Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 2933504 2018-04-12
1
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.
Selon un aspect de la présente invention, celle-ci propose un procédé de
détection d'un
dysfonctionnement lors d'un forage effectué à l'aide d'un trépan en tant
qu'outil de forage, le
procédé comprenant une obtention des variables à partir des mesures effectuées
en surface sur
l'outil de forage, et les étapes suivantes;
a) une première 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,
une
comparaison d'un rapport (E/S) entre la première grandeur et une deuxième
grandeur (S)
représentative d'une force de forage avec une deuxième valeur de seuil
((E/S)max) ;
c) une 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)max).
Des modes de réalisation préférés de l'invention sont décrit ci-dessous.
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 ;
CA 2933504 2018-04-12
la
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 :
CA 02933504 2016-06-10
WO 2015/086777 PCT/EP2014/077456
2
120 * j * 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 e) :
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 :
0 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.
CA 2933504 2018-04-12
3
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 1, 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 :
120 * * RPM * TOB 9,81 *103 * WO8
(1) MSE =
AB ROP A8
où RPM (de l'expression anglaise Revolutions Per Minute) est
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 uvre lors du forage.
Selon le procédé
proposé, E est alors utilisé en tant que première grandeur représentative de
MSE comme un
premier indicateur des ____________________________________________________
CA 02933504 2016-06-10
WO 2015/086777 PCT/EP2014/077456
4
dysfonctionnements survenant lors du forage. Cette première grandeur peut être
obtenue directement selon l'équation suivante :
120 * * RPM *TOB
(2) E= _________________
AB * ROP
qui peut être exprimée différemment en E' :
*
(2') E, =2TOB
a 2
où a est le rayon de l'outil ; et
.5 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 :
WOB
(4) S= ____
a6
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 notes 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, Eniax, et E/S
est
comparé avec une deuxième valeur seuil, (E/S),õax. 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
CA 2933504 2018-04-12
WOB de manière indépendante permet aux deux indicateurs E et E/S de présenter
des
évolutions décorrélées.
En référence à la figure 1, 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 Emax et E/S est
supérieur à (E/S)., 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.
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
ATOB.. 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 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 ATOBrriax 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
variante ATOB peut
être obtenue selon l'équation suivante :
TOBt2¨TOBti
(5) ATOB = _____________
t:2 ¨t1
où t1 et t2 sont deux instants t, par exemple séparés par un intervalle de
10s.
Selon cette variante ATOB ou, TOBti et TOBt2 peuvent être moyennées sur un
intervalle de temps limitant le bruit. En tous les cas selon cette variante,
ATOBina,, peut être
égale à un pourcentage prédéterminé, par exemple 10%.
Lorsque ATOB n'est pas supérieure à ATOBnm, 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
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 ATOB.,,, 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 AWORmax. AWOB correspond à une grandeur
représentative des
fluctuations de WOB sur une période de temps donnée.
CA 2933504 2018-04-12
6
Ainsi selon une première variante, AWOB peut être l'écart type du WOB sur une
période de
10s. Selon cette variante, AWOB.a, 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 AW0Bma, 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 ternies selon cette
variante AWOB peut
être obtenue selon l'équation suivante :
WOBt2¨WOBt1
(6) 614 /OB = ____________
t2
OU t2 et t1 sont deux instants t, par exemple séparés par un intervalle de
10s.
Selon cette variante AWOB ou, WOBti et WOBt2, peuvent être moyennées sur un
intervalle de temps limitant le bruit. En tous les cas selon cette variante,
AW0Bmax 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,,,a,,, le procédé illustré
comprend, à
l'étape 70, la détection de la probabilité de dysfonctionnement du type
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 1,
l'étape 12 de
comparaison de E avec E., 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
dysfonctionnement par la seule observation de E. Ainsi lorsque E n'est pas
supérieur à Eni., 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.
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 ________________________
CA 02933504 2016-06-10
WO 2015/086777 PCT/EP2014/077456
7
étapes 18 et 40 montrent que E/S est compris entre (E/S)11,1,1 et (E/S)õ,aõ,
(E/S)min
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),õin, après la comparaison à l'étape 18 de E/S et (E/S)113 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)õ. 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
SPPõ..
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
CA 02933504 2016-06-10
WO 2015/086777 PCT/EP2014/077456
8
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 Elli.,
Emin,
(E/S)max, ATOBma,,, AW0Bmax, (E/S)mm, SPPmax, 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
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
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
signifiant "supérieur ou égal" et "inférieur ou égal", respectivement.
