EP0887511A1 - Méthode et système de détection de la précession d'un élément d'une garniture de forage - Google Patents
Méthode et système de détection de la précession d'un élément d'une garniture de forage Download PDFInfo
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- 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
Definitions
- the present invention relates to the field of drilling techniques for oil and gas wells, and more specifically detection techniques of the precession during drilling of the element of the drill string commonly called "BHA" for "Bottom Hole Assembly".
- BHA Bottom Hole Assembly
- BHA is subject to precession when it undergoes a movement proper rotation due in particular to bending. This clean movement is influenced by drilling parameters (weight on the tool, rotation speed, etc.) and geometric parameters (dimensions of the BHA constituents, tool diameter, hole path, type of terrain, etc.). He is considered as a serious malfunction because it prevents the smooth running of the drilling and can even cause significant material damage, particularly to elements of the BHA.
- the measurements acquired at the surface can be a function of the couple S (t) and of the voltage V (t) at the top of the drill rods.
- the average jump can be identified from the torque measurement S (t) and the location of said significant line from the measurement of the voltage V (t).
- ], ⁇ being the average speed of the lining and ⁇ b - ⁇ R c / ( R b - R c ) where Rc is the radius of said element in precession and Rb is the radius of the well, and said skate can have a power at least greater than 65% of the main maximum.
- the acquisition means may include measurement sensors related to the torque S (t) and to the voltage V (t) at the upper end of the packing.
- the torque S (t) can be measured by means of the motorization in lining rotation and tension can be measured from the tension of the cable.
- precession can be defined as movement of the drill collar when the contact of the drill collar against the walls of the well generates an orbital movement of one or more sections of the BHA. It is therefore a composition of two rotational movements.
- the purpose of detection is to determine ⁇ , to deduce in which precession conditions we find our by studying the value of s, and of trigger an alarm if necessary.
- Several alarm levels can be defined according to the value of s.
- the factors influencing precession are essentially the operational drilling parameters (rotation speed, tool weight, type of mud %), the geometry of the whole (dimension of the well, inclination of the well, %) and the type of rock drilled.
- Precession is therefore particularly present in wells or parts of vertical or slightly deviated wells.
- the main objective of the invention is to detect precession from only signals available on the surface. Now, the bending phenomena are not very sensitive on the surface because on the one hand, there is such a dissipation bending waves (structural and due to the well fluid) that the latter tend to to disappear before reaching the surface, and on the other hand, the well is a bad guide for bending waves.
- Figure 1 depicts the drilling of a well 1 using a surface 2 comprising a tower 3 and suspension means 4 to which is attached to the drill string 5.
- the drill string 5 is composed as it is known in the art of drilling, by a drilling tool 6, a set of rods 7 in which one or more stabilizers 8 can be integrated, drill rods 9 screwed together to make the connection mechanical with the injection head, for example motorized 10, suspended from the lifting means 4. It is the precession of part of BHA 7 which concerns the present invention.
- a connector 11 includes sensors sensitive to the vibration of the train stems.
- the vibrations recorded can be torsion, bending, tension, or even pressure in the drilling fluid injected through the head 10.
- the sensors are sensitive to the torque and at the tension at the upper end of the rods 9.
- suitable sensors can be installed in the setting means gasket rotation: rotary table or motorized injection head 10.
- the tension can also be measured from the tension of a strand of the cable drilling.
- Means of acquisition and processing 12 of the corresponding signals to the vibration of the torque and the surface tension, respectively (S (t) and V (t), are in connection with the instrumented fitting 11, either by a cable 13 or by radio wave received by the antenna 14.
- a drilling control cabin 15 receives, either by radio means 16 or by cable 17, the information from the acquisition and processing means 12. This information can trigger signaling means 18 of the alarm type, by example of lights of different colors depending on a specific level of precession.
- the automatic data processing is done according to the following scheme:
- ⁇ represents the instantaneous rotation speed imparted to the drilling assembly by the engine.
- t am is the time when an average jump of the signal studied in time is detected, here the surface torque S (t).
- An example of automatic processing for detecting the average jump of the signal processed in time (for example here, the couple).
- the CUSUM algorithm makes it possible to give precisely the time t am when there is a change in the mean of the signal.
- C ⁇ / ⁇ b, where ⁇ is the proper rotation speed of the BHA in its precession movement.
- Figures 2 and 3 illustrate two more detailed algorithms of the automatic data processing and alarm triggering based on the principles of precession detection described above.
- Block 40 represents the frequency treatments on upstream and downstream windows with respect to t am .
- an estimate of the spectrum of the front torque is calculated and after the average jump by conventional signal processing methods (for example: averaged periodograms, high resolution methods, ).
- Convention signal processing methods for example: averaged periodograms, high resolution methods, .
- the alarm threshold is taken at 0.6. If C is greater than 0.6, an alarm is triggered to prevent the significant risk of having a dysfunction close to the retrograde type.
- FIG. 3 shows another example of automatic processing in which the monitoring of the mean and the spectral content is done in parallel over time (block 30 ′).
- the search for a significant line is then triggered (block 40 ').
- the same functionality for triggering an alarm is then found.
- Figures 4a, 4b, 5a and 5b are comparative examples of what is can actually measure at the BHA level and what we measure in area.
- Figure 4a is the recording of the bending recorded at the level drill collars, for example in fitting 20 ( Figure 1). Such means of measurement are for example described in document EP-B1-0558379, cited here in reference. We note the average jump referenced 21.
- FIG. 4b gives the spectrum corresponding to the signal of the moment of bending at the BHA level.
- the continuous curve 23 corresponds to the spectrum in upstream of the mean jump, i.e. without whirling
- the dotted curve 24 corresponds to the spectrum after the average jump, i.e. in whirling.
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Abstract
- La présente invention concerne un système et une méthode de détection automatique de la précession d'un élément d'une garniture de forage, en particulier de l'ensemble des masses-tiges d'une garniture de forage.
- La méthode comporte l'étape d'acquisition de signaux en surface liés à la vibration de l'extrémité des tiges de forage, le traitement automatique sur au moins un signal pour détecter un saut de moyenne et une raie significative dans le spectre du signal.
- On calcule un critère de précession et on déclenche une alarme.
- L'invention concerne également un système de détection de la précession d'un élément d'une garniture de forage.
Description
- acquisition d'au moins une mesure par des moyens de mesure placés proches de la surface, ladite mesure étant représentative de la vibration dudit élément dans ledit puits,
- traitement automatique de ladite mesure comprenant le repérage d'un saut de moyenne et le repérage d'une raie significative dans le spectre de ladite mesure, lesdits repérages apparaissant dans un intervalle de temps inférieur à environ 10 secondes,
- détermination d'un critère de précession à partir des caractéristiques de ladite raie,
- déclenchement d'une alarme si le critère atteint une valeur seuil déterminée.
- des moyens d'acquisition d'au moins une mesure, lesdits moyens de mesure étant placés proches de la partie supérieure de ladite garniture, ladite mesure étant représentative de la vibration dudit élément dans ledit puits,
- des moyens de traitement automatique de ladite mesure comprenant des moyens de repérage d'un saut de moyenne et de repérage d'une raie significative dans le spectre de ladite mesure, lesdits repérages apparaissant dans un intervalle de temps inférieur à environ 10 secondes,
- des moyens de détermination d'un critère de précession à partir des caractéristiques de ladite raie,
- des moyens de déclenchement d'une alarme si le critère atteint une valeur seuil déterminée.
- la vitesse de rotation imposée au train de tiges par l'appareil de surface (rotation autour de l'axe de la garniture),
- la vitesse propre de rotation due à la précession (rotation autour de l'axe du trou foré),
- V la vitesse de glissement au point de contact (dans le cas où il n'y a pas choc),
- b vitesse de précession sans glissement (V=0),
- Rb rayon du trou, et Rc rayon d'une section en précession,
- La figure 1 montre schématiquement une ensemble de forage comportant un système de détection de la précession selon l'invention,
- La figure 2 est un exemple d'organigramme de la méthode,
- La figure 3 est un autre exemple d'organigramme.
- Les figures 4a et 4b montrent la mesure et le spectre de la flexion de la BHA,
- Les figures 5a et 5b montrent la mesure du couple en surface et le spectre de la tension en surface.
- des moyens d'acquisition desdites mesures qui font transiter les signaux correspondant vers :
- des moyens de traitement automatiques des données qui déterminent le déclenchement ou non :
- d'une alarme.
ω représente la vitesse de rotation instantanée imprimée à l'ensemble de forage par le moteur.
- « Detection of Abrupt Changes. Theory and Application » par Basseville et Nikiforov-Prentice Hall Information and System Sciences Series, 1993.
- « Digital Processing of Random Signals. Theory and Methods» par Porat- Prentice Hall Information and System Sciences Series, 1994.
« A l'instant tam, y a-t-il eu apparition d'une raie dans l'intervalle I ? »
- Si la réponse est non, il n'y a pas déclenchement d'alarme et on se borne à continuer à repérer un éventuel changement de moyenne temporelle dans le signal de couple.
- Si la réponse est oui, on détermine alors la puissance de cette raie par rapport aux autres, afin de déterminer si elle est significative. Un pourcentage spécifique de la puissance totale du signal est défini comme palier pour sélectionner les raies « significatives ».
C = Ω/Ωb, où Ω est la vitesse de rotation propre de la BHA dans son mouvement de précession.
Claims (8)
- Méthode de détection de la précession d'un élément d'une garniture de forage en rotation dans un puits, caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes suivantes :acquisition d'au moins une mesure par des moyens de mesure placés proches de la surface, ladite mesure étant représentative de la vibration dudit élément dans ledit puits,traitement automatique de ladite mesure comprenant le repérage d'un saut de moyenne et le repérage d'une raie significative dans le spectre de ladite mesure, lesdits repérages apparaissant dans un intervalle de temps inférieur à environ 10 secondes,détermination d'un critère de précession à partir des caractéristiques de ladite raie,déclenchement d'une alarme si le critère atteint une valeur seuil déterminée.
- Méthode selon la revendication 1, dans laquelle lesdites mesures acquises en surface sont fonction du couple S(t) et de la tension V(t) au sommet des tiges de forage.
- Méthode selon la revendication 2, dans laquelle le saut de moyenne est repéré à partir de la mesure du couple S(t) et dans laquelle ladite raie significative est déterminée à partir de la mesure de la tension V(t).
- Méthode selon l'une des revendication précédentes, dans laquelle ladite raie significative est comprise dans l'intervalle de fréquence correspondant à l'intervalle I= [ω/2π ; |Ωb/2π|], ω étant la vitesse moyenne de la garniture et Ω b = -ω Rc / (Rb - Rc )
où Rc est le rayon dudit élément en précession et Rb est le rayon du puits,
et ladite raie a une puissance au moins supérieure à 65% du maximum principal. - Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on calcule C=Ω/Ωb, Ω étant calculé à partir de la fréquence de ladite raie significative, et dans laquelle on déclenche ladite alarme lorsque C est supérieur à environ 0,5, et de préférence à 0,6.
- Système de détection de la précession d'un élément d'une garniture de forage en rotation dans un puits, caractérisé en ce qu'il comporte :des moyens d'acquisition d'au moins une mesure, lesdits moyens de mesure étant placés proches de la partie supérieure de ladite garniture, ladite mesure étant représentative de la vibration dudit élément dans ledit puits,des moyens de traitement automatique de ladite mesure comprenant des moyens de repérage d'un saut de moyenne et de repérage d'une raie significative dans le spectre de ladite mesure, lesdits repérages apparaissant dans un intervalle de temps inférieur à environ 10 secondes,des moyens de détermination d'un critère de précession à partir des caractéristiques de ladite raie,des moyens de déclenchement d'une alarme si le critère atteint une valeur seuil déterminée.
- Système selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'acquisition comportent des capteurs de mesures liées au couple S(t) et à la tension V(t) à l'extrémité supérieure de la garniture.
- Système selon la revendication 7, dans lequel le couple S(t) est mesuré par le moyen de la motorisation en rotation de la garniture et dans lequel la tension est mesuré à partir de la tension du câble.
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