Brevet FR3014939A1 — publié le 20150619

Procédé de détection d'un dysfonctionnement en forage La présente invention concerne un procédé de détection, à l'aide de deux indicateurs, d'un dysfonctionnement lors d'un forage. Dans le domaine du forage, en particulier dans le domaine du forage pétrolier, il est connu de procéder à une analyse des dysfonctionnements d'un forage par l'analyse de l'énergie spécifique mécanique mise en oeuvre lors du forage. Toutefois la précision de telles analyses connues n'apparaît pas satisfaisante. En particulier, ces analyses connues ne permettent pas de différencier entre le passage de l'outil de forage d'une formation plus tendre à une formation plus dure et la présence d'un réel dysfonctionnement lors du forage. Par ailleurs, lorsqu'un dysfonctionnement réel ou non est identifié à l'aide de ces analyses connues, la précision de ces analyses est insuffisante pour permettre de déterminer quel est le type de dysfonctionnement que rencontre le forage. Il existe donc un besoin pour un procédé plus précis de détection d'un dysfonctionnement en forage. Pour cela, l'invention propose un procédé de détection d'un dysfonctionnement lors d'un forage effectué à l'aide d'un trépan, le procédé comprenant : a) la comparaison d'une première grandeur représentative de l'énergie spécifique mécanique avec une première valeur de seuil ; b) lorsque la première grandeur est supérieure à la première valeur de seuil, la comparaison du rapport entre la première grandeur et une deuxième grandeur représentative de la force de forage avec une deuxième valeur de seuil ; c) la détection d'un dysfonctionnement du forage lorsque le rapport entre la première grandeur et la deuxième grandeur est supérieure à la deuxième valeur de seuil. Selon une variante, avant les étapes a) et b), le procédé comprend la fourniture d'une estimation d'au moins une des variables suivantes : - le taux de pénétration du trépan ; - le poids appliqué au trépan ; et - le couple appliqué au trépan ; la première grandeur étant calculée à partir du couple appliqué au trépan et du taux de pénétration du trépan ; et la deuxième grandeur étant calculée à partir du poids appliqué au trépan et du taux de pénétration du trépan. Selon une variante, la première grandeur est obtenue par l'équation suivante : R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôtdocx - 12/12/13 - 16:12 - 1/12 120 * n- * RPM *TOB E= AB * ROP où RPM est le nombre de tours par minute du trépan ; TOB est le couple appliqué au trépan ; ROP est le taux de pénétration du trépan ; AB est la surface du trou de forage. Selon une variante, l'estimation du couple appliqué au trépan est obtenue indépendamment du poids appliqué au trépan. Selon une variante, les comparaisons avec les première et deuxième valeurs de seuilmax) sont effectuées en temps réel. Selon une variante, le procédé comprend, à la suite de l'étape c) : d) la détermination d'un dysfonctionnement du type en vibration latérale du trépan lorsque les variations du couple appliqué au trépan sont inférieures à une troisième valeur de seuil. Selon une variante, le procédé comprend, à la suite de l'étape d) : el) la détermination d'un dysfonctionnement du type en vibration axiale du trépan lorsque les variations du poids appliqué au trépan sont supérieures à une quatrième valeur de seuil. Selon une variante, le procédé comprend, à la suite de l'étape d) : e2) la détermination d'un dysfonctionnement du type vibration en torsion du trépan lorsque les variations du poids appliqué au trépan sont inférieures à la quatrième valeur de seuil. Selon une variante, le procédé comprend, à la suite de l'étape b), lorsque le rapport entre la première grandeur et la deuxième grandeur est inférieure à la deuxième valeur de seuil : f) la comparaison du rapport entre la première grandeur et la deuxième grandeur avec une cinquième valeur de seuil ; g) la détection d'un dysfonctionnement lorsque le rapport entre la première grandeur et deuxième grandeur est inférieure à la cinquième valeur de seuil. Selon une variante, le procédé comprend, à la suite de l'étape g) : hl) la détermination d'un dysfonctionnement du type en bourrage du trépan lorsque après nettoyage du trépan le rapport entre la première grandeur et la deuxième grandeur est supérieure à la cinquième valeur de seuil. Selon une variante, le procédé comprend, à la suite de l'étape g) : h2) la détermination d'un dysfonctionnement du type en usure du trépan lorsque après nettoyage du trépan le rapport entre la première grandeur et la deuxième grandeur reste inférieure à la cinquième valeur de seuil. R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôt dee', - 12/12/13 - 16:12 - 2/12 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en référence au dessin qui montre : - figure unique, un diagramme d'un mode de réalisation d'un procédé de détection de dysfonctionnement en forage. L'invention se rapporte à un procédé de détection d'un dysfonctionnement lors d'un forage. Le domaine d'application de ce procédé comprend en particulier le domaine des forages pétroliers, et tout autre type de forage permettant l'exploitation ou l'exploration du sous-sol. La détection de dysfonctionnement est effectuée sur un forage à l'aide d'un trépan en tant qu'outil de forage. Différentes variables sont susceptibles d'être obtenues à partir des mesures effectuées sur l'outil de forage, et en particulier de mesures effectuées en surface. L'énergie spécifique mécanique mise en oeuvre lors du forage (également désignée en anglais par l'expression Mechanical Specific Energy, abrégée en MSE) fait notamment partie des variables prises en compte par le procédé proposé de détection d'un dysfonctionnement. L'énergie spécifique mécanique peut s'exprimer à l'aide de l'équation suivante : (1) MSE =120 * * RPM *TOB 9,81 * 103 * WOB AB * ROP AB où RPM (de l'expression anglaise Revolutions Per Minute) est le nombre de tours par minute du trépan, également désigné par l'expression « RPM fond » ; TOB (de l'expression anglaise Torque On Bit) est le couple appliqué au trépan en N.m; WOB (de l'expression anglaise Weight On Bit) est le poids appliqué au trépan en tonnes ; ROP (de l'expression anglaise Rate Of Penetration) est le taux de pénétration du trépan dans le sol en m/h ; et AB est la surface du trou de forage en mm2. Le premier terme, ci-après "E", de l'équation (1) est lié au couple appliqué à l'outil alors que le deuxième terme est lié au poids appliqué à l'outil. Dans cette équation (1), le deuxième terme ne contribue que de quelques pourcents à l'énergie MSE ainsi calculée. E seul est ainsi représentatif de l'énergie MSE mise en oeuvre lors du forage. Selon le procédé proposé, E est alors utilisé en tant que première grandeur représentative de MSE comme un premier indicateur des R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôt dee', - 12/12/13 - 16:12 - 3/12 dysfonctionnements survenant lors du forage. Cette première grandeur peut être obtenue directement selon l'équation suivante : (2) E = 120 * n- * RPM *TOB AB * ROP qui peut être exprimée différemment en E' : (2') E' = 2 * TOB a28 où a est le rayon de l'outil ; et S est la profondeur de passe, calculée selon : (3) *ROP/(60*RPM) . Dans la suite de ce document, les conventions E et E' sont utilisées indifféremment. Parmi les autres variables susceptibles d'être obtenues lors du forage, le procédé proposé comprend l'utilisation d'une deuxième grandeur représentative de la force de forage (également désignée en anglais par l'expression Drilling strength). La deuxième grandeur peut notamment être égale à la force de forage, ci-après "S", selon l'équation suivante : (4) S = ct8 Cette deuxième grandeur est utilisée dans le procédé de détection pour la détermination d'un deuxième indicateur égal au rapport entre la première grandeur et la deuxième grandeur. De manière alternative, d'autres formules que les équations (2), (2'), (3) et (4) peuvent être utilisées pour obtenir une estimation de la première grandeur représentative de l'énergie mécanique spécifique et une estimation de la deuxième grandeur représentative de la force de forage. En tous les cas, il est préféré que la première grandeur soit calculée à partir de TOB et ROP et que la deuxième grandeur soit calculée à partir de WOB et ROP. Dans la suite de ce document, la première grandeur et la deuxième grandeur sont respectivement assimilées à E et S, les deux indicateurs étant alors notés E et E/S, respectivement. Selon le procédé proposé, les évolutions de ces deux indicateurs sont comparées avec des valeurs de seuils pour détecter la présence d'un dysfonctionnement. E est comparé avec une première valeur seuil, E., et E/S est comparé avec une deuxième valeur seuil, (E/S).. Pour une meilleure détermination des dysfonctionnements, TOB et WOB, utilisés pour l'estimation de E et E/S, sont obtenus de manière indépendante. En d'autres termes, l'obtention de TOB et de R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôt dee', - 12/12/13 - 16:12 - 4/12 WOB 3 0 1493 9 5 WOB de manière indépendante permet aux deux indicateurs E et E/S de présenter des évolutions décorrélées. En référence à la figure unique, les comparaisons 12 et 18 peuvent être facilitées par l'étape préalable 10 de traçage de E et de E/S en fonction du temps. 5 Lorsque après comparaisons, E est supérieur à Entax et E/S est supérieur à (E/S)ma', le procédé comprend la détection, à l'étape 60, d'un dysfonctionnement du forage. Ce dysfonctionnement correspond à la présence de vibrations sur le trépan. Toutefois à cette étape 60, le type de dysfonctionnement n'est pas encore complétement déterminé. 10 Le procédé illustré comprend la comparaison, à l'étape 62, des variations du TOB, variations ci-après notées ATOB, avec une troisième valeur de seuil, ci-après ATOBmaX. ATOB correspond à une grandeur représentative des fluctuations de TOB sur une période de temps donnée. Ainsi selon une première variante, ATOB peut être l'écart type du TOB sur une période de 10s. Selon cette variante, ATOBmaX peut être 15 égale à 10% de la valeur moyenne du TOB sur cette même période de 10s. Selon une autre formulation équivalente, ATOB est l'écart type du TOB sur la moyenne du TOB sur une période de lOs et ATOBmaX est égale à 10%. Selon une seconde variante, ATOB peut être égale au taux d'accroissement de TOB sur une période donnée, par exemple 10s. En d'autres termes selon cette 20 variante ATOB peut être obtenue selon l'équation suivante : TOBt2 -TOBti (5) ATOB = t2 - où t2 et ti sont deux instants t, par exemple séparés par un intervalle de 10s. Selon cette variante ATOB ou, TOBti et TOB 2, peuvent être moyennées sur un intervalle de temps limitant le bruit. En tous les cas selon cette variante, ATOBmaX 25 peut être égale à un pourcentage prédéterminé, par exemple 10%. Lorsque ATOB n'est pas supérieure à ATOBmax, le procédé illustré comprend, à l'étape 64, la détection de la probabilité de dysfonctionnement du type en vibration latérale du trépan (dysfonctionnement également désigné par l'expression anglaise Bit Whirl). Par ailleurs, le dysfonctionnement du type en vibration latérale peut aussi 30 être déterminé lors de détection de mouvements chaotiques d'un train de tiges de forage du trépan (train aussi désigné par l'expression anglaise du type drill string). Lorsque ATOB est supérieure à ATOBmaX, le procédé comprend une nouvelle étape 66 de comparaison des variations du WOB, variations ci-après notées AWOB, avec une quatrième valeur de seuil, ci-après AWOBmaX. AWOB correspond à une grandeur représentative des fluctuations de WOB sur une période de temps donnée. R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôt dee', - 12/12/13 - 16:12 - 5/12 Ainsi selon une première variante, AWOB peut être l'écart type du WOB sur une période de 10s. Selon cette variante, AWOBuraz peut être égale à 10% de la valeur moyenne du WOB sur cette même période de 10s. Selon une autre formulation équivalente, AWOB est l'écart type du WOB sur la moyenne du WOB sur une période de lOs et AWOB.' est égale à 10%. Selon une seconde variante, AWOB peut être égale au taux d'accroissement de WOB sur une période donnée, par exemple 10s. En d'autres termes selon cette variante AWOB peut être obtenue selon l'équation suivante : WOBt2-WOBti t2 - t1 où t2 et ti sont deux instants t, par exemple séparés par un intervalle de 10s. Selon cette variante AWOB ou, WOBti et WOB 2, peuvent être moyennées sur un intervalle de temps limitant le bruit. En tous les cas selon cette variante, AWOBmax peut être égale à un pourcentage prédéterminé, par exemple 10%. Dans le cas où AWOB est supérieure à AWOB., le procédé illustré comprend la détection, à l'étape 68, de la probabilité de dysfonctionnement du type en vibration axiale du trépan (dysfonctionnement également désigné par l'expression anglaise Bit Bouncing). Dans le cas où AWOB n'est pas supérieure à AWOB',, le procédé illustré comprend, à l'étape 70, la détection de la probabilité de dysfonctionnement du type 20 vibration en torsion du trépan (dysfonctionnement également désigné par l'expression anglaise Stick Slip). Conformément au mode de réalisation du procédé illustré par la figure unique, l'étape 12 de comparaison de E avec Emax peut précéder l'étape 18 de comparaison de E/S avec (E/S).. En effet, il est possible de détecter la probabilité d'une absence de 25 dysfonctionnement par la seule observation de E. Ainsi lorsque E n'est pas supérieur à Entax, le procédé comprend une étape 14 de comparaison de E avec une valeur de seuil minimale Emin. Dans le cas où E est inférieur à Emin, cette comparaison permet de détecter, à l'étape 16, la probabilité d'un passage du trépan dans une formation du sol plus tendre, caractérisant ainsi l'absence de dysfonctionnement du trépan. 30 En revanche, la seule observation de E/S peut ne pas suffire à exclure la présence d'un dysfonctionnement en cours de forage. Selon le procédé illustré, la détection, à l'étape 42, de la probabilité d'un passage du trépan dans une formation du sol plus dure, caractérisant aussi l'absence de dysfonctionnement du trépan, est possible lorsque, après comparaison de E à l'étape 12, les comparaisons de E/S aux R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôt dee', - 12/12/13 - 16:12 - 6/12 (6) AWOB = étapes 18 et 40 montrent que E/S est compris entre (E/S)min et (E/S)., (E/S)m n correspondant à une cinquième valeur de seuil. Ainsi, dans un but de détection d'absence de dysfonctionnement, le procédé de détection est plus rapide lorsque l'étape 12 de comparaison de E précède l'étape 18 de comparaison de E/S. Toutefois, selon une alternative l'ordre des étapes 12 et 18 peut être inversé ou encore les étapes 12 et 18 peuvent être effectuées de manière simultanée. Dans le cas où la comparaison à l'étape 40 montre que E/S est inférieure à (E/S)''n, après la comparaison à l'étape 18 de E/S et (E/S)m selon le procédé illustré, le procédé comprend une étape 44 de détection d'un dysfonctionnement. Dans un tel cas de détection d'un dysfonctionnement le type de dysfonctionnement détecté peut être soit du type en bourrage du trépan soit du type en usure du trépan. Le procédé comprend alors l'étape 46 pour essayer de déterminer si E/S reste irréversiblement inférieur à (E/S) n. Lorsque la détection du dysfonctionnement à l'étape 44 est irréversible, le procédé détecte, à l'étape 48 la probabilité d'un dysfonctionnement du type en usure du trépan. Lorsque la détection du dysfonctionnement à l'étape 44 est réversible, le procédé détecte, à l'étape 50 la probabilité d'un dysfonctionnement du type en bourrage du trépan. La détermination de la réversibilité ou de l'irréversibilité à l'étape 46 peut être effectuée après la tentative de nettoyage du trépan, par exemple par relèvement de quelques mètres du trépan avec une rotation rapide pour le nettoyer. Par ailleurs, le procédé peut aussi comprendre la détection de la probabilité d'un dysfonctionnement du type en bourrage du trépan, lorsque la pression utilisée des boues de forage est supérieure à une valeur de seuil. En référence à la figure, cette détection est permise par la comparaison à l'étape 52 de la pression des boues, notée SPP (abrégée de l'expression anglaise Stand Pipe Pressure) avec une valeur de seuil notée SPP.. Les estimations des indicateurs E, E/S, mais aussi de WOB, TOB et SPP et leur comparaison avec leur valeur de seuil respective peuvent avantageusement être effectuées en temps réel, lors du déroulement des opérations de forage. Dans ce document, on entend notamment par l'utilisation de l'expression "en temps réel", la réalisation d'une action selon une fréquence donnée égale ou proportionnelle à la fréquence des mesures effectuées en cours de forage. Les actions en temps réel correspondent par exemple à des actions effectuées à une fréquence supérieure à 0,1 Hz et de préférence supérieure à 1 Hz. Les estimations de E et E/S en temps réel sont effectuées sur la base de l'obtention de RPM, WOB, TOB et ROP en temps réel. Les comparaisons en temps réel des indicateurs de dysfonctionnement E, E/S mais aussi de WOB, TOB et SPP avec les valeurs seuils permettent d'obtenir une détection du dysfonctionnement du R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôt dee', - 12/12/13 - 16:12 - 7/12 trépan au moment même où ce dysfonctionnement survient lors de l'utilisation du trépan. Une telle détection en temps réel assure la possibilité de prise de contremesures lors de l'opération de forage, par action sur les paramètres de forage ou par décision de remonter le trépan. Ces réactions peuvent limiter l'endommagement du trépan ou permettre l'optimisation du ROP du trépan dans le sol. Par ailleurs, la détermination du type de dysfonctionnement en temps réel permet en particulier de diagnostiquer si le dysfonctionnement du trépan est réversible ou irréversible. La détermination fine de la réversibilité permise par le procédé proposé permet alors d'éviter des manoeuvres inutiles de changement du trépan qui peuvent prendre jusqu'à 24H. Les dysfonctionnements réversibles sont en particulier l'ensemble des dysfonctionnements en vibration et le dysfonctionnement du type en bourrage de l'outil. Les différentes valeurs de seuil évoquées ci-dessus, dont notamment Emax, Emin, 15 (E/S)',, ATOB',, AWOBIIX, (E/S)m, SPP',, peuvent être fixées à partir de résultats de forage précédents, et/ou à partir des caractéristiques du trépan, et/ou à partir des diagraphies des formations connues du sol à forer.. Les variables RPM, WOB, TOB, SPP et ROP peuvent être obtenues à l'aide de mesures en surface permettant ainsi la détermination des dysfonctionnements du 20 trépan malgré l'absence de mesures au fond du trou foré. Toutefois, lorsqu'elles sont disponibles des mesures au fond en temps réelles peuvent être utilisées, par exemple pour WOB, TOB ou RPM. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses 25 variantes accessibles à l'homme de l'art. En particulier, en alternative pour tous les modes de réalisation précédents, les déterminations des franchissements de seuils peuvent être effectuées à l'aide d'inégalités larges, c'est-à-dire non stricte. Ainsi selon ces alternatives, les termes "supérieur" et "inférieur" précédemment utilisés peuvent être compris comme 30 signifiant "supérieur ou égal" et "inférieur ou égal", respectivement. R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôt dee', - 12/12/13 - 16:12 - 8/12 REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'un dysfonctionnement lors d'un forage effectué à l'aide d'un trépan, le procédé comprenant : a) la comparaison d'une première grandeur (E) représentative de l'énergie spécifique mécanique (MSE) avec une première valeur de seuil (Emax) ; b) lorsque la première grandeur est supérieure à la première valeur de seuil, la comparaison du rapport (E/S) entre la première grandeur et une deuxième grandeur (S) représentative de la force de forage avec une deuxième valeur de seuil ((E/S).) ; c) la détection d'un dysfonctionnement du forage lorsque le rapport (E/S) entre la première grandeur (E) et la deuxième grandeur (S) est supérieure à la deuxième valeur de seuil ((E/S).). 2. Procédé de détection selon la revendication 1, comprenant, avant les étapes a) et b), la fourniture d'une estimation d'au moins une des variables suivantes : - le taux de pénétration du trépan (ROP) ; - le poids appliqué au trépan (WOB) ; et - le couple appliqué au trépan (TOB) ; la première grandeur étant calculée à partir du couple appliqué au trépan (TOB) et du taux de pénétration du trépan (ROP) ; et la deuxième grandeur étant calculée à partir du poids appliqué au trépan 20 (WOB) et du taux de pénétration du trépan (ROP). 3. Procédé de détection selon la revendication 2, dans lequel la première grandeur (E) est obtenue par l'équation suivante : 120 * n- * RPM *TOB E= AB * ROP où RPM est le nombre de tours par minute du trépan ; TOB est le couple appliqué au trépan ; 25 ROP est le taux de pénétration du trépan ; AB est la surface du trou de forage. 4. Procédé de détection selon la revendication 2 ou 3, dans lequel l'estimation du couple appliqué au trépan (TOB) est obtenue indépendamment du poids appliqué au trépan (WOB). R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôt dee', - 12/12/13 - 16:12 - 9/12 5. Procédé de détection selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les comparaisons avec les première et deuxième valeurs de seuil (Ema', (E/S).) sont effectuées en temps réel. 6. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, comprenant, à la suite de l'étape c) : d) la détermination d'un dysfonctionnement du type en vibration latérale du trépan lorsque les variations du couple appliqué au trépan (ATOB) sont inférieures à une troisième valeur de seuil (ATOBmax). 7. Procédé de détection selon la revendication 6, comprenant, à la suite de l'étape d) : el) la détermination d'un dysfonctionnement du type en vibration axiale du trépan lorsque les variations du poids appliqué au trépan (AWOB) sont supérieures à une quatrième valeur de seuil (AW0Bmax). 8. Procédé de détection selon la revendication 6 ou 7, comprenant, à la suite de l'étape d) : e2) la détermination d'un dysfonctionnement du type vibration en torsion du trépan lorsque les variations du poids appliqué au trépan (AWOB) sont inférieures à la quatrième valeur de seuil (AWOB max). 9. Procédé de détection selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant, à la suite de l'étape b), lorsque le rapport (E/S) entre la première grandeur (E) et la deuxième grandeur (S) est inférieure à la deuxième valeur de seuil ((E/S)max) : f) la comparaison du rapport (E/S) entre la première grandeur (E) et la deuxième grandeur (S) avec une cinquième valeur de seuil ((E/S)min) ; g) la détection d'un dysfonctionnement lorsque le rapport (E/S) entre la première grandeur (E) et deuxième grandeur (S) est inférieure à la cinquième valeur de seuil ((E/S)m). 10. Procédé de détection selon la revendication 9, comprenant, à la suite de l'étape g) hl) la détermination d'un dysfonctionnement du type en bourrage du trépan lorsque après nettoyage du trépan le rapport (E/S) entre la première grandeur (E) et la deuxième grandeur (S) est supérieure à la cinquième valeur de seuil ((E/S)min). R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôtdocx - 12/12/13 - 16:12 - 10/12 11. Procédé de détection selon la revendication 9, comprenant, à la suite de l'étape g) : h2) la détermination d'un dysfonctionnement du type en usure du trépan lorsque après nettoyage du trépan le rapport (E/S) entre la première grandeur (E) et la deuxième grandeur (S) reste inférieure à la cinquième valeur de seuil ((E/S)..). R:\34400\34402 SNP\34402--131212-texte de dépôtdocx - 12/12/13 - 16:12 - 11/12