EP0657620A1

EP0657620A1 - Méthode et système de contrôle de "stick-slip" d'un outil de forage

Info

Publication number: EP0657620A1
Application number: EP94402698A
Authority: EP
Inventors: Didier Pavone
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1993-12-08
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 1995-06-14
Anticipated expiration: 2014-11-25
Also published as: EP0657620B1; NO944726D0; FR2713700A1; US5507353A; NO306521B1; NO944726L; FR2713700B1

Abstract

La présente invention concerne une méthode et un système adaptés au contrôle du comportement d'un outil de forage. On ajoute un couple résistant supplémentaire (18) au couple à l'outil de forage (17) afin que le couple global (19) à l'outil soit une fonction croissante de la vitesse de rotation de l'outil. Le système selon l'invention comprend des moyens de régulation adaptés à créer un couple résistant supplémentaire à l'outil. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne une méthode et un système adaptés au contrôle d'un dysfonctionnement du comportement d'un outil de forage entraîné en rotation par l'intermédiaire d'une garniture de forage. Ce dysfonctionnement est couramment dénommé "stick-slip".
D'une manière plus générale, la présente invention est applicable au comportement oscillatoire de la vitesse de rotation d'un outil de forage autour d'une vitesse moyenne imposée à la surface.
Le comportement dit "stick-slip" est bien connu des foreurs et se caractérise par des variations très sensibles de la vitesse de rotation de l'outil de forage alors que celui-ci est entraîné par l'intermédiaire d'une garniture de forage mise en rotation à partir de la surface à une vitesse sensiblement constante. La vitesse de l'outil peut varier entre une vitesse pratiquement nulle et une valeur de la vitesse de rotation de l'outil très supérieure à la vitesse appliquée en surface à la garniture. Cela peut notamment avoir pour conséquences des effets néfastes sur la durée de vie des outils de forage, sur l'augmentation de la fatigue mécanique du train de tiges et de la fréquence des ruptures des connexions.
On connaît par l'article "Detection and monitoring of the stick-slip motion : field experiments" de M.P. Dufeyte et H. Henneuse (SPE/IADC 21945 - Drilling Conference, Amsterdam, 11-14 March 1991) une analyse du comportement dit "stick-slip" à partir de mesures effectuées par un dispositif placé à l'extrémité supérieure de la garniture de forage. Dans le cas d'apparition du dysfonctionnement du type stick-slip, ce document recommande soit d'augmenter la vitesse de rotation de la garniture de forage à partir de la table de rotation, soit de diminuer le poids sur l'outil en agissant sur le treuil de forage.
L'article "A study of slip-stick motion of the bit" de Kyllingstad A. et Halsey G.W. (SPE 16659, 62nd Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas, September 27-30, 1987) analyse le comportement d'un outil de forage par l'utilisation d'un modèle pendulaire.
L'article "The Genesis of Bit-Induced Torsional Drillstring Vibrations" par J.F. Brett (SPE/IADC 21943 - Drilling Conference, Amsterdam, 11-14 March 1991) décrit également les vibrations en torsion créées par un outil du type PDC.
La présente invention concerne une méthode de contrôle de la stabilité de la vitesse de rotation d'un outil de forage entraîné en rotation par l'intermédiaire d'une garniture tubulaire mise en rotation à partir de moyens mécaniques de surface, ledit outil étant soumis à un couple réactif dû à l'action de forage d'un puits. Selon la méthode, on crée dans le voisinage de l'outil un couple résistant supplémentaire, fonction de la vitesse de rotation de l'outil et d'une valeur déterminée pour que le couple réactif global à l'outil de forage résultant de l'addition du couple à l'outil et dudit couple supplémentaire soit une fonction croissante de la vitesse de rotation de l'outil.
On peut créer ledit couple résistant supplémentaire par des moyens de frottement solidaires de la garniture dans le voisinage de l'outil.
On peut créer ledit couple résistant supplémentaire par une variation du poids sur l'outil.
Ladite variation de poids sur l'outil peut être fournie par des moyens spécifiques situés dans le voisinage de l'outil et contrôlés par la vitesse de rotation de l'outil de forage.
L'invention concerne également un système de contrôle de la stabilité de la vitesse de rotation d'un outil de forage entraîné en rotation par l'intermédiaire d'une garniture tubulaire mise en rotation à partir de moyens mécaniques de surface, ledit outil étant soumis à un couple réactif dû à l'action de forage d'un puits. Le système comporte des moyens de régulation solidaires de la garniture dans le voisinage de l'outil, lesdits moyens étant adaptés à créer un couple résistant supplémentaire à l'outil, la valeur dudit couple étant fonction de la vitesse de rotation de l'outil.
Lesdits moyens de régulation peuvent comporter des moyens de friction sur les parois du puits.
Lesdits moyens de régulation peuvent comporter des moyens de variation de la force d'application de l'outil sur le fond du puits.
Lesdits moyens de régulation peuvent comporter des moyens de mesure de la vitesse de rotation de l'outil de forage et des moyens de réglage de la valeur du couple résistant supplémentaire en fonction de la vitesse de rotation de l'outil.
L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description d'exemples, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-dessous annexées:

La figure 1 montre un enregistrement de la position angulaire de l'outil en fonction du temps,
La figure 2 schématise un modèle d'étude de représentation mécanique du comportement d'un ensemble de forage,
La figure 3 montre la réponse du modèle à une excitation correspondant à une augmentation de la vitesse de rotation en surface,
La figure 4 montre un exemple de la valeur du couple à un outil PDC en fonction de la vitesse de rotation pour différents poids sur l'outil,
La figure 5 illustre graphiquement l'addition d'un couple supplémentaire à l'outil de forage,
La figure 6 illustre graphiquement la conséquence de l'addition d'un poids sur l'outil en fonction de la vitesse de rotation,
Les figures 7A, 7B et 7C illustrent des réalisations des moyens de régulation de la stabilité du comportement de l'outil de forage.

La figure 1 est un enregistrement de la position angulaire d'un outil de forage lié solidairement à des masses-tiges dans lesquelles sont placés les instruments de mesure. Ces enregistrements on été obtenus, par exemple à l'aide des moyens décrits selon le brevet FR-92/02273. Une telle courbe d'enregistrement est décrite dans l'article "Wired Pipes for a High-Data-Rate MWD System" par J.B. Faÿ, H. Faÿ et A. Couturier (SPE 24971, European Petroleum Conference, Cannes, France, 16-18 November 1992). Les mesures de la vitesse de rotation de l'outil peuvent être préférentiellement obtenues par la dérivation de la courbe 1 représentant l'enregistrement de la position angulaire de l'outil de forage par des ensembles de capteurs magnétiques.
La mesure de la vitesse de rotation de l'outil peut être assimilée à la vitesse de rotation des masses-tiges, car l'ensemble des masses-tiges est très rigide en déformation de torsion. Il n'existe donc pratiquement pas de différence de vitesse entre les moyens de mesure, situés préférentiellement pour des raisons pratiques dans les masses-tiges, et l'outil de forage.
On remarque que la courbe 1 de la figure 1 présente des zones 2 dans lesquelles le déplacement de l'outil est pratiquement nul pendant des durées sensiblement égales à une seconde. De plus, on s'aperçoit en comptant le nombre de cycle par seconde, que la vitesse de rotation peut atteindre la fréquence de 3,2 Hz, alors que la vitesse nominale de la garniture, ici de 90 tours/minute, correspond à une fréquence de 1,5 Hz.
Cette courbe illustrent clairement le dysfonctionnement dit de "stick-slip" où l'outil de forage se bloque sur la formation (vitesse nulle) puis se libère en subissant de fortes accélérations qui conduisent ici à des vitesses supérieures au double de la vitesse de la garniture de forage en surface.
En conséquence d'un tel dysfonctionnement, on a pu constater que la plupart des outils de forage présentaient des usures anormales et des durées de vie raccourcies. De plus, les tiges de forage qui relient les masses-tiges à la surface sont soumises à une déformation de torsion alternée et plus particulièrement les longueurs de tiges immédiatement au-dessus des masses-tiges. La fatigue mécanique y est fortement accusée ce qui impose très souvent un renforcement mécanique de ces tiges ou bien conduit à des ruptures fréquentes.
La figure 2 schématise le modèle mathématique utilisé pour mettre en évidence et analyser le comportement instable de la vitesse de rotation de l'outil de forage. Un outil de forage 5 repose sur le front de taille 8. La garniture de forage est constituée par des masses-tiges 3 et des tiges 4 de caractéristiques mécaniques et dimensionnelles déterminées. Un dispositif de mise en rotation 9 impose une vitesse de rotation à l'ensemble de la garniture. Des frottements sont imposés entre les tiges et les masses-tiges contre les parois du puits. Les équations de frottement pourront être choisies fonction du poids de l'ensemble de la garniture, de la vitesse de rotation à la table 9, du fluide forage, de la géométrie des tiges et masses-tiges respectivement dans les zones 6 et 7, ou de la forme de la trajectoire du puits. On définit également la résistance à la rotation de l'outil 5 sur le front de taille 8 selon une relation du couple en fonction de la vitesse de rotation pour un poids sur l'outil déterminé (figure 4).
La figure 4 montre les courbes représentant la fonction entre le couple de frottement (C) d'un outil de forage et sa vitesse de rotation. Cet exemple a été publié dans l'article SPE 21943 cité plus haut. Les mesures on été effectuées avec un outil PDC usé (outil monobloc comportant des pastilles de coupe en matériau polychrystallin), à poids constant et pour plusieurs valeurs de poids sur l'outil. L'abscisse est graduée en tours/minute et l'ordonnée en ft*lbf, unité de couple qui se convertit en m*daN en multipliant par 0,1356. La courbe 10 a été obtenue pour un poids sur l'outil de 4 tonnes, la courbe 11 pour un poids sur l'outil de 2,7 tonnes et la courbe 12 pour un poids sur l'outil de 1,33 tonnes. On remarque que le couple à l'outil décroît quand la vitesse de rotation augmente. De plus, lorsque le poids sur l'outil diminue, la courbe décroissante s'aplatit.
Cette forme générale de la courbe représentant la relation entre le couple résistant à un outil et la vitesse de rotation s'applique également pour les outils de forage du type tricône. En effet, cette relation entre le couple résistant et la vitesse de glissement est classique, par exemple, on sait que le frottement résultant du roulement d'un pneu d'un véhicule décroît également avec la vitesse de rotation de la roue (System Dynamics-A unified Approach, de Dean Karnopp et Ronald Rosenberg- John Wiley & Sons- Chapter 10-Tires, pages 343-344). Comme pour un tricône, le couple résistant au déplacement d'une roue de véhicule provient des frottements de roulement et du glissement du pneu sur le sol.
La figure 3 montre la réponse du modèle mathématique selon la figure 2 à une sollicitation créée par une variation de la vitesse de rotation appliquée à la garniture de forage par les moyens 9 (figure 2). Les conditions de frottement entre l'outil 5 et le front de taille 8 sont imposées selon une loi découlant des courbes de la figure 4. A l'instant 0, la vitesse est de 110 tours par minute. A l'instant référencé 13, la vitesse de rotation appliquée à la garniture de forage augmente jusqu'à atteindre 120 tours par minute. La courbe 16 représente la vitesse de rotation de l'outil de forage en fonction du temps. Le comportement de l'outil de forage en vitesse de rotation est instable et oscille autour de la valeur de consigne de 120 tours par minute. Pendant la durée référencée 14, la vitesse de rotation de l'outil varie selon des oscillations qui s'amplifient, puis atteignent un maximum d'amplitude selon un comportement stabilisé (15) représentant le dysfonctionnement "stick-slip" dans lequel la vitesse de rotation s'annule avant d'atteindre un maximum très supérieur à la vitesse de consigne.
Le modèle confirme et met en évidence que l'instabilité de la vitesse de rotation d'un outil de forage entraîné en rotation par une garniture de forage, est le résultat du fait que le couple à l'outil décroît en fonction d'une augmentation de la vitesse de rotation.
La présente invention propose d'empêcher l'apparition du dysfonctionnement dit "stick-slip" en rendant le comportement de l'outil de forage stable en vitesse de rotation en agissant sur la cause de l'instabilité.
Pour cela, deux méthodes sont préférentiellement utilisés et illustrés par les figures 5 et 6.
Sur la figure 5, la courbe 17 représente le couple résistant à l'outil de forage dans la fourchette des vitesses de rotation N1 et N2. La courbe 18 représente un couple de friction fournit par des moyens appropriés solidaires de l'outil de forage ou des masses-tiges. En fonctionnement entre les vitesses de rotation N1 et N2, le couple global à l'outil de forage sera la somme du couple à l'outil et du couple supplémentaire. Le couple global est représenté ici par la courbe 19 résultant de l'addition de la courbe 17 avec la courbe 18. Les moyens de friction sont déterminés pour générer une courbe de friction 18 croissante avec la vitesse de rotation. Ainsi, la résistance globale à la rotation, au niveau de l'outil de forage, est représentée par une courbe 19 croissante en fonction de la vitesse.
Dans ces conditions, lorsque la vitesse de rotation de la garniture varie dans l'intervalle N1 et N2, la vitesse de rotation de l'outil oscille autour de la vitesse moyenne de la garniture mais sera convergente vers la vitesse de la garniture. Le dysfonctionnement "stick-slip" n'apparaîtra pas. La simulation par le modèle de la figure 2 confirme la stabilité de la vitesse de l'outil de forage.
Les moyens de friction peuvent nécessiter une mesure de la vitesse de rotation de l'outil de forage pour contrôler, par exemple par des commandes électroniques, la valeur du couple supplémentaire en fonction de la vitesse. Des moyens purement mécaniques peuvent aussi être utilisés comme moyens de réglage de la friction.
La figure 7A illustre des moyens de friction conçus à partir d'un stabilisateur à géométrie variable 22. Les moyens 22 sont fixés sur un outil 20 en opération de forage d'un puits 21. Des patins 23, 25, 26 présentent des surfaces de friction avec les parois du puits 21 de façon à créer un couple de friction. Le nombre de patins en contact avec les parois est fonction de la vitesse mesurée par l'appareillage de mesure et de contrôle 24 qui commande la sortie du nombre de patins nécessaires à ce que le couple résistant supplémentaire suive une loi de croissance semblable à la courbe 18. Les stabilisateurs à géométrie variable dont les lames sont mobiles radialement sont connus et ne seront pas décrit ici. Un capteur de vitesse de rotation intégré à l'appareil 24 commande un moyen de motorisation qui déplace radialement des lames d'appui contre la paroi du puits. L'énergie pour activer le moteur peut provenir d'accumulateur électrique, d'une turbine de génération d'électricité ou de la pression du fluide de forage en circulation dans la garniture.
Selon la figure 7B, on peut remplacer les patins de friction par des rouleaux 27 à axe parallèle à l'axe de rotation de l'outil 20. Le nombre de rouleaux répartis sur la circonférence sera déterminé pour un bon centrage de l'outil dans le puits. Des moyens de poussée, hydrauliques ou mécaniques, appliquent les rouleaux contre les parois du puits. La rotation de l'outil de forage fait tourner les rouleaux 27 en contact avec les parois du puits, par exemple comme un aléseur à rouleaux couramment utilisé par la profession, le ferait. Ici, il n'est pas souhaitable que la surface des rouleaux soit agressive vis à vis des parois, mais suffisante pour que la résistance au roulement crée un couple supplémentaire au couple à l'outil de façon à ce que le comportement "stick-slip" n'apparaisse pas. Un appareillage de mesure et de contrôle 24 règle en fonction de la vitesse de rotation la résistance au roulement par exemple en régulant le freinage des rouleaux et/ou la force d'application des rouleaux sur les parois du puits.
La figure 6 qui reprend, pour l'exemple seulement, en partie la figure 4, illustre un autre moyen de rendre stable en vitesse le comportement d'un outil de forage. Le point A représente le point de fonctionnement au poids sur l'outil de 2,7 tonnes, à la vitesse de rotation N_A et au couple C_A. Lorsque la vitesse augmente de N_A jusqu'à N_B tout en procurant une augmentation de poids sur l'outil correspondant au point B à sensiblement 3 tonnes, le point de fonctionnement suit le chemin montré par les flèches 30. Le couple à l'outil devient C_B supérieur à C_A. Ainsi, de façon apparente, une augmentation de la vitesse de rotation a provoqué une augmentation du couple réactif à l'outil. Dans ces conditions, le comportement de l'outil de forage est stable en vitesse comme cela a été décrit plus haut. Pour réaliser cette stabilité, la solution est ici de créer une augmentation déterminée de poids sur l'outil en fonction d'une augmentation de la vitesse de rotation.
La figure 7C montre le principe d'une réalisation de moyens d'application d'un poids sur l'outil supplémentaire quand la vitesse de rotation augmente. L'outil 20 est vissé sur un mandrin 31 contenu dans un corps 32. Le corps 32 est solidaire des masses-tiges. Le mandrin 31 peut coulisser longitudinalement sur une longueur déterminée tout en étant fixé en rotation, par exemple par un système 38 de clavette dans une rainure. La forme du mandrin 31 est telle qu'il aménage deux chambres 33 et 34 annulaires entre l'extérieur du mandrin et l'intérieur du corps 32. Des éléments d'étanchéité, non représentés ici, isolent les chambres entre elles et avec l'extérieur. Ces chambres sont remplies d'un fluide sensiblement incompressible. Des moyens de réglage 35 de la pression hydraulique dans les chambres 33 et 34 communiquent avec ces chambres par des conduites 36 et 37. Un appareillage 24 de mesure et de contrôle commande les moyens de réglage 35 en fonction de la mesure de la vitesse de rotation. Le fonctionnement de tels moyens peut être le suivant: Le foreur pose par exemple 2,7 tonnes sur un outil entraîné en rotation par la garniture de forage en rotation à la vitesse N_A. Le foreur doit veiller à avoir un excédent de poids de masses-tiges dans la garniture de façon à pouvoir appliquer une augmentation de poids par exemple de 0,3 tonnes. Cette sécurité sur le poids de masses-tiges est en générale courante dans la profession. Pendant le forage, lorsque la vitesse de l'outil passe de N_A à N_B, l'appareil 24 détecte cette augmentation et envoie l'ordre aux moyens de réglage 35 d'augmenter la pression hydraulique dans la chambre 33 à une valeur telle que cette augmentation de pression correspond à environ 0,3 tonnes. Ainsi selon la figure 6 prise en exemple, le point de fonctionnement est passé de la courbe 11 à 2,7 tonnes, à un point B appartenant à une courbe à 3 tonnes, non représentée sur l'exemple. Le comportement de l'outil de forage est ainsi celui d'un outil dont le couple résistant est croissant avec la vitesse.
On ne sortira pas du cadre de cette invention si d'autres moyens sont utilisés pour obtenir les mêmes effets techniques que ceux décrits dans la présente spécification.

Claims

1) Méthode de contrôle de la stabilité de la vitesse de rotation d'un outil de forage entraîné en rotation par l'intermédiaire d'une garniture tubulaire mise en rotation à partir de moyens mécaniques de surface, ledit outil étant soumis à un couple réactif dû à l'action de forage d'un puits, caractérisé en ce que l'on crée dans le voisinage de l'outil un couple résistant supplémentaire, fonction de la vitesse de rotation de l'outil et d'une valeur déterminée pour que le couple réactif global à l'outil de forage résultant de l'addition du couple à l'outil et dudit couple supplémentaire soit une fonction croissante de la vitesse de rotation de l'outil.

2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on crée ledit couple résistant supplémentaire par des moyens de frottement solidaires de la garniture dans le voisinage de l'outil.

3) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on crée ledit couple résistant supplémentaire par une augmentation du poids sur l'outil.

4) Méthode selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite augmentation de poids sur l'outil est fournie par des moyens spécifiques situés dans le voisinage de l'outil et activés par la vitesse de rotation de l'outil de forage.

5) Système de contrôle de la stabilité de la vitesse de rotation d'un outil de forage entraîné en rotation par l'intermédiaire d'une garniture tubulaire mise en rotation à partir de moyens mécaniques de surface, ledit outil étant soumis à un couple réactif dû à l'action de forage d'un puits, caractérisé en ce que ledit système comporte des moyens de régulation solidaires de la garniture dans le voisinage de l'outil, lesdits moyens étant adaptés à créer un couple résistant supplémentaire à l'outil, la valeur dudit couple étant fonction de la vitesse de rotation de l'outil.

6) Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation comportent des moyens de friction sur les parois du puits.

7) Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation comportent des moyens de variation de la force d'application de l'outil sur le fond du puits.

8) Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens de régulation comportent des moyens de mesure de la vitesse de rotation de l'outil de forage et des moyens de réglage de la valeur du couple résistant supplémentaire en fonction de la vitesse de rotation de l'outil.