Brevet FR2792363A1 — publié le 20001020

La présente invention concerne le domaine des mesures en cours de forage, en particulier des mesures concernant le comportement d'un outil de forage fixé à l'extrémité d'un train de tiges de forage. La méthode selon l'invention propose une solution pour détecter l'amplitude des 1o déplacements verticaux de l'outil de forage ou l'effort appliqué à l'outil, lesdites détections étant obtenues par le moyen d'un programme de calcul prenant en compte des mesures effectuées au sommet du train de tiges, c'est-à-dire sensiblement à la surface du sol, généralement par le moyen de capteurs ou d'un raccord instrumenté situés dans le voisinage des moyens d'entraînement en rotation de la garniture. On connait des techniques de mesure pour l'acquisition d'informations liées au comportement dynamique de la garniture de forage, qui utilisent un ensemble de capteurs de fond reliés à la surface par un conducteur électrique. Dans le document FR/92-02273, il est utilisé deux ensembles de capteurs de mesure reliés par un câble du type logging, l'un étant situé au fond du puits, l'autre au sommet de la garniture de forage. Cependant, la présence d'un câble le long de la garniture de forage est gênante pour les opérations de forage proprement dites. On connaît par les documents FR 2645205 ou FR 2666845 des dispositifs de surface placés au sommet de la garniture qui déterminent certains dysfonctionnements de forage en fonction de mesures de surface, mais sans prendre en compte, de manière physique, le comportement dynamique de la garniture et de l'outil de forage dans le puits. Entre le fond d'un puits et la surface du sol, il existe un train de tiges le long duquel ont lieu des phénomènes dissipatifs d'énergie (frottement sur la paroi, amortissement de torsion,...), des phénomènes conservatifs de flexibilité, notamment en traction-compression. Il y a ainsi une distorsion entre les mesures des déplacements de fond et de surface qui dépend principalement des caractéristiques intrinsèques de la garniture (longueur, raideur, géométrie), des caractéristiques de frottement à l'interface tiges/paroi et de phénomènes aléatoires. C'est pourquoi, les informations contenues dans les mesures de surface ne suffisent pas à elles seules à résoudre le problème posé, c'est-à- dire connaître les déplacements instantanés de l'outil en connaissant les déplacements instantanés de la garniture en surface. Il faut compléter les informations de mesures de surface par des informations indépendantes, d'une autre nature, qui prennent en compte la structure du train de tiges et son comportement entre le fond et la surface: c'est le rôle du modèle de connaissance qui établit les relations théoriques entre le fond et la surface. La méthodologie de la présente invention utilise la conjonction d'un tel modèle, défini a priori, et de mesures de surface acquises en temps réel. Ainsi, la présente invention concerne une méthode d'estimation du comportement longitudinal effectif d'un outil de forage fixé à l'extrémité d'une garniture de forage et entraîné en rotation dans un puits par des moyens d'entraînement situés en surface, dans laquelle on utilise un modèle physique du processus de forage fondé sur des équations générales de la mécanique et dans laquelle on effectue les étapes suivantes: - on détermine les paramètres dudit modèle en prenant en compte les paramètres caractéristiques dudit puits et de ladite garniture, - on réduit ledit modèle en ne conservant que certains des modes propres de la matrice d'état dudit modèle. Selon la méthode, on calcule en temps réel, au moins deux valeurs Rf et Rwob, Rf étant une fonction de la fréquence principale d'oscillations du poids au crochet WOH, par exemple sur l'intervalle [0, 101 Hz, divisée par la vitesse de rotation instantanée moyenne en surface, Rwob étant une fonction de l'écart-type du signal de poids sur l'outil WOB estimé par le modèle longitudinal réduit à partir de la mesure du signal de poids au crochet WOH, divisé par le poids sur l'outil moyen WOB, défini à partir du poids apparent de la garniture et du poids au crochet moyen, et on détermine la dangerosité du comportement longitudinal dudit outil de io forage à partir desdites valeurs de Rf et Rwob. On peut comparer Rf avec un intervalle dont les bornes sont déterminées telles qu'il ne peut pas y avoir de comportement longitudinal dangereux de l'outil si Rf n'est pas compris dans ledit intervalle. Rf peut être compris dans l'intervalle, et on quantifie la dangerosité du comportement longitudinal de l'outil de forage en fonction des valeurs de Rwob. * fwooH Rf peut être tel que R f = ot oÀ fWOH, exprimée en Hertz, est la fréquence principale d'oscillations du WOH sur l'intervalle [0, 10] Hz et RPMo est la vitesse de rotation instantanée moyenne en surface, exprimée en tours/min. Les bornes de l'intervalle peuvent être 0,95 et 0,99. Dans la méthode, on peut avoir: R Swvob Rwob - Sob avec: Swob est l'écart-type du signal de poids sur l'outil WOB estimé à partir de celui du signal de poids au crochet WOH et du modèle longitudinal réduit; et WOBo est le poids sur l'outil moyen, défini à partir du poids apparent de la garniture et du poids au crochet moyen. On peut déterminer que, pour Rwob inférieur à 0,6, il n'y a pas de danger, et que pour Rwob compris entre 0,6 et 0,8, il y a un danger 0 moyen, et pour Rwob supérieur à 0,8, il y a danger extrême. L'invention concerne également un système d'estimation du comportement longitudinal effectif d'un outil de forage fixé à l'extrémité d'une garniture de forage entrainée en rotation dans un puits par des moyens d'entraînement situés en surface, dans lequel une installation de i5 calcul comporte des moyens de modélisation physique du processus de forage fondé sur des équations générales de la mécanique, des paramètres des moyens de modélisation sont identifiés en prenant en compte les paramètres du puits et de la garniture, l'installation de calcul comporte des moyens de réduction du modèle afin de ne conserver que certains des o20 modes propres de la matrice d'état dudit modèle. Le système comprend des moyens de calcul, en temps réel, d'au moins deux valeurs Rf et Rwob, Rf étant une fonction de la fréquence principale d'oscillations du poids au crochet WOH, par exemple sur l'intervalle [0, 10] Hz, divisée par la vitesse de rotation instantanée moyenne en surface, Rwob étant une fonction de l'écart-type du signal de poids sur l'outil WOB estimé par le modèle longitudinal réduit à partir de la mesure du signal de poids au crochet WOH, divisé par le poids sur l'outil moyen WOB, défini à partir du poids apparent de la garniture et du poids au crochet moyen. Le système comporte des moyens d'alarme de la dangerosité du comportement longitudinal de l'outil de forage à partir des valeurs de Rf et Rwob. La méthode et le système peuvent être appliqués à la détermination de la dangerosité du dysfonctionnement de saut de l'outil de forage (bit-bouncing). La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description d'un exemple, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement les moyens mis en oeuvre pour une opération de forage, - la figure 2 représente un exemple de diagramme d'un modèle physique en traction-compression, - la figure 3 décrit le diagramme de génération des alarmes. La figure 1 illustre un appareil de forage sur lequel on mettra en oeuvre l'invention. L'installation de surface comprend un appareil de levage i comprenant une tour de levage 2, un treuil 3 qui permettent le déplacement d'un crochet de forage 4. Sous le crochet de forage sont suspendus des moyens d'entraînement 5 en rotation de l'ensemble de la garniture de forage 6 placée dans le puits 7. Ces moyens d'entraînement peuvent être du type tige d'entraînement ou kelly accouplée à une table de rotation 8 et les motorisations mécaniques, ou du type tête d'entraînement motorisée ou "power swivel" suspendue directement au crochet et guidée longitudinalement dans la tour. La garniture de forage 6 est constituée conventionnellement par des tiges de forage 10, d'une partie 11 appelée couramment BHA pour "Bottom Hole Assembly" comportant principalement des masses-tiges, un outil de forage 12 en contact avec le terrain en cours de forage. Le puits 7 est rempli d'un fluide, dit de forage, qui circule de la surface au fond par le canal intérieur de la garniture de forage et remonte en surface par l'espace annulaire entre les parois du puits et la garniture de forage. Pour la mise en oeuvre de l'invention, on intercale un raccord instrumenté 13 entre les moyens d'entraînement et le sommet de la garniture. Ce raccord permet de mesurer la vitesse de rotation (RPM), la force de tension (WOH) et les vibrations longitudinales du sommet de la garniture, et accessoirement le couple. Ces mesures, dites de surface, sont transmises par câble ou radio vers une installation électronique d'enregistrement, de traitement, d'affichage, non représentée ici. A la place du raccord 13, on pourra utiliser d'autres capteurs tels un tachymètre sur la table de rotation pour mesurer la vitesse de rotation, une mesure de tension sur le brin mort du mouflage et éventuellement un appareil de mesure du couple sur l'appareil de motorisation, si la précision des mesures ainsi obtenues est suffisante. La partie 11 de la BHA peut plus précisément comporter, des masses-tiges, des stabilisateurs, et un second raccord instrumenté 14 qui ne sera utilisé que pour contrôler expérimentalement la présente invention en permettant la comparaison entre le déplacement de l'outil de forage 12 effectivement mesuré par le raccord instrumenté 14 et le déplacement détecté grâce à la mise en oeuvre de la présente invention. Il est donc clair que l'application de la présente invention n'utilise pas de 2o raccord instrument placé au fond du puits. Le foreur qui conduit une opération de forage avec les appareils décrits sur la figure 1 a trois actions possibles, qui sont donc les variables de commande possibles permettant la conduite, le poids sur l'outil qui est réglé par le treuil lequel contrôle la position du crochet, la vitesse de rotation de la table de rotation ou équivalent, le débit de fluide de forage injecté. Pour illustrer un exemple de la présente invention, on utilisera un modèle du système mécanique composé des éléments technologiques suivants: - un appareil de forage comprenant une installation de levage, - un ensemble d'entraînement: organe de régulation et motorisation, - un ensemble de tiges, - un ensemble de masses-tiges, - un outil de forage. Le modèle décrit traitera le train de tiges comme un élément monodimensionnel vertical. Les déplacements en translation verticale seront considérés, les déplacements latéraux étant négligés. La figure 2 représente le schéma-bloc du modèle de traction- compression. C'est un modèle classique aux différences finies qui comporte plusieurs mailles représentées par les blocs 20. Chaque maille I0 représente une partie du train de tiges, tiges de forage et masses- tiges. Il s'agit de triplets masse-ressort-amortissement figurés par les schémas référencés 21, 22, 23. Chaque bloc est muni de deux entrées et sorties représentées par les couples de flèches 24 et 25 qui représentent les tensions d'entrées et de sorties et les vitesses de déplacement vertical d'entrées et de sorties. Cette représentation montre la manière de connecter numériquement plusieurs tiges (ou mailles) comme on connecte physiquement les tiges de la garniture. Le bloc 26 représente l'appareil de forage. C'est un ensemble de lo masses, de ressorts et de frottements. Le bloc 27 représente l'outil dans son comportement longitudinal. L'objet principal de l'invention est de fournir un système d'alarmes dédiée au bit-bouncing, en utilisant uniquement les signaux disponibles en surface: vitesse de rotation de la garniture (RPM) et poids au crochet (WOH). Cette alarme détecte les oscillations longitudinales de l'outil, et en donne l'ampleur. L'application comprend la construction d'un modèle capable de reproduire le comportement longitudinal de l'ensemble des éléments de forage. Le modèle, classique est obtenu à partir de l'équation fondamentale de la dynamique et de l'expression des différentes forces, dont en particulier, celle traduisant la raideur du ressort de l'élément. La force de frottement est une force proportionnelle à la vitesse de déplacement de l'élément. Ce modèle comporte deux parties: l'appareil de forage (rig) d'une part, la garniture et l'outil d'autre part. Ces deux parties sont donc composées d'éléments {masse-ressort-frottement} liés les uns aux autres par un transfert de puissance sous forme de forces et de vitesses longitudinales. Ces équations, exprimées ici dans le domaine continu, sont discrétisée aux différences finies pour chaque élément. Ces différents éléments sont identifiés à partir des données géométriques de chantier: composition de la garniture, type d'appareil de o forage, densité de la boue, inclinaison du puits, etc. Le modèle ainsi constitué est écrit sous la forme d'équations d'états {X = AX + BU Y=CX + DU avec: X = le vecteur d'états du modèle (déplacements et vitesses longitudinales de tous les éléments du modèle); A, B, C, D = les matrices d'état, de commande, d'observation et directe du modèle; U = le vecteur des entrées du modèle. Dans le cas présent, le modèle n'a qu'une seule entrée, le poids sur l'outil WOB; Y = vecteur des sorties du modèle, le poids au crochet WOH pour cette application. Après mise sous forme d'équations d'états, on réduit le modèle pour ne garder que les informations pertinentes qu'il contient, vis-à-vis du dysfonctionnement de saut de l'outil sur le fond, appelé "bit-bouncing". Plus précisément, on ne garde que les 5 premiers modes oscillants du système, qui sont ceux dont les fréquences associées correspondent à la gamme de fréquences de la vitesse de rotation de surface usuellement utilisée en forage avec un outil tricône (environ 50 à 200 tours/min). Ce modèle réduit est capable de donner une approximation des caractéristiques du signal de WOB à partir des mesures de poids au crochet (WOH). On traduit les équations d'états réduites sous forme d'une fonction de transfert H entre entrée WOB et sortie WOH du modèle. Pour toute fréquence f appartenant au domaine balayé par le modèle réduit, on a: 13Hf = H)(1) Pour obtenir une estimation du comportement de l'outil à partir du modèle réduit, deux critères entrent en jeu M d'une part un critère fréquentiel, M d'autre part un critère d'amplitude. a) Critère fréquentiel: dans le cadre d'un forage avec un outil du type tricône, il n'y a possibilité d'obtenir le dysfonctionnement de "bit- bouncing" que dans le cas o un coefficient Rf exprimant le rapport entre la fréquence principale d'oscillations du poids au crochet (WOH) et la vitesse de rotation (RPM) de la garniture en surface est comprise entre deux bornes: * fwoH Rf RPMo ou: * fWOH, exprimée en Hertz, est la fréquence principale o0 d'oscillations du WOH sur l'intervalle [0, 10] Hz. * RPMo est la vitesse de rotation instantanée moyenne en surface, exprimée en tours/min. Le critère fréquentiel s'exprime par: 0,95 fréquences n'est donc pas strictement égal à 3, mais légèrement inférieur. C'est ce qu'expriment les valeurs de ces deux bornes: 0,95 et 0,99. Il est important de noter que leurs valeurs sont données en théorie, mais que, dans la pratique, ces deux bornes peuvent être soumises à des coefficients de pondération dépendant notamment de la qualité des capteurs utilisés pour mesurer la vitesse de rotation RPM et 0 le poids au crochet WOH. De fait, plus ces capteurs seront imprécis, et plus l'intervalle dans lequel se situe Rf en présence de bit-bouncing sera large, car il devra inclure ce degré d'imprécision des mesures. b) Critère d'amplitude: On peut caractériser l'amplitude des mouvements de l'outil en fond de puits en déterminant un rapport entre i la moyenne du poids sur l'outil (WOBo) et son écart-type (SWOBO). En effet, pour un poids sur l'outil moyen donné, l'écart-type calculé sur une certaine fenêtre temporelle permet de quantifier si les oscillations du signal autour de sa moyenne sont dangereuses ou non, c'est à dire devront être signalées ou non. Ainsi, on définit Rwob tel que: Swvob Rvob - o o: - Swob est l'écart-type du signal de poids sur l'outil WOB estimé à partir de celui du signal de poids au crochet WOH et du modèle longitudinal réduit; - WOBo est le poids sur l'outil moyen, défini à partir du poids apparent de la garniture et du poids au crochet moyen. Le schéma de la figure 3 montre de quelle manière les deux 1o valeurs de rapport Rf et Rwob sont utilisées pour générer un ensemble d'alarmes sur le dysfonctionnement de type "bit-bouncing". On calcule la fréquence principale d'oscillations du poids au crochet, fWOH, à partir d'une FFT sur une fenêtre temporelle dont la largeur dépend directement de la fréquence d'acquisition du signal de poids au crochet. On calcule également la vitesse moyenne instantanée de rotation RPMo, qui est la vitesse moyenne de rotation donnée à intervalle de temps régulier à partir des mesures comprises dans une certaine fenêtre temporelle. On calcule conjointement l'écart-type SWOH et la moyenne instantanés du poids au crochet WOHo. Ces deux grandeurs sont calculées sur une fenêtre glissante correspondant à un certain laps de temps (par exemple 3 secondes). Ce laps de temps est déterminé en fonction de la fréquence d'acquisition du signal de poids au crochet WOH. Le calcul de l'estimation de la moyenne du poids sur l'outil WOB, est directement issu de la différence entre le poids au crochet et le poids apparent de la garniture de forage. L'estimation de l'écart-type SWOB du poids sur l'outil est donnée par l'expression suivante SWOH SWOB = (fwo) H(fWOH) On calcule ensuite simultanément et en temps réel les deux rapports Rf et Rwob. On compare Rf aux deux bornes délimitant l'intervalle "à risques" du dysfonctionnement du type "bit-bouncing". s5 Si Rf n'est pas dans cet intervalle, il ne peut y avoir bit- bouncing, l'alarme indique le feu vert (référence 28). Sinon, par exemple, Rf est compris entre 0,95 et 0,99, il y a risque de "bit-bouncing". On considère alors le second critère Rwob. Si Rwob est faible (ici, par exemple, inférieur à 0,6), cela signifie que les oscillations de WOB autour de sa moyenne sont faibles. Donc il y un risque potentiel de "bit-bouncing", mais celui-ci n'apparaît pas réellement, ou n'est pas observable, le feu reste au vert (28). Si Rwob est moyen (par exemple compris entre 0,6 et 0,8) alors, le feu devient orange (référence 29), car il y a vraisemblablement du "bit- bouncing, mais encore de force moyenne. L'outil ne rebondit pas encore mais le poids sur l'outil présente des oscillations longitudinales déjà importantes, et à une fréquence dangereuse. Enfin, si Rwob est fort, il y a vraisemblablement du "bit- bouncing" d'ampleur importante. L'alarme est au feu est rouge (référence ). On pourrait, sans sortir du cadre de la présente invention, non pas limiter la graduation du dysfonctionnement sur la base de trois couleurs, mais associer une couleur à chaque degré de sévérité des oscillations (par exemple tous les 0,1 points pour Rwob ce qui éviterait d'avoir à choisir des seuils "fatidiques,", tels que 0.6 et 0.8). Le modèle physique est validé en utilisant des données enregistrées sur chantier à l'aide des raccords instrumentés de fond et de surface. Le fluide de forage et les parois du puits n'interviennent que dans la mesure o ils génèrent un couple résistant de friction. Par expérience, et en utilisant les mesures de fond et de surface, on pourra établir une loi de friction le long des tiges linéaire en fonction de vitesse de rotation et de la vitesse longitudinale. La méthode de réduction employée est la méthode des perturbations singulières. Elle consiste à garder de la matrice d'état et de la matrice de commande, les lignes et les colonnes correspondant aux modes à garder. Pour conserver les gains statiques, les modes rapides o sont remplacés par leur valeur statique, ce qui a pour conséquence d'introduire une matrice directe. La méthode suppose que les modes rapides prennent leur équilibre en un temps négligeable, c'est-à-dire qu'ils s'établissent instantanément (hypothèse quasi-statique). La présente invention est avantageusement mise en oeuvre sur un chantier de forage afin d'avoir une détection aussi précise que possible de la dangerosité du déplacement vertical de l'outil de forage en temps réel, et cela à partir des seules mesures de surface, notamment les fluctuations de l'accélération longitudinale et la vitesse de rotation des moyens conventionnels de mise en rotation de la garniture de forage, et d'une installation de surface équipée de moyens électroniques et informatiques. Il est très intéressant de prévenir les dysfonctionnements connus, par exemple le comportement dit "bit bouncing" caractérisé par un saut et un décollement de l'outil du front de taille bien que la tête du train de tiges reste sensiblement fixe et qu'une force de compression importante soit appliquée à l'outil. Ce dysfonctionnement peut avoir pour conséquences des effets néfastes sur la durée de vie des outils, sur l'augmentation de la fatigue mécanique du train de tiges et la fréquence des ruptures des connexions. REVENDICATIONS 1) Méthode d'estimation du comportement longitudinal effectif d'un outil de forage (12) fixé à l'extrémité d'une garniture de forage et entraîné en rotation dans un puits (7) par des moyens d'entraînement situés en surface, dans laquelle on utilise un modèle physique du processus de forage fondé sur des équations générales de la mécanique et 1o dans laquelle on effectue les étapes suivantes: - on détermine les paramètres dudit modèle en prenant en compte les paramètres caractéristiques dudit puits et de ladite garniture, - on réduit ledit modèle en ne conservant que certains des modes propres de la matrice d'état dudit modèle, caractérisée en ce que l'on calcule, en temps réel, au moins deux valeurs Rf et Rwob, Rf étant une fonction de la fréquence principale d'oscillations du poids au crochet WOH divisée par la vitesse de rotation instantanée moyenne en surface, Rwob étant une fonction de l'écart-type du signal de poids sur l'outil WOB estimé par le modèle longitudinal réduit à partir de la mesure du signal de poids au crochet WOH, divisé par le poids sur l'outil moyen WOBo défini à partir du poids apparent de la garniture et du poids au crochet moyen, et en ce que l'on détermine la dangerosité du comportement longitudinal dudit outil de forage à partir desdites valeurs de Rf et Rwob. 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on compare Rf avec un intervalle dont les bornes sont déterminées telles qu'il ne peut pas y avoir de comportement longitudinal dangereux de l'outil si Rf n'est pas compris dans ledit intervalle. 3) Méthode selon la revendication 2, dans laquelle Rf est compris o0 dans ledit intervalle, et en ce que l'on quantifie la dangerosité du comportement longitudinal de l'outil de forage en fonction des valeurs de Rwob. 4) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans * fWOH laquelle R f = RPM o: fWOH, exprimée en Hertz, est la laquelleRf = PM o fréquence principale d'oscillations du WOH sur l'intervalle [0, 10] Hz et RPMo est la vitesse de rotation instantanée moyenne en surface, exprimée en tours/min. 5) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdites bornes dudit intervalle sont 0,95 et 0,99. 6) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle Swvob Rwob - - avec: Swob est l'écart-type du signal de poids sur l'outil WOB estimé à partir de celui du signal de poids au crochet WOH et du modèle longitudinal réduit; et WOBo est le poids sur l'outil moyen, défini à partir du poids apparent de la garniture et du poids au crochet moyen. 7) Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on détermine que, pour Rwob inférieur à 0,6, il n'y a pas de danger, et que pour Rwob compris entre 0,6 et 0,8 il y a un danger moyen, et pour Rwob supérieur à 0,8 il y a danger extrême. 8) Système d'estimation du comportement longitudinal effectif d'un outil de forage fixé à l'extrémité d'une garniture de forage entraînée en rotation dans un puits par des moyens d'entraînement situés en surface, dans lequel une installation de calcul comporte des moyens de modélisation physique du processus de forage fondé sur des équations générales de la mécanique, en ce que des paramètres desdits moyens de modélisation sont identifiés en prenant en compte les paramètres dudit puits et de ladite garniture, en ce que l'installation de calcul comporte des moyens de réduction dudit modèle afin de ne conserver que certains des modes propres de la matrice d'état dudit modèle, caractérisée en ce que ledit système comprend des moyens de calcul, en temps réel, d'au moins deux valeurs Rf et Rwob, Rf étant une fonction de la fréquence principale d'oscillations du poids au crochet WOH divisée par la vitesse de rotation instantanée moyenne en surface, Rwob étant une fonction de l'écart-type du signal de poids sur l'outil WOB estimé par le modèle longitudinal 0 réduit à partir de la mesure du signal de poids au crochet WOH, divisé par le poids sur l'outil moyen WOBo défini à partir du poids apparent de la garniture et du poids au crochet moyen, et en ce que ledit système comporte des moyens d'alarme de la dangerosité du comportement longitudinal dudit outil de forage à partir desdites valeurs de Rf et Rwob. 9) Application de la méthode et du système selon l'une des revendications précédentes, à la détermination de la dangerosité du dysfonctionnement de saut de l'outil de forage.