EP0500877B1 - Procede de conduite d'un forage - Google Patents

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EP0500877B1
EP0500877B1 EP91916050A EP91916050A EP0500877B1 EP 0500877 B1 EP0500877 B1 EP 0500877B1 EP 91916050 A EP91916050 A EP 91916050A EP 91916050 A EP91916050 A EP 91916050A EP 0500877 B1 EP0500877 B1 EP 0500877B1
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drill
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EP91916050A
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Henry Henneuse
Jean Sancho
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Elf Exploration Production SAS
Original Assignee
Societe National Elf Aquitaine
Societe Nationale Elf Aquitaine Production SA
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00—Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00—Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
    • E21B44/005—Below-ground automatic control systems

Definitions

  • the present invention relates to a method of conducting a borehole.
  • the drill string motor When drilling an oil well, the drill string motor, which is mounted to the surface, rotates at a constant speed of about 50-150 rpm. However, the friction produced between the drilling tool and the bottom of the well, or between the rods and the wall of the well, can cause slowing down or even periodic stops of the tool. Since, during this time, the motor continues to rotate at one end of the drill string, the latter tends to twist around its longitudinal axis until the force exerted is greater than the friction effect braking the tool. At this time, the drill string relaxes and the tool starts to rotate again, reaching peak rotational speeds of the order of 150 to 400 revolutions / minute. As wells often follow opposite paths, contact between the lining and the wall of the well occurs quite frequently.
  • the behavior of the tool has a significant effect on the progress of the drilling.
  • the master driller be informed of the periodic instability of the tool's rotation speed so that he can modify the drilling parameters - engine rotation speed, weight applied to the tool or the mud flow rate. - and thus ensure optimal drilling.
  • the present invention therefore relates to a method of conducting a borehole which makes it possible to provide a user, in a simple manner, with data on the state of rotation of the rod.
  • Document US-E-28,436 describes a method of conducting a borehole in which the torque applied by the motor for rotating the drill pipe is measured and in which a user is informed if the torque exceeds a threshold predetermined.
  • This process does not make it possible to signal to a user the presence, the absence or the possible presence periodic instabilities in rotation of the drill pipe so that this user can modify the drilling parameters as a function of the behavior of the drill pipe.
  • a drilling assembly comprises a mast 10 provided, in a manner known per se, with a hook 12 to which is suspended a drill string, generally represented at 14.
  • the drill string 14 comprises a tool drill 16, drill rods 18 and drill rods 20 forming an assembly called drill string.
  • the drill string 14 is rotated by a rotation table 22. Any other device can be used.
  • the rotation table 22 is provided with a rotation speed sensor 24 and a torque sensor 26 applied to the drill string 14.
  • This step is represented in FIG. 2 by:
  • the next step of the process is carried out in which the period P of the variation in the torque is calculated. Then we are led to check if this period P is constant for a predetermined number of cycles.
  • the theoretical period P th is a characteristic of the packing used. It is calculated from the natural modes of vibration in torsion of the lining. As there are several eigen modes of vibration, it follows that there are several values for P th which one can call P th,; P th2 , We therefore proceed to a comparison of the current P value with each of the predetermined theoretical values in order to see if the value P is in a range between 0.8 and 1.2 times the value of one of the theoretical values P th , If the value P is within such a range it can be deduced therefrom that there are periodic instabilities of rotational speed.
  • the system allows this fact to be reported to the master driller so that he can act and modify one or more drilling parameters.
  • the value P is not within such a range there is uncertainty regarding the behavior of the drill string.
  • the system allows this uncertain situation to be reported to the master driller so that he can modify the drilling parameters if necessary.
  • This step has two parts: calculating the percentage of tool downtime and calculating the maximum tool rotation speed.
  • The% tar tool downtime percentage is defined by the formula
  • the recovery time time during which the engine runs and the tool stopped, is the time necessary for the engine to overcome the friction between the lining and the well.
  • This time is equal to 60 x DN VR avg where DN is the number of turns of packing necessary to overcome friction. and VR avg is the average speed of rotation of the tool.
  • the propagation time is given by the expression
  • the present invention makes it possible to signal to the master-driller, in a simple manner, the presence or absence of rotational speed instabilities.
  • a set of indicators analogous to conventional lights intended to regulate road traffic, is used.
  • Any other signaling means for example auditory or graphic, can be used.
  • a green light indicates to the master driller that he can maintain the parameters of the drilling, an orange light leaves him the choice to modify the parameters, taking into account the uncertain diagnosis, and the red light indicates to him that we must act actively.
  • FIGS. 3A and 3B are two pairs of curves, at a different time scale, of the variation of the torque C and of the speed of rotation of the tool VR over time.
  • the measurements were carried out by a recording device placed at the bottom of the well. These measurements make it possible to visualize the relationship between the torque and the speed of rotation and to confirm that this relationship corresponds to the hypotheses on which the method according to the present invention is based.
  • Figure 4 shows in more detail the variation of the torque and the rotation speed.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un procédé de conduite d'un forage.
  • Lors du forage d'un puits pétrolier le moteur du train de tiges, qui est monté à la surface, tourne à une vitesse constante d'environ 50-150 tours/minute. Cependant, la friction produite entre l'outil de forage et le fond du puits, ou entre les tiges et la paroi du puits, peut provoquer des ralentissements voire même des arrêts périodiques de l'outil. Comme, pendant ce temps, le moteur continue à tourner à une extrémité du train de tiges, ce dernier a tendance à se tordre autour de son axe longitudinal jusqu'à ce que la force exercée soit supérieure à l'effet de friction freinant l'outil. A ce moment là, le train de tiges se détend et l'outil se remet à tourner pouvant atteindre des vitesses de rotation de pointe de l'ordre de 150 à 400 tours/minute. Comme les puits suivent souvent des trajets contrariés, le contact entre la garniture et la paroi du puits se produit assez fréquemment.
  • Il est évident que le comportement de l'outil a un effet important sur l'avancement du forage. Ainsi, il est souhaitable que le maître foreur soit averti des instabilités périodiques de vitesse de rotation de l'outil afin qu'il puisse modifier les paramètres du forage - vitesse de rotation du moteur, poids appliqué sur l'outil ou le débit de boue - et ainsi assurer une foration optimale.
  • La présente invention a donc pour objet un procédé de conduite d'un forage qui permette de fournir à un utilisateur, de façon simple, des données sur l'état de rotation de la tige.
  • Le document US-E-28,436 décrit un procédé de conduite d'un forage dans lequel on mesure le couple appliqué par le moteur d'entraînement en rotation de la tige de forage et dans lequel on signale à un utilisateur si le couple dépasse un seuil prédéterminé.
  • Ce procédé ne permet pas de signaler à un utilisateur la présence, l'absence ou la présence éventuelle d'instabilités périodiques en rotation de la tige de forage afin que cet utilisateur puisse modifier les paramètres de forages en fonction du comportement de la tige de forage.
  • L'invention propose un procédé de conduite d'un forage lors duquel un outil est mis en rotation dans un puits par une tige de forage, le procédé étant destiné à détecter et à signaler la présence d'instabilités périodiques en rotation de la tige de forage et comporte les étapes suivantes :
    • mesure de la vitesse de rotation de l'extrémité supérieure de la tige de façon continue ;
    • mesure en continu du couple appliqué à cette extrémité supérieure de la tige, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes additionnelles suivantes :
    • recherche de la variation du couple ;
    • détermination de la période de variation du couple, si l'amplitude de cette variation dépasse un seuil prédéterminé ;
    • vérification de la stabilité de cette période ;
    • comparaison, si cette période est stable, de la dite période avec au moins une période théorique prédéterminée, la période théorique prédéterminée étant une caractéristique de la tige de forage calculée à partir des modes propres de vibration en torsion de la garniture ;
    • signalisation des résultats obtenus à un utilisateur afin de pouvoir contrôler le forage, de manière que :
    • si l'amplitude de la variation du couple ne dépasse pas le seuil prédéterminé, on signale à l'utilisateur que les paramètres du forage peuvent être maintenus ;
    • si la période n'est pas stable ou si la période stable ne correspond pas à une période théorique prédéterminée, on signale cette condition à l'utilisateur afin de lui permettre de modifier les paramètres du forage ; et
    • si la période est stable et correspond à une période théorique prédéterminée, on signale la présence d'instabilités en rotation à l'utilisateur afin qu'il puisse agir activement et modifier les paramètres du forage.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un ensemble de forage ;
    • la figure 2 est un logigramme de certaines étapes du procédé de l'invention ; et
    • les figures 3A, 3B et 4 montrent chacune des paires de courbes de couple et de vitesse de rotation.
  • Comme représenté sur la figure 1, un ensemble de forage comprend un mât 10 muni, de façon connue en soi, d'un crochet 12 auquel est suspendu un train de tiges, représenté généralement en 14. Le train de tiges 14 comprend un outil de forage 16, des masse-tiges 18 et des tiges de forage 20 formant un ensemble appelé garniture de forage. Dans l'exemple illustré le train de tiges 14 est mis en rotation par une table de rotation 22. Toute autre dispositif peut être utilisé. La table de rotation 22 est munie d'un capteur 24 de vitesse de rotation et d'un capteur 26 de couple appliqué au train de tiges 14.
  • A partir des données représentant la vitesse de rotation et le couple, on peut procéder, selon l'invention, à une détection des instabilités de rotation périodiques.
  • Pour ce faire, il faut procéder aux étapes suivantes :
       - Recherche de la variation du couple :
  • Afin de voir si les variations de couple sont importantes pendant une période de temps donnée, on détermine la différence entre le couple maximum et le couple minimum et on divise ce résultat par le couple moyen. Si le résultat de ce calcul est supérieur à 10% on peut supposer qu'il y a des instabilités périodiques de vitesse de rotation de la garniture.
  • Cette étape est représentée sur la figure 2 par :
    Figure imgb0001
  • Un résultat inférieur à 10% implique une faible variation de couple qui permet d'en déduire qu'il n'y a pas d'instabilité de vitesse de rotation de la garniture. Dans ce cas le procédé permet de signaler au maître-foreur qu'il peut maintenir les paramètres de forage.
       - Calcul de la période P :
  • Si la variation du couple est importante, on procède à l'étape suivante du procédé dans laquelle on calcule la période P de la variation du couple. Ensuite on est amené à vérifier si cette période P est constante pour un nombre prédéterminé de cycles.
  • S'il s'avère que la période P n'est pas constante on ne peut pas déduire qu'il y a, ou qu'il n'y a pas, d'instabilités de vitesse de rotation. Cependant, comme il y a des variations importantes du couple le procédé permet de signaler cette situation au maître-foreur afin qu'il puisse le cas échéant modifier les paramètres de forage.
  • Si la période P est constante on peut passer à l'étape suivante :
       - Comparaison de la période P avec une période théorique :
       La période théorique Pth est une caractéristique de la garniture utilisée. Elle est calculée à partir des modes propres de vibration en torsion de la garniture. Comme il y a plusieurs modes propres de vibration, il s'en suit qu'il y a plusieurs valeurs pour Pth que l'on peut appeler Pth,; Pth2 ,
       On procède, donc, à une comparaison de la valeur P actuelle avec chacune des valeur théoriques prédéterminées afin de voir si la valeur P se trouve dans une plage comprise entre 0,8 et 1,2 fois la valeur de l'une des valeurs théoriques Pth,
       Si la valeur P se trouve dans une telle plage on peut en déduire qu'il y a des instabilités périodiques de vitesse de rotation. Le système permet de signaler ce fait au maître-foreur afin qu'il puisse agir et modifier un ou plusieurs paramètres de forage. En revanche, si la valeur P ne se trouve pas dans une telle plage il y a incertitude concernant le comportement du train de tiges. Cependant le système permet de signaler cette situation incertaine au maître-foreur afin qu'il puisse modifier les paramètres du forage le cas échéant.
  • Ensuite il convient de procéder à une dernière étape:
       - la caractérisation du phénomène.
  • Cette étape comporte deux parties : le calcul du pourcentage de temps d'arrêt de l'outil et le calcul de la vitesse de rotation maximum de l'outil.
  • Le pourcentage de temps d'arrêt de l'outil %tar est défini par la formule
    Figure imgb0002
  • Le temps de récupération, temps pendant lequel le moteur tourne et l'outil arrêté, est le temps nécesaire au moteur pour vaincre les frottements entre la garniture et le puits.
  • Ce temps est égal à 60 x DN VR moy
    Figure imgb0003
       où DN est le nombre de tours de garniture nécessaire pour vaincre les frottements.
       et VRmoy est la vitesse de rotation moyenne de l'outil.
  • Le temps de propagation est donné par l'expression
    Figure imgb0004
  • La vitesse de rotation maximum de l'outil VRmax
    Figure imgb0005
       où j est un coefficient de profil qui est, par exemple 1,7 pour le premier mode de vibration.
  • Comme représenté sur la Figure 2, la présente invention permet de signaler au maître-foreur, de manière simple, la présence ou l'absence d'instabilités de vitesse de rotation. Dans l'exemple illustré un ensemble de voyants, analogue aux feux classiques destinés à régler la circulation routière, est utilisé. Tout autre moyen de signalisation, par exemple auditif ou graphique, peut être utilisé.
  • Dans l'exemple illustré, un voyant vert indique au maître-foreur qu'il peut maintenir les paramètres du forage, un voyant orange lui laisse le choix de modifier les paramètres, compte tenu du diagnostic incertain, et le voyant rouge lui indique qu'il faut agir activement.
  • Les figures 3A et 3B sont deux paires de courbes, à une échelle de temps différente, de la variation du couple C et de la vitesse de rotation de l'outil VR avec le temps. Les mesures ont été effectuées par un dispositif d'enregistrement disposé au fond du puits. Ces mesures permettent de visualiser le rapport entre le couple et la vitesse de rotation et de confirmer que ce rapport correspond aux hypothèses sur lesquelles est fondé le procédé selon la présente invention. La figure 4 montre de façon plus détaillée la variation du couple et de la vitesse de rotation.

Claims (1)

  1. Procédé de conduite d'un forage lors duquel un outil est mis en rotation dans un puits par une tige de forage, le procédé étant destiné à détecter et à signaler la présence d'instabilités périodiques en rotation de la tige de forage et comporte les étapes suivantes :
    - mesure de la vitesse de rotation de l'extrémité supérieure de la tige de façon continue ;
    - mesure en continu du couple appliqué à cette extrémité supérieure de la tige, caractérisé en ce que le procédé comporte les étapes additionnelles suivantes :
    - recherche de la variation du couple ;
    - détermination de la période de variation du couple, si l'amplitude de cette variation dépasse un seuil prédéterminé ;
    - vérification de la stabilité de cette période ;
    - comparaison, si cette période est stable, de la dite période avec au moins une période théorique prédéterminée la période théorique prédéterminée étant une caractéristique de la tige de forage calculée à partir des modes propres de vibration en torsion de la garniture ;
    - signalisation des résultats obtenus à un utilisateur afin de pouvoir contrôler le forage, de manière que :
    - si l'amplitude de la variation du couple ne dépasse pas le seuil prédéterminé, on signale à l'utilisateur que les paramètres du forage peuvent être maintenus ;
    - si la période n'est pas stable ou si la période stable ne correspond pas à une période théorique prédéterminée, on signale cette condition à l'utilisateur afin de lui permettre de modifier les paramètres du forage, et
    - si la période est stable et correspond à une période théorique prédéterminée, on signale la présence d'instabilités en rotation à l'utilisateur afin qu'il puisse agir activement et modifier les paramètres du forage.
EP91916050A 1990-09-14 1991-09-12 Procede de conduite d'un forage Expired - Lifetime EP0500877B1 (fr)

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FR9011380A FR2666845B1 (fr) 1990-09-14 1990-09-14 Procede de conduite d'un forage.
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EP0500877A1 EP0500877A1 (fr) 1992-09-02
EP0500877B1 true EP0500877B1 (fr) 1995-02-15

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EP91916050A Expired - Lifetime EP0500877B1 (fr) 1990-09-14 1991-09-12 Procede de conduite d'un forage

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EP (1) EP0500877B1 (fr)
AT (1) ATE118596T1 (fr)
CA (1) CA2072138C (fr)
DE (1) DE69107441T2 (fr)
DK (1) DK0500877T3 (fr)
ES (1) ES2071329T3 (fr)
FR (1) FR2666845B1 (fr)
NO (1) NO308427B1 (fr)
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