Brevet FR2842245A1 — publié le 20040116

La présente invention se rapporte au domaine des opérations de forage dans lesquelles on utilise des tiges, ou tubulaires, pour relier et/ou entraîner un outil de forage en rotation à partir de la surface du sol. Ces tubulaires sont soumis à des efforts mécaniques en dynamique qui génèrent de la fatigue. La durée de vie des tubulaires est donc directement liée aux modes de sollicitations, aux niveaux de contraintes et à la fatigue accumulée. Le développement de puits complexes, ou à long déport, rend de plus en plus sévère les conditions d'utilisation des tiges de forage. Ces nouvelles architectures de puits, mais aussi les dysfonctionnements vibratoires, peuvent générer des ruptures prématurées de la garniture de forage. La plupart des ruptures qui ne sont pas encore parfaitement prévisibles sont essentiellement des ruptures de fatigue au sens large du terme (fatigue, fatigue corrosion,...). Lorsque la tige de forage est en rotation dans un "dog-leg", c'est-à-dire un coude aigu de la trajectoire du puits foré, la sollicitation mécanique est typiquement un effort de flexion cyclique (effort généralement très inférieur à la limite élastique de l'acier constitutif des tiges de forage), superposée à un effort axial quasi-constant (traction ou compression). Une gestion rigoureuse des matériels tubulaires de forage est nécessaire afin de mieux maîtriser ces phénomènes de rupture et à terme de pouvoir fortement les limiter. Cette gestion passe notamment par des moyens d'identification et de suivi le plus précis possible de l'historique du chargement de chaque de tige de forage. L'invention s'applique aussi aux autres tubulaires utilisés pour des opérations de forage, par exemple les forages en offshore o l'on utilise des éléments tubulaires pour constituer une colonne prolongateur à travers la tranche d'eau, communément appelée "riser" dans la profession. Ces éléments de riser sont soumis à des sollicitations cycliques importantes dues notamment aux conditions maritimes, vagues, houles, courants,..., ce qui génèrent de la fatigue comme pour les tiges de forage. Ainsi, l'invention concerne une méthode de gestion de la fatigue d'un tubulaire utilisé pour le forage comportant des moyens d'identification individuels, la fatigue résultant d'un travail effectué par le tubulaire en cours d'opérations de forage. Selon l'invention, on effectue les étapes suivantes: - on détermine le travail effectué par le tubulaire par identification du début de la descente du tubulaire pour opérer le forage et de la fin de sa remontée, le facteur temps (durée) étant pris en compte pour chaque configuration géométrique, - on calcule un paramètre fonction du dommage de fatigue du tubulaire à la suite du travail effectué, 3 2842245 - on inscrit dans les moyens d'identification individuels du tubulaire la valeur du paramètre de façon à obtenir un indicateur de fatigue cumulée pour ledit tubulaire. On peut calculer le paramètre en prenant en compte au moins: l'architecture du forage, les caractéristiques du tubulaire, les sollicitations appliquées au tubulaire. Les sollicitations prennent en compte les paramètres de forage dans leur ensemble, c'est-à-dire notamment les efforts mécaniques sur l'outil, les frottements, la nature des fluides en contact avec les tubulaires, la température, etc... Un programme de calcul aux éléments finis peut être utilisé pour déterminer les contraintes subies par le tubulaire pendant le travail effectué. L'indicateur de fatigue cumulée peut déclencher une alarme lorsqu'il atteint un seuil déterminé. Un ordinateur central peut effectuer le calcul et la mémorisation du paramètre, et commander l'actualisation de l'indicateur de fatigue du tubulaire. L'ordinateur peut être éloigné du lieu des opération de forage et effectuer le calcul et la mémorisation dudit paramètre, et commander l'actualisation de l'indicateur de fatigue du tubulaire via une transmission, par exemple de type Internet, ou autre mode de transmission. L'invention concerne aussi un système de gestion de la fatigue d'un tubulaire comportant des moyens d'identification individuels. Il comprend: - au moins un dispositif de lecture/écriture des moyens d'identification individuels, 4 2842245 - un ordinateur central comprenant au moins une base de données des caractéristiques du tubulaire, une base de données sur l'opération générant la fatigue, des moyens de collecte des sollicitations appliquées au tubulaire, des moyens de calcul d'un dommage de fatigue, des moyens de commande de l'écriture dans lesdits moyens d'identification d'un paramètre correspondant à un dommage de fatigue du tubulaire. Le dispositif peut être placé de façon à ce que le tubulaire passe devant le capteur au début et à la fin de l'opération générant la fatigue. Le système peut comporter un outil de lecture/écriture portable adapté à la vérification du dommage de fatigue du tubulaire. La méthode peut s'appliquer avantageusement à des tiges de forage. La méthode peut aussi s'appliquer à des éléments de tube prolongateur de type "riser" de forage offshore. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement une installation de forage dans laquelle la méthode et le système selon l'invention sont mis en oeuvre; - la figure 2 montre un organigramme de la méthode selon l'invention. La figure 1 montre une installation de forage constituée d'un appareil de forage 2 comprenant une tour de levage 3 posée sur une substructure 4. Un puits 5 est en cours de forage à l'aide d'un outil de forage 6 fixé au bout d'un train de masses-tiges 7 entraîné en rotation, et manoeuvré par un train de tiges de forage 8 lui aussi en rotation. Ce train de tiges se termine à la surface par une tige d'entraînement 9 comportant des moyens de suspension 10 à la tour de levage 3. Le forage 5 est partiellement tubé dans sa partie supérieure 11, laquelle supporte l'ensemble de la tête de puits 12 placé dans la substructure 4, sous le plancher de forage 13. Un dispositif de lecture/écriture 14 est placé sous le plancher de façon à ne pas interférer avec les manoeuvres de plancher. Ce dispositif de lecture/écriture 14 est relié à une unité de contrôle et de commande 15, soit par des conducteurs 16, soit par radio ou tout autre système de communication. L'unité de contrôle et de commande 15 comprend des moyens d'introduction, manuels ou automatiques, de paramètres pertinents permettant entre autre un suivi rigoureux de la durée de vie de chaque tubulaire de forage. Ainsi, en intégrant les paramètres de localisation de l'outil, la trajectoire de l'outil et la géométrie résultante du puits, les paramètres de forage et les caractéristiques géométriques et mécaniques du train de tiges, on peut évaluer, ou déterminer, les efforts subits par chacune des tiges en cours d'opération. L'unité 15 peut également comprendre des moyens de calcul du "dommage" subit par chaque tige, des moyens de mémorisation de ces dommages, des moyens de commande d'écriture de ces "dommages" sur chaque tige. L'unité comporte également des moyens d'alerte lorsqu'une tige a atteint une durée de vie seuil que l'on a déterminée comme étant dangereuse pour la poursuite de son utilisation. Sur la figure 1, on a illustré une tige 17 sur un "rack" de stockage qui est inspecté par un opérateur 18 équipé d'un contrôleur 19 (outil de lecture/écriture portable) du "dommage" inscrit sur les moyens d'identification fixés sur chaque tige. Les moyens d'identification fixés sur chaque tige, non détaillés ici, consistent en une puce électronique, des moyens électroniques pour recevoir et mémoriser, transmettre des informations, par l'intermédiaire des moyens de lecture/écriture 14, ou d'un contrôleur 19 (outil de lecture/écriture portable). L'écriture et la lecture d'information sur cette étiquette électronique peuvent se faire automatiquement sans contact notamment à l'aide d'un système utilisant des ondes électromagnétiques. Cette puce électronique est un moyen pour stocker sur chaque tige de forage des informations pertinentes comme par exemple un numéro d'identification unique et un capital de points représentant la durée de vie restante pour le tubulaire en question. Toute autre information pertinente peut évidemment y être aussi stockée. La puce électronique est protégée de l'environnement agressif du forage (par exemple pression, température, boue de forage et effluents corrosifs) . La lecture et l'écriture se font de préférence automatiquement sous le plancher de forage lors du passage des tiges. L'application aux éléments de riser de forage n'est pas illustrée, mais il est clair que tout tubulaire (tige de forage, élément de riser,...) qui peut être équipé de moyens d'identification 20, et qui passe devant les moyens de lecture/écriture 14, peut être le sujet de la méthode selon l'invention. La figure 2 montre un exemple d'organisation de la méthodologie selon l'invention. L'élément 21 représente schématiquement les moyens de lecture/écriture sur les tubulaires, par exemple de forage, équipés d'une puce électronique. La référence 22 désigne le déplacement d'une tige de forage dans les sens descente dans le puits, pour forage ou manoeuvre. La référence 23 désigne la remontée de cette même tige. La référence 24 désigne le travail effectué OPE par la tige entre ses deux passages devant le dispositif de lecture/écriture 21. Ce travail provoque une fatigue qui consomme une certaine durée de vie du tubulaire. L'identification 25 de la tige démarre un programme d'acquisition et/ou de calcul dans l'unité centrale UC. Le code d'identification de la tige lu automatiquement permet à l'unité centrale de rechercher dans une base de données IDP toutes les informations des caractéristiques géométriques et des matériaux nécessaires au calcul d'évaluation de la durée de vie de la tige. Pour effectuer cette évaluation, le projet de forage WP est introduit dans l'unité centrale et les paramètres de forage DP sont suivis en temps réel pour pouvoir affecter à la tige reconnue un dommage de fatigue correspondant. Compte tenu de ces données, un dommage D de fatigue est calculé pour chaque tubulaire ayant passé un certain temps dans le puits de forage de configuration déterminée et dans une position donnée dans la garniture. Le calcul du dommage peut se faire avec un programme de calcul aux éléments finis, technique connue de l'homme du métier. On simule le comportement de l'ensemble de la garniture de forage en place dans le puits afin d'extraire les contraintes moyennes et alternées pour chaque tubulaire. Un dommage de fatigue est alors calculé à partir des contraintes pour chaque tubulaire par une méthode de cumul adaptée. De plus, un calcul dynamique peut permettre de modéliser les dysfonctionnements de type vibratoire. Un post-traitement adapté permet également de prendre en compte certains phénomènes conduisant à la rupture tels que le "heat-checking " (frottement à la paroi des tiges de forage qui entraîne une transformation thermique de l'acier). Ces phénomènes enregistrés par l'unité UC peuvent corriger le niveau du dommage réellement subit par la tige. Dans le cas des éléments de riser, ce sont les conditions de vent, courant, houles, enregistrées qui déterminent un dommage de fatigue en combinaison avec les efforts dus aux charges extérieures. Pour chaque géométrie de puits et de garniture, on calcule le dommage de fatigue correspondant au niveau de sollicitation donné. Conventionnellement, le dommage de fatigue est une fraction de durée de vie consommée due à une charge cyclique. Ce dommage cumulé peut être déterminé en utilisant, par exemple, la méthode de Palmgren-Miner qui fait la somme des fractions de durée de vie consommée, ou dommage, pour chaque sollicitation de la structure à des niveaux de contraintes différents. Le dommage cumulé qui en résulte vaut donc conventionnellement 1 lorsque la durée de vie est atteinte. 9 2842245 Lors de la remontée de la tige, événement qui délimite l'opération et le temps passé dans le puits, ce dommage de fatigue est alors décrémenté du capital représentant la durée de vie du tubulaire. Ce capital a une valeur de % quand la tige de forage est neuve. Il tend vers 0% à la fin de la vie du tubulaire. Les résultats d'inspections périodiques peuvent également décrémenter ce capital. Si les calculs sont faits en temps réel, l'incrémentation du dommage de la tige peut se faire à son passage 26 en remontée. Si les calculs ne sont pas réalisés en temps réel, l'incrémentation peut se faire à un passage ultérieur, l'unité centrale UC ayant stocké tout l'historique de la tige entre deux incrémentations. Un système 27 d'alarme peut être prévu pour prévenir les opérateurs de forage de l'état de fatigue d'une ou de plusieurs tiges. Il est clair que la méthode selon l'invention peut être entièrement automatisée, dans la mesure o chaque passage des moyens d'identification individuels déclenche automatiquement la procédure. L'ordinateur central peut être automatiquement connecté à des moyens d'acquisition des données opérationnelles qui interviennent pour le calcul du paramètre lié à un dommage, ou un opérateur peut introduire les données, ou corrections, nécessaires. REVENDICATIONS 1) Méthode de gestion de la fatigue d'un tubulaire (8) utilisé pour le forage comportant des moyens d'identification individuels (20), ladite fatigue résultant d'un travail effectué par ledit tubulaire en cours d'opérations de forage, caractérisée en ce que l'on effectue les étapes suivantes: - on détermine le travail effectué par ledit tubulaire par identification du début de la descente du tubulaire pour opérer le forage et de la fin de sa remontée, - on calcule un paramètre fonction du dommage de fatigue du tubulaire à la suite du travail effectué, - on inscrit dans les moyens d'identification individuels du tubulaire la valeur dudit paramètre de façon à obtenir un indicateur de fatigue cumulée pour ledit tubulaire. 2) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle on calcule ledit paramètre en prenant en compte au moins: l'architecture du forage (WP), les caractéristiques du tubulaire (IDP), les sollicitations appliquées au tubulaire (DP). 3) Méthode selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle un programme de calcul aux éléments finis est utilisé pour déterminer les contraintes subies par le tubulaire pendant le travail effectué. 4) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle l'indicateur de fatigue cumulée déclenche une alarme (27) lorsqu'il atteint un seuil déterminé. ) Méthode selon la revendication 1, dans laquelle un ordinateur central (UC) effectue le calcul et la mémorisation dudit paramètre, et commande l'actualisation de l'indicateur de fatigue du tubulaire. 6) Méthode selon la revendication 5, dans laquelle ledit ordinateur est éloigné du lieu des opération de forage et effectue le calcul et la mémorisation dudit paramètre, et commande l'actualisation de l'indicateur de fatigue du tubulaire via une transmission, par exemple de type Internet. 7) Système de gestion de la fatigue d'un tubulaire comportant des moyens d'identification individuels, caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins un dispositif de lecture/écriture (14) des moyens d'identification individuels (20), - un ordinateur central (UC) comprenant au moins une base de données des caractéristiques du tubulaire, une base de données sur l'opération générant la fatigue, des moyens de collecte des sollicitations appliquées au tubulaire, des moyens de calcul d'un dommage de fatigue, des moyens de commande de l'écriture dans lesdits moyens d'identification d'un paramètre correspondant à un dommage de fatigue du tubulaire. 12 2842245 8) Système selon la revendication 7, dans lequel ledit dispositif est placé de façon à ce que le tubulaire passe devant le capteur au début et à la fin de l'opération générant la fatigue. 9) Système selon l'une des revendications 7 ou 8, qui comporte un outil de lecture/écriture portable (19) adapté à la vérification du dommage de fatigue du tubulaire. ) Application de la méthode selon l'une des revendications 1 à 6, à des 1o tiges de forage (8, 17). 11) Application de la méthode selon l'une des revendications 1 à 6, à des éléments de tube prolongateur de type "riser" de forage offshore.