un câble 13 soit par onde radio reçue par l'antenne 14. Une cabine de contrôle du forage 15 reçoit, soit par des moyens radio 16, soit par câble 17, les informations provenant des moyens d'acquisition et de traitement 12. Ces informations o0 peuvent déclencher des moyens de signalisation 18 du type alarme, par exemple des feux de couleurs différentes en fonction d'un niveau spécifique de précession. Le traitement automatique des données et de l'alarme utilise dans le présent exemple comme signaux caractéristiques des vibrations latérales S(t) = couple en surface, V(t) = tension en surface. Le traitement automatique des données se fait selon le schéma suivant: Détection d'un saut de moyenne dans le couple S(t) ^. OUI à l'instant tam Détection de l'apparition d'une raie spectrale dans la tension V(t), dans l'intervalle de fréquence I= [oi2i; | fb/2 t], à l'instant tam. oui OUI l PRECESSION l On rappelle que: co représente la vitesse de rotation instantanée imprimée à l'ensemble de forage par le moteur. 2b est la vitesse de précession sans glissement. Elle se calcule à partir de l'expression suivante: b- (Rb - Rc) o Rc est le rayon de la BHA et Rb est le rayon du puits. tam est le temps o l'on détecte un saut de moyenne du signal étudié en o temporel, ici le couple en surface S(t). On cite ici en référence les documents suivants -" Detection of Abrupt Changes. Theory and Application " par Basseville et Nikiforov-Prentice Hall Information and System Sciences Series, 1993. -"Digital Processing of Random Signals. Theory and Methods " par PoratPrentice Hall Information and System Sciences Series, 1994. Détection du saut de moyenne en temporel: On donne ici un exemple de traitement automatique de détection du saut de moyenne du signal traité en temporel (par exemple ici, le couple). Pour détecter le saut de moyenne du couple, on peut choisir d'utiliser des fenêtres glissantes, une de grande dimension (par exemple 2000 points) et l'autre de petite dimension (par exemple 400 points) qui contient les points les plus récents de la grande fenêtre. On compare alors la moyenne obtenue dans la grande fenêtre avec celle obtenue par la petite fenêtre. Au moment du changement de moyenne, les deux résultats deviennent sensiblement différents, car la petite fenêtre est très sensible au changement alors que la grande l'est nettement moins. Cette comparaison peut être faite à partir du logarithme du rapport de vraisemblance des deux moyennes, calculé de manière continue à l'aide de l'algorithme CUSUM. L'algorithme CUSUM a été décrit par M. Page en 1954 dans " Continuous Inspection Schemes " Biometrika, Vol. 41, PP 100-115. L'algorithme CUSUM permet de donner de manière précise le temps tam o il y a changement dans la moyenne du signal. Détection du changement spectral: A partir de moment o l'on connaît l'instant tam du changement de moyenne temporelle du couple, on peut calculer le spectre du signal de tension avant cet instant et le spectre après cet instant et les comparer. Ces spectres sont utiles sur la bande de fréquence I= [k2n; 1 Qb/2 1] mentionnée dans10 l'organigramme précédent. C'est dans cet intervalle que l'on cherche à détecter l'apparition d'une raie. Pour les comparer, on propose ici deux solutions: 1) Utiliser à nouveau la comparaison, en fréquentiel cette fois, entre une petite fenêtre et une grande fenêtre comme définies précédemment. Pour cela, il faut connaître suffisamment précisément les caractéristiques fréquentielles du signal. On modélise donc au préalable le signal par une modélisation autorégressive. Ensuite, on peut calculer la distance spectrale entre les deux spectres des deux fenêtres, en utilisant à nouveau l'algorithme CUSUM. 2) Faire une comparaison directe des spectres avant et après tam. Cette méthode consiste à faire la différence directe entre les 2 spectres ainsi calculés, en admettant une petite fluctuation de la valeur de la fréquence associée à chaque raie. Quelle que soit la solution choisie, la comparaison des deux spectres nous permet de répondre à la question suivante: " A l'instant tu, y a-t-il eu apparition d'une raie dans l'intervalle I ?" -Si la réponse est non, il n'y a pas déclenchement d'alarme et on se borne à continuer à repérer un éventuel changement de moyenne temporelle dans le signal de couple. - Si la réponse est oui, on détermine alors la puissance de cette raie par rapport aux autres, afin de déterminer si elle est significative. Un pourcentage spécifique de la puissance totale du signal est défini comme palier pour sélectionner les raies " significatives ". 5 Ainsi, en fin de traitement automatique des données, on a sélectionné des raies considérées comme importantes et qui peuvent être la preuve de la présence d'un mouvement de précession de la BHA. La fréquence de la raie significative permet de calculer la vitesse de précession Q. L'alarme peut se décrire selon le schéma suivant: Raies " significatives ", définissant Q Calcul du critère de définition de la précession critère C>seuil s oui OUI Alarme O..n définit un critère, noté C, de caractérisation de la précession comme suit: C = lQ/Qb, o Q est la vitesse de rotation propre de la BHA dans son mouvement de précession. On définit par ailleurs un seuil s tel que si C>s, alors la précession considérée est une précession rétrograde, et donc très nocive pour la garniture de forage. On déclenche donc une alarme dans la mesure o le calcul du critère C et sa comparaison avec le seuil s nous permet de conclure sur l'apparition d'un mouvement de précession rétrograde de la BHA. Les figures 2 et 3 illustrent deux algorithmes plus détaillés du traitement automatique des données et de déclenchement de l'alarme basés sur les principes de la détection de la précession décrits plus haut. Selon l'organigramme de la figure 2, on n'effectue un traitement spectral qu'à partir du moment o l'on a déterminé un instant tam o l'on a détecté un saut de moyenne (bloc 30). Le bloc 40 représente les traitements fréquentiels sur des fenêtres amont et aval par rapport à tam. Dans ce bloc 40, on calcule une estimation du spectre du couple avant et après le saut de moyenne par les méthodes classiques de traitement de signal (par exemple: périodogrammes moyennés, méthodes haute résolution, .). On calcule également la moyenne de la vitesse de rotation considérée comme..DTD: stationnaire au moment de l'apparition du whirling. On évalue ensuite la différence des spectres ainsi obtenus et l'on garde, par exemple, les quatre raies les plus énergétiques.15 En parallèle (cas de la figure 2) ou en séquentiel (cas de la figure 3), on calcule Qb à partir de co et des caractéristiques physiques Rb et Rc. Enfin, on sélectionne une ou plusieurs raies en effectuant un tri des différentes raies spectrales en énergie, par exemple à 65% par rapport à l'énergie maximale, et en fréquence en ne conservant que les fréquences20 appartenant à l'intervalle. I= [d2r; 1]b/27c]. A la suite du bloc 40, on calcule C pour la raie significative. Dans cet exemple, le seuil d'alarme est pris à 0,6. Si C est supérieur à 0,6, on déclenche une alarme pour prévenir le risque important d'avoir un dysfonctionnement proche du type rétrograde. La figure 3 montre un autre exemple de traitement automatique dans lequel le suivi de la moyenne et du contenu spectral se fait en parallèle dans le temps (bloc 30'). Dans le cas o, il y a saut de moyenne à l'instant tam et changement spectral à l'instant tas et que ces deux instants soient suffisamment proches, par exemple si I tam-tasl est inférieur à 8 secondes, on déclenche alors la recherche d'une raie significative (bloc 40'). On retrouve ensuite les mêmes fonctionnalités pour le déclenchement d'une alarme. Ces différentes procédures ne sont que des exemples de déclenchement automatique d'alarme concernant la précession de la BHA, mais d'autres procédures sont possibles, dont, par exemple, un traitement automatique fondé sur la statistique bayésienne. Les figures 4a, 4b, 5a et 5b sont des exemples comparatifs de ce que l'on peut mesurer effectivement au niveau de la BHA et de ce que l'on mesure en surface. La figure 4a est l'enregistrement de la flexion enregistrée au niveau des masses-tiges, par exemple dans le raccord 20 (figure 1). De tels moyens de mesure sont par exemple décrits dans le document EP-B1-0558379, cité ici en référence. On note le saut de moyenne référencé 21. La figure 4b donne le spectre correspondant au signal du moment de flexion au niveau de la BHA. La courbe continue 23 correspond au spectre en amont du saut de moyenne, c'est-à-dire sans whirling, la courbe pointillée 24 correspond au spectre après le saut de moyenne, c'est-à- dire en whirling. On note la raie référencée 25 significative car dans l'intervalle de fréquence 15-20 Hertz et de puissance caractéristique. Dans le même temps, on a enregistré en surface les signaux vibratoires du couple (figure 5a) et le spectre de la tension en surface (figure 5b). On retrouive bien le saut de moyenne 31 correspondant effectivement à du whirling de la BHA et la raie significative de même fréquence que la fréquence du whirling directement enregistrée au fond. REVENDICATIONS 1) Méthode de détection de la précession d'un élément d'une garniture de forage en rotation dans un puits, caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes suivantes: * acquisition d'au moins une mesure par des moyens de mesure placés proches de la surface, ladite mesure étant représentative de la vibration dudit élément dans ledit puits, * traitement automatique de ladite mesure comprenant le repérage d'un saut de moyenne et le repérage d'une raie significative dans le spectre de ladite mesure, lesdits repérages apparaissant dans un intervalle de temps inférieur à environ 10 secondes, détermination d'un critère de précession à partir des caractéristiques de ladite raie, déclenchement d'une alarme si le critère atteint une valeur seuil déterminée. 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle lesdites mesures acquises en surface sont fonction du couple S(t) et de la tension V(t) au sommet des tiges de forage. 3) Méthode selon la revendication 2, dans laquelle le saut de moyenne est repéré à partir de la mesure du couple S(t) et dans laquelle ladite raie significative est déterminée à partir de la mesure de la tension V(t). 4) Méthode selon l'une des revendication précédentes, dans laquelle ladite raie significative est comprise dans l'intervalle de fréquence correspondant à l'intervalle I= [o/27; t Qb/2i 1], co étant la vitesse moyenne de la garniture et Q = -co (R - R) (R - Rj o Rc est le rayon dudit élément en précession et Rb est le rayon du puits, et ladite raie a une puissance au moins supérieure à 65% du maximum principal. ) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on calcule C=Q./Qb, Q étant calculé à partir de la fréquence de ladite raie o significative, et dans laquelle on déclenche ladite alarme lorsque C est supérieur à environ 0,5, et de préférence à 0,6. 6) Système de détection de la précession d'un élément d'une garniture de forage en rotation dans un puits, caractérisé en ce qu'il comporte: * des moyens d'acquisition d'au moins une mesure, lesdits moyens de mesure étant placés proches de la partie supérieure de ladite garniture, ladite mesure étant représentative de la vibration dudit élément dans ledit puits, des moyens de traitement automatique de ladite mesure comprenant des moyens de repérage d'un saut de moyenne et de repérage d'une raie significative dans le spectre de ladite mesure, lesdits repérages apparaissant dans un intervalle de temps inférieur à environ 10 secondes, des moyens de détermination d'un critère de précession à partir des caractéristiques de ladite raie, des moyens de déclenchement d'une alarme si le critère atteint une valeur seuil déterminée. 7) Système selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'acquisition comportent des capteurs de mesures liées au couple S(t) et à la tension V(t) à l'extrémité supérieure de la garniture. 8) Système selon la revendication 7, dans lequel le couple S(t) est mesuré par le moyen de la motorisation en rotation de la garniture et dans lequel la tension est mesuré à partir de la tension du câble.