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EP0308327A1 - Méthode de détermination de l'usure d'organes de découpe d'un outil en cours de forage d'une formation rocheuse - Google Patents

Méthode de détermination de l'usure d'organes de découpe d'un outil en cours de forage d'une formation rocheuse Download PDF

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Publication number
EP0308327A1
EP0308327A1 EP88402319A EP88402319A EP0308327A1 EP 0308327 A1 EP0308327 A1 EP 0308327A1 EP 88402319 A EP88402319 A EP 88402319A EP 88402319 A EP88402319 A EP 88402319A EP 0308327 A1 EP0308327 A1 EP 0308327A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
wear
weight
curve
torque
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP88402319A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0308327B1 (fr
Inventor
Hubert Fay
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP0308327A1 publication Critical patent/EP0308327A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0308327B1 publication Critical patent/EP0308327B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • E21B12/00—Accessories for drilling tools
    • E21B12/02—Wear indicators
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the wear of cutting elements of a tool during drilling of a rock formation.
  • Patent EP-A-0.168.996 presents a device for detecting events during drilling, such as in particular ruptures on the drilling tools.
  • said first series of measurements from which the first portion of the curve is obtained is carried out on a new tool practically without wear.
  • the quantity dependent on the portions of representative curves from which the wear on the cutting members is deduced is linked to the concavity of said curves.
  • the quantity linked to said portions of curves depends on the value of the mean radius of curvature of said portion of curves.
  • the portion of the curve obtained can be considered to be more representative of actual wear.
  • the weight value is scanned in stages in the vicinity of its target value and the corresponding values of W and T are determined during this sweep.
  • the object of the present invention also includes a device for determining the wear of cutting members of a tool during drilling of a rock formation, comprising means for measuring at the bottom of the well the weight W on the tool and the torque T necessary for the rotation of said tool, means for applying a weight to the tool during a test period, characterized in that it comprises means for transmitting the measurements of weight and of the torque to a processing unit which converts said measurements into a curve representative of variations in torque as a function of variations in weight, means for storing said representative curve for a given test period, means for comparing different representative curves linked to successive test periods, means for calculating the degree of wear from the variation of a quantity linked to said representative curves.
  • the processing unit is integrated into a computer located on the surface.
  • the invention makes it possible to obtain a determination of the wear of cutting members such as, in particular, the teeth of a tool. It therefore applies perfectly to tools with knurled teeth with countersunk teeth and spikes, or to drilling tools having a relationship of the same type of the applied torque (T) as a function of the weight (W), which is the case, for example. example, PDC tools (Polycrystalline Diamond Compact).
  • the present invention makes it possible to determine the wear of a tool from the measurement of the torque on the tool and of the weight on the tool.
  • the present invention is concerned with the determination of the parameters u and v.
  • K1 being a constant, for a given tool, function of the decentering of the axis of the wheels relative to the axis of the tool, R the current radius of a wheel and ⁇ ′ the complementary angle of the half-angle at top of the same wheel.
  • equation (12) knowing that the penetration ⁇ is related to the weight on the tool according to Cheatham and Gnirk by relationship: with: K2 and K3, parameters depending on the geometrical characteristics of the teeth, the internal friction angle of the formation and, to a small extent, the speed of rotation N. ⁇ , compressive stress at differential pressure P. ⁇ , width of the flat surface of the worn teeth.
  • FIG. 3 represents the experimental curves 15, 16, 17 of the torque (T) as a function of the weight on the tool (W).
  • Curve 15 corresponds to a new tool, curve 16 to the same type of tool with a degree of wear T4 (the designation of the tool in this state being: J3DT4).
  • Curve 17 corresponds to the same tool type with a degree of wear T8 (the tool in this state being designated by J3DT8).
  • the abscissa of FIG. 3 represents the weight exerted on the tool expressed in tonnes and on the ordinate, the torque T expressed in m.daN.
  • Table 1 gives for each curve the designation of the tool and the values of u * and v *.
  • Table 1 CURVE TOOL DESIGNATION U * V * 15 J3DN 5.8 0.5 16 J3DT4 9.4 0.3 17 J3DT8 6.1 0.06
  • the present invention will now be described in its practical implementation on a drilling site and in particular in the implementation of the determination of the wear of the cutting members.
  • FIG. 1 diagrams the environment allowing the value of the wear criterion v or f (v) to be obtained, the function f corresponding to an additional processing of the parameter v, for example to present the results in a simple manner to the operator.
  • the invention mainly requires knowledge of the two background parameters, weight on the tool (W) and torque on the tool (T).
  • a weight sweep is carried out in stages on the tool.
  • the scanning range and the number of steps must be sufficient.
  • the duration of each weight step is determined by establishing a stabilized operating regime.
  • the reference 1 represents a well drilled using a drilling tool of the tricone type 2 fixed to the end of a drill string 3.
  • the weight and torque measurements exerted on the tool 2 can be transmitted to the surface, for example by the channel of the drilling fluid, or by any other means (electric cable, etc.) and to the computer 4 by a power line symbolized by the arrow 5.
  • the computer supplies the operator with the value of the wear criterion according to the invention.
  • FIG. 2 shows side by side an evolution curve 6 of the weight W acting on the tool as a function of the depth PR and a curve 7 of evolution of the torque T acting on the tool as a function of the PR depth.
  • the depth scales PR of curves 6 and 7 are identical and correspond to each other.
  • the weight and torque measurements exerted on the tool can be carried out in a manner known to those skilled in the art, for example using the method known as M.W.D. ("Measurement While Drilling").
  • the variation of the weight exerted on the tool can be obtained in a conventional manner by supporting more or less the drill string from the surface.
  • Parameter measurements are made as a function of depth and / or time. It is recommended to be able to perform at least five steps per test, which leads to an overall test duration of around fifteen minutes.
  • FIG. 2 schematically represents a test comprising five stages.
  • the level of the bearing 8 corresponds to the weight on the tool being drilled from which the operator decides to trigger the test.
  • the test includes a reduction in the weight on the tool to arrive at level 9 and then an increase in four other levels, respectively 10, 11, 12 and 13 corresponding to an increase in weight on the tool.
  • the first series of measurements made at the bottom of the well, at the level of the tool, on the torque and the weight corresponds to the beginning of the attack on the rock by the tool, i.e. its wear can to be considered practically zero.
  • the series of measurements made during the first test period is transmitted to the surface of the computer, which establishes from this data a portion of the curve representative of the variations in torque as a function of variations in weight.
  • the computer then keeps in memory this curve corresponding to the test period.
  • the operator triggers a new test period, causing a step change in the weight applied to the tool, the computer again receives a new series of measurements from which he can obtain the curve representative of the variations of T as a function of W.
  • the degree of wear can then be deduced in two ways: - by comparison of the network of curves; any decrease in the concavity of the curve will indicate an increase in tool wear.
  • the increase in tool wear is deducted from the decrease in this value of v.
  • the measurements made at the bottom of the well may present some inaccuracies, it is therefore necessary, from these measurements, to determine an average curve, for example by the method of least squares, and to deduce therefrom the average concavity of this curve represented by the mean radius of curvature, or a quantity linked to this mean value. Then, the determination of the wear can be done, either by controlling the evolution of the average concavity according to the progress of the drilling, or by composing the average concavity with average concavities established during reference tests.
  • this surface measurement can possibly be used in the context of the present invention.
  • the characteristics of the formation crossed, of the tool, the values of the hydraulic conditions and of N can be taken into account to normalize the value of the parameter v and / or that of the criterion.
  • the abscissa of FIG. 4 expresses the weight exerted on the tool in tonnes and the ordinate the torque exerted on the tool expressed in m.daN.
  • Curve 18 is located between dimensions 1320 and 1347 m, curve 19 between dimensions 1460 and 1463.5 m and curve 20 between dimensions 1559 and 1566.5 m.
  • the method according to the present invention makes it possible to avoid drilling with worn tools or to reassemble tools too early.

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Abstract

L'invention concerne une méthode de détermination de l'usure d'organes de découpe d'un outil en cours de forage d'une formation rocheuse, dans laquelle on mesure le poids W appliqué sur l'outil et le couple T nécessaire à la rotation dudit outil, le poids sur l'outil W et le couple T étant liés par une relation du type T = uW + vW<α> où u et v sont des paramètres et α est un coefficient dépendant entre autre de la formation, on établit à partir des mesures une portion de courbe représentative des variations du couple en fonction des variations du poids, on réalise au cours de l'avance du forage une succession de périodes de test, pour chacune desquelles on établit ladite portion de courbe représentative correspondante, on compare la portion de courbe obtenue pour une période de test donnée avec au moins une portion de courbe précédemment obtenue, on en déduit le degré d'usure des organes de découpe en fonction de la variation d'au moins une grandeur liée auxdites portions de courbe.

Description

  • La présente invention concerne une méthode de détermination de l'usure d'organes de découpe d'un outil en cours de forage d'une formation rocheuse.
  • Les techniques de forage des puits pétroliers se sont considérablement développés durant ces dernières décennies et ont donc entraîné une évolution des outils de forage qui servent à découper les roches.
  • Les outils de forage les plus utilisés dans ce domaine sont les trépans, notamment ceux du type à molettes qui cisaillent, fragmentent et broient la roche quand on fait tourner le train de tiges. Cependant, ces outils ont des durées de vie relativement courtes de 15 à 20 heures et il est nécessaire de contrôler leur usure pour prévoir leur remplacement. Des problèmes d'usure se présentent également dans le cas des outils P.D.C. (Polycrystalline Diamond Compact), mais de façon moins critique.
  • On connait déjà par le brevet US-4.627.276 une méthode dans laquelle on détermine des valeurs moyennes de la vitesse d'avancement d'un outil de forage, de la vitesse de rotation et du poids sur l'outil, pour en déduire l'efficacité du forage, ainsi que la résistance au cisaillement de la roche dans laquelle s'effectue le forage.
  • Le brevet EP-A-0.168.996 présente quant à lui un dispositif de détection d'évènements en cours de forage tels que notamment des ruptures sur les outils de forage.
  • Cependant, aucun de ces documents ne présente une méthode de détermination de l'usure progressive des organes de découpe, tels que notamment les dents d'un trépan à molettes. La méthode de la présente invention, simple et commode, utilise la mesure de deux paramètres de fond, le poids sur l'outil W et le couple sur l'outil T ; le degré d'usure peut être obtenu à tout moment par l'opérateur quand il le désire.
  • La présente invention a donc pour objet une méthode de détermination de l'usure d'organes de découpe d'un outil en cours de forage d'une formation rocheuse, par laquelle on mesure le poids W appliqué sur l'outil et le couple T nécessaire à la rotation dudit outil, le poids sur l'outil W et le couple T étant liés par une relation du type T = uW + vWα dans laquelle u et v sont des paramètres et α est un coefficient dépendant entre autre de la formation, caractérisée en ce que

    - on applique une succession de valeurs de poids sur l'outil en cours de forage pendant sur une première période de test,
    - on effectue une première série de mesures, au niveau de l'outil, sur le couple et le poids pendant la première période de test,
    - on établit à partir de ladite première série de mesures une portion de courbe représentative des variations du couple en fonction des variations du poids,
    - on garde en mémoire ladite portion de courbe établie pendant la première période de test,
    - on réalise au cours de l'avance du forage une succession de périodes de test, pour chacune desquelles on établit ladite portion de courbe représentative correspondante,
    - on compare la portion de courbe obtenue pour une période de test donnée avec au moins une portion de courbe précédemment obtenue,
    - on en déduit le degré d'usure des organes de découpe en fonction de la variation d'au moins une grandeur liée auxdites portions de courbe.
  • Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, ladite première série de mesures à partir de laquelle on obtient la première portion de courbe, est réalisée sur un outil neuf pratiquement sans usure.
  • Avantageusement, la grandeur dépendante des portions de courbes représentatives dont on déduit l'usure sur les organes de découpe, est liée à la concavité desdites courbes.
  • De manière à s'affranchir des imprécisions des mesures se répercutant sur la concavité, la grandeur liée auxdites portions de courbes dépend de la valeur du rayon de courbure moyen de ladite portion de courbe. En utilisant un rayon de courbure moyen, la portion de courbe obtenue peut être considérée comme plus représentative de l'usure réelle.
  • Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on détermine pour une période de test donnée au moins une fonction du paramètre v à partir, d'une part desdites portions de courbes liées aux périodes de tests précédents et d'autre part de la relation T = uW + vWα, et l'on déduit le degré d'usure des organes de découpe de l'outil par la diminution de ladite fonction du paramètre v.
  • Avantageusement, on effectue un balayage par paliers de la valeur du poids sur l'outil au voisinage de sa valeur de consigne et on détermine les valeurs correspondantes de W et T au cours de ce balayage.
  • L'objet de la présente invention englobe également un dispositif pour la détermination de l'usure d'organes de découpe d'un outil en cours de forage d'une formation rocheuse, comportant des moyens de mesures au fond du puits du poids W sur l'outil et du couple T nécessaire à la rotation dudit outil, des moyens d'application d'un poids sur l'outil pendant une période de test, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de transmission des mesures de poids et du couple à une unité de traitement qui convertit lesdites mesures en une courbe représentative des variations du couple en fonction des variations du poids, des moyens de mise en mémoire de ladite courbe représentative pour une période de test donnée, des moyens de comparaison de différentes courbes représentatives liées à des périodes de test successives, des moyens de calcul du degré d'usure à partir de la variation d'une grandeur liée auxdites courbes représentatives.
  • Avantageusement, l'unité de traitement est intégrée à un calculateur situé en surface.
  • L'invention sera bien comprise en se référant à la description correspondant aux figures annexées, parmi lesquelles :
    • - la figure 1 illustre schématiquement une méthode d'obtention du critère d'usure du trépan en fonction des paramètres poids exercé sur l'outil W et couple de rotation exercé sur l'outil T,
    • - la figure 2 est une représentation schématique d'enregistrements effectués en fonction des mesures des paramètres T et W, et
    • - les figures 3 et 4 montrent des courbes représentatives du couple (T) de rotation en fonction du poids exercé sur l'outil (W).
  • L'invention permet d'obtenir une détermination de l'usure d'organes de découpe tels que, notamment, les dents d'un outil. Elle s'applique donc parfaitement aux outils à molettes à dents fraisées et à picots, ou à des outils de forage présentant une relation de même type du couple appliqué (T) en fonction du poids (W), ce qui est le cas, par exemple, des outils P.D.C. (Polycrystalline Diamond Compact).
  • La présente invention permet de déterminer l'usure d'un outil à partir de la mesure du couple sur l'outil et du poids sur l'outil.
  • On a déjà utilisé dans plusieurs méthodes de détermination d'événements, comme par exemple des défauts au niveau des roulements, la variation du couple sur l'outil
  • Ceci est notamment le cas dans le brevet EP-A-0.168.996 où l'on indique que ces deux paramètres peuvent dépendre l'un de l'autre suivant la relation :

    T = uW + vW²

    De manière plus générale, cette équation peut s'écrire sous la forme :

    T = uW + vWα      (1)

    avec α coefficient dépendant entre autre paramètre ,de la formation rocheuse et dont la valeur peut être prise égale à 2.
  • Cependant, les développements de cette méthode dans le document considéré s'intéresse à un calcul sur un ensemble limité des valeurs enregistrées.
  • La présente invention s'intéresse, quant à elle, à la détermination des paramètres u et v.
  • Afin de mener à bien cette démarche, on considère tout d'abord une approche théorique.
  • On se réfèrera aux publications suivantes :
    - H.W.R. Wardlaw - Optimization of Rotary Drilling Parameters - Dissertation - University of Texas, 1971.
    - T.M. Warren - Factors Affecting Torque for a Tricone Bit - S.P.E. 11 994 - 1983.
    - P.F. Gnirk and J.B. Cheatham - A Theoretical Description of Rotary Drilling for Idealized Down-Hole Bit-Rock Conditions - S.P.E. Journal, Dec. 1969.
  • On définit tout d'abord un certain nombre de notations utilisées ci-après :

    C₁ : Demi-largeur des dents de l'outil de forage (à l'enfoncement)
    D : Diamètre de l'outil
    E : Module d'Young de la formation
    m : Constante sans dimension (fonction du type de formation)
    N : Vitesse de rotation de l'outil
    n : Méplat des dents usées
    P : Pression différentielle sur le front de taille
    Q : Débit de boue
    r : Distance d'un éclat de roche par rapport à l'axe de l'outil
    R : Rayon d'une molette
    S : Contrainte de cisaillement de la roche à la rupture
    T : Couple sur l'outil
    V : Vitesse de la boue au niveau du front de taille
    VA : Vitesse instantanée d'avancement de l'outil
    W : Poids sur l'outil
    Z : Masse spécifique de la boue
    α : Exposant du poids dans la relation T=uW + vWα

    Figure imgb0001
    : Fraction de la surface du front de taille enlevée par les dents de l'outil
    δ : Pénétration des dents dans la formation
    η : Facteur d'efficacité de la boue au niveau du front de taille

    Figure imgb0002
    : Fraction de la surface du front de taille supportant le poids W
    µ : Viscosité dynamique de la boue
    ϑ : Angle définissant la géométrie d'un copeau
  • En utilisant les hypothèses de Wardlaw et en intégrant le couple élémentaire le long du rayon r, l'expression du couple global T s'écrit :
    Figure imgb0003
     Par ailleurs, en appelant
    Figure imgb0004
    la fraction de surface du front de taille correspondant à des éclats de roche se libérant de la pression différentielle P et en appelant de même celle correspondant à des éclats broyés sous équipression, soit
    Figure imgb0005
    dans le cas où l'influence du débit de la boue et son efficacité de la boue η au niveau du front de taille sont prépondérants, soit
    Figure imgb0006
    , la pénétration moyenne des dents δ est donnée par :
    Figure imgb0007
     avec i = 2,3 suivant le mode de fonctionnement considéré, d'où :
    Figure imgb0008
     et en remplaçant VA par son expression en fonction du mode de forage considéré par Wardlaw, les expressions du couple s'écrivent :
    Figure imgb0009
     dans l'équation 7, m est une constante sans dimension, dépendant de la nature de la formation.
  • En prenant l'exemple du premier mode de fonctionnement (équation 5), il est possible de montrer que le rayon de courbure de la courbe représentative augmente lorsque l'outil s'use, et donc que le terme v de l'équation 1 diminue.
  • En effet l'équation 5 peut s'écrire :
    Figure imgb0010
     et si l'on se place sur cette courbe en dessous du point d'inflexion, c'est-à-dire pour
    Figure imgb0011
     le rayon de courbure est donné par :
    Figure imgb0012
  • Sachant que la valeur du rapport T W
    Figure imgb0013
     est en général bien inférieure à 1, la variation de ρ lorsque l'outil s'use dépend principalement de celle de I. Or :
    Figure imgb0014
  • Au fur et à mesure de l'usure des dents δ décroît (équation 14), donc C₁ décroît aussi puisque :

    C₁ = δtg β/2      (11)

    par ailleurs la valeur de λ augmentant, I ne peut que décroître, ρ croître et donc v diminuer corrélativement.
  • De même Warren propose comme équation du couple sur l'outil :
    Figure imgb0015
     K₁ étant une constante, pour un outil donné, fonction du décentrement de l'axe des molettes par rapport à l'axe de l'outil, R le rayon courant d'une molette et ϑ′ l'angle complémentaire du demi-angle au sommet de la même molette.
  • L'intégration de l'équation (12) conduit à l'équation (13) :
    Figure imgb0016
     sachant que la pénétration δ est liée au poids sur l'outil d'après Cheatham et Gnirk par la relation :
    Figure imgb0017
     avec :

    K₂ et K₃, paramètres fonction des caractéristiques géométriques des dents, de l'angle de frottement interne de la formation et, dans une faible mesure, de la vitesse de rotation N.
    σ, contrainte de compression à la pression différentielle P.
    η , largeur du méplat des dents usées.
  • L'équation (14) s'écrit :
    Figure imgb0018
     Donc pour un outil, une formation, des conditions hydrauliques et de forage donnés, lorsque l'outil s'use η augmente et, l'équation (15) montrant que la concavité de la courbe représentative diminue dans ce cas, la valeur du paramètre v de l'équation :

    T = uW + vWα

    diminue elle aussi.
  • Ainsi, selon la méthode de la présente invention, le degré d'usure d'un outil est estimé à l'aide d'un critère ou d'une grandeur liée à la concavité moyenne dépendant de la valeur du paramètre v défini par la relation :

    T = uW + vWα

    relation dans laquelle u et v sont deux paramètres fonction du type d'outil, de la formation, des conditions hydrauliques, de la vitesse de rotation de l'outil, et où α est un coefficient de valeur numérique en général voisine de 2.
  • Afin d'appuyer cette conclusion théorique, des études expérimentales sur banc d'essais ont permis de confirmer et même de quantifier l'influence de l'usure des dents sur la valeur du paramètre v.
  • Les conditions d'essais étaient :

    - diamètre des outils : 0,152 m (6")
    - formation : calcaire de Buxy
    - vitesse de rotation : 116 tr/min
    - pression de confinement : 90 bars
    - débit de la boue à l'eau : 400 l/min

    Les résultats obtenus ont permis de tracer les courbes

    T = uW + vWα      avec α = 2

    par régression en utilisant la méthode des moindres carrés.
  • Ces courbes sont représentées à la figure 3.
  • Ainsi la figure 3 indique la diminution de la valeur de v pour un même type d'outil (J3D), en fonction de trois degrés d'usure différents (outil neuf, usure T4 et usure complète des dents T8) avec, du fait du choix des unités non normalisées :

    u* = 10³ u
    v* = 10⁷ v
  • La figure 3 représente les courbes expérimentales 15, 16, 17 du couple (T) en fonction du poids sur l'outil (W). La courbe 15 correspond à un outil neuf, la courbe 16 au même type d'outil avec un degré d'usure T4 (la désignation de l'outil dans cet état étant : J3DT4).
  • La courbe 17 correspond au même type outil avec un degré d'usure T8 (l'outil dans cet état étant désigné par J3DT8).
  • L'abscisse de la figure 3 représente le poids exercé sur l'outil exprimé en tonnes et en ordonnée, le couple T exprimée en m.daN.
  • Le tableau 1 donne pour chaque courbe la désignation de l'outil et les valeurs de u* et v*. Tableau 1
    COURBE DESIGNATION OUTIL U* V*
    15 J3DN 5,8 0,5
    16 J3DT4 9,4 0,3
    17 J3DT8 6,1 0,06
  • Ainsi, il apparaît nettement que v décroît lorsque l'usure de l'outil augmente. Un examen des courbes montre bien que c'est la courbe 15 qui a la concavité la plus grande.
  • Il est donc vérifié que, pour un forage dont les conditions hydrauliques et la vitesse de rotation du train de tige varient peu et dont la lithologie des formations traversées n'est pas radicalement diversifiée, la valeur de v diminue au fur et à mesure que l'outil s'use. Il est donc possible de considérer cette valeur, ou toute autre fonction de v, comme représentant un critère d'usure des outils.
  • Si par contre les conditions dont il vient d'être question varient de manière importante, il convient d'affecter v d'un facteur de pondération fonction des variations précédentes dont l'influence peut être déterminée par les relations 5, 6 et 7 et/ou par des essais de référence.
  • La présente invention va maintenant être décrite dans sa réalisation pratique sur site de forage et notamment dans la mise en oeuvre de la détermination de l'usure des organes de découpe.
  • La figure 1 schématise l'environnement permettant l'obtention de la valeur du critère d'usure v ou f(v), la fonction f correspondant à un traitement supplémentaire du paramètre v, par exemple pour présenter les résultats de manière simple à l'opérateur.
  • L'invention nécessite principalement la connaissance des deux paramètres de fond, poids sur l'outil (W) et couple sur l'outil (T).
  • Afin d'examiner les variations du couple sur l'outil, on effectue un balayage en poids par paliers sur l'outil. La plage de balayage et le nombre de paliers doivent être suffisants. La durée de chaque palier de poids est déterminé par l'établissement d'un régime de fonctionnement stabilisé.
  • Sur la figure 1 la référence 1 représente un puits foré à l'aide d'un outil de forage du type tricône 2 fixé à l'extrémité d'un train de tiges de forage 3.
  • Les mesures de poids et de couple s'exerçant sur l'outil 2 peuvent être transmises à la surface, par exemple par le canal du fluide de forage, ou par tout autre moyen (cable électrique, etc.) et au calculateur 4 par une ligne électrique symbolisée par la flèche 5.
  • Le calculateur fournit à l'opérateur la valeur du critère d'usure selon l'invention.
  • Chaque fois que l'opérateur veut connaître la valeur du critère d'usure, il déclenche depuis la surface la procédure de test représentée sur la figure 2. Les valeurs de T et de W sont alors enregistrées, puis traitées et exploitées par le calculateur.
  • La figure 2 représente côte à côte une courbe d'évolution 6 du poids W s'exerçant sur l'outil en fonction de la profondeur PR et une courbe 7 d'évolution du couple T s'exerçant sur l'outil en fonction de la profondeur PR. Les échelles de profondeur PR des courbes 6 et 7 sont identiques et se correspondent mutuellement.
  • Les mesures de poids et de couple s'exerçant sur l'outil peuvent s'effectuer de manière connue de l'homme de l'art, par exemple à l'aide de la méthode dite du M.W.D. ("Measurement While Drilling"). La variation du poids s'exerçant sur l'outil peut être obtenue de manière classique en supportant plus ou moins le train de tiges à partir de la surface.
  • Les mesures des paramètres sont effectuées en fonction de la profondeur et/ou du temps. Il est recommandé de pouvoir effectuer au moins cinq paliers par test, ce qui conduit à une durée globale de test d'environ quinze minutes.
  • La figure 2 représente schématiquement un test comportant cinq paliers.
  • Le niveau du palier 8 correspond au poids sur l'outil en cours de forage à partir duquel l'opérateur décide de déclencher le test. Le test comporte une diminution du poids sur l'outil pour arriver au palier 9 puis une montée en quatre autres paliers respectivement 10, 11, 12 et 13 correspondant à une augmentation du poids sur l'outil.
  • Durant cette variation du poids sur l'outil on enregistre les variations du couple T s'exerçant sur l'outil (courbe 7) et à la fin du cinquième palier 13, on peut revenir au niveau du palier 14, qui est sensiblement égal au poids sur l'outil du forage avant le déclenchement du test et qui donc correspond approximativement au palier 8. Par la suite, on peut revenir à un autre palier correspondant à des conditions optimum d'utilisation de l'outil de forage compte tenu de son état d'usure qui vient d'être déterminé. Le premier test doit être réalisé, l'outil étant en début de passe. Le nombre de tests suivants dépend des choix de l'opérateur.
  • La première série de mesures effectuée au fond du puits, au niveau de l'outil, sur le couple et le poids correspond au début de l'attaque de la roche par l'outil, c'est-à-dire que son usure peut être considérée comme pratiquement nulle.
  • La série de mesures effectuées pendant la première période de test est transmise en surface au calculateur qui établit à partir de ces données une portion de courbe représentative des variations du couple en fonction des variations du poids. Le calculateur garde ensuite en mémoire cette courbe correspondant à la période de test.
  • Lorsqu'il le désire, l'opérateur déclenche une nouvelle période de test, provoquant une variation par palier du poids appliqué sur l'outil, le calculateur reçoit à nouveau une nouvelle série de mesures à partir de laquelle il peut obtenir la courbe représentative des variations de T en fonction de W.
  • Le degré d'usure pourra être déduit alors de deux manières :

    - par comparaison du réseau de courbes ; toute diminution de la concavité de la courbe indiquera une augmentation de l'usure de l'outil. Bien entendu, ces courbes pourront être tracées géométriquement et donc transmises à l'opérateur qui en déduira le degré d'usure, mais on peut facilement envisager que la comparaison de la concavité des courbes soit effectuée directement par le calculateur sans qu'il soit nécessaire d'avoir un tracé visualisé,
    - par calcul du paramètre v ; les courbes obtenues expérimentalement vérifiant la relation T = uW + vWα, on peut calculer à partir des mesures réalisées la valeur de v. L'augmentation de l'usure de l'outil est déduite de la diminution de cette valeur de v.
  • Bien entendu, les mesures effectuées au fond du puits peuvent présenter quelques imprécisions, il convient donc, à partir de ces mesures, de déterminer une courbe moyenne, par exemple par la méthode des moindres carrés, et d'en déduire la concavité moyenne de cette courbe représentée par le rayon de courbure moyen, ou une grandeur liée à cette valeur moyenne. Ensuite, la détermination de l'usure peut se faire, soit en contrôlant l'évolution de la concavité moyenne en fonction de l'avancement du forage, soit en composant la concavité moyenne avec des concavités moyennes établies au cours d'essais de référence.
  • Dans le cas où la valeur du poids sur l'outil au fond peut être obtenue de manière précise à partir d'une mesure en surface, notamment dans le cas des puits verticaux, cette mesure de surface peut être éventuellement utilisée dans le cadre de la présente invention.
  • Les caractéristiques de la formation traversée, de l'outil, les valeurs des conditions hydrauliques et de N peuvent être prises en compte pour normaliser la valeur du paramètre v et/ou celle du critère.
  • Les résultats obtenus sur site de forage sont présentés à la figure 4. Ces résultats correspondent à un puits foré pour la Société Nationale Elf-Aquitaine au large des Pays-Bas. Contrairement aux essais sur banc présentés précedemment, l'outil était de gros diamètre (17"1/2). L'usure, après une passe de forage de la cote 1306 m à la cote 1673 m, était égale à T2. Les trois groupes des mesures effectuées se sont répartis respectivement sur 27 m, 3,5 m et 7,5 m.
  • Bien que dans ce cas l'usure de l'outil soit faible, la décroissance de la valeur de v a bien lieu.
  • L'abscisse de la figure 4 exprime le poids exercé sur l'outil en tonnes et l'ordonnée le couple exercé sur l'outil exprimé en m.daN.
  • La courbe 18 se situe entre les cotes 1320 et 1347 m, la courbe 19 entre les cotes 1460 et 1463,5 m et la courbe 20 entre les cotes 1559 et 1566,5 m.
  • Au cours de cet essai l'outil est passé de l'état neuf à une usure T2, soit une usure faible.
  • Le tableau suivant indique pour chaque courbe la cote de profondeur du test, la valeur de u* et la valeur de v* . Tableau 2
    COURBE COTE (m) U V
    18 1320 à 1347 29 1,37
    19 1460 à 1463,5 27 1,20
    20 1559 à 1566,5 26 0,87
  • Ainsi il apparaît que pour une usure faible la valeur de v * (et par conséquent de v ) a variée de façon significative, ce qui indique que la méthode selon l'invention permet de connaître l'usure de l'outil avec précision.
  • Les points représentés aux figures 3 et 4 correspondent aux valeurs ayant servi à l'établissement des différentes courbes. Il n'est pas nécessaire de tracer les courbes lors des différents tests. Il suffit d'obtenir la valeur de v ou d'une fonction de v pour être renseigné sur l'état d'usure de l'outil. Bien entendu, il est souhaitable que l'opérateur ait à sa disposition une représentation graphique des points représentatifs et des courbes correspondantes.
  • Les différentes courbes ainsi que les valeurs de u ont été données pour faciliter au lecteur la compréhension de la présente demande.
  • La méthode selon la présente invention permet d'éviter de forer avec des outils usés ou de remonter trop tôt des outils. La connaissance du degré d'usure des outils qu'elle permet intervient directement dans la réduction du coût des forages.

Claims (8)

1. - Méthode de détermination de l'usure d'organes de découpe d'un outil en cours de forage d'une formation rocheuse, par laquelle on mesure le poids W appliqué sur l'outil et le couple T nécessaire à la rotation dudit outil, le poids sur l'outil W et le couple T étant liés par une relation du type T = uW + vWα dans laquelle u et v sont des paramètres et α est un coefficient dépendant entre autre de la formation, caractérisée en ce que

- on applique une succession de valeurs de poids sur l'outil en cours de forage pendant une première période de test,
- on effectue une première série de mesures, au niveau de l'outil, sur le couple et le poids pendant la première période de test,
- on établit à partir de ladite première série de mesures une portion de courbe représentative des variations du couple en fonction des variations du poids,
- on garde en mémoire ladite portion de courbe établie pendant la première période de test,
- on réalise au cours de l'avance du forage une succession de périodes de test, pour chacune desquelles on établit ladite portion de courbe représentative correspondante,
- on compare la portion de courbe obtenue pour une période de test donnée avec au moins une portion de courbe précédemment obtenue,
- on en déduit le degré d'usure des organes de découpe en fonction de la variation d'au moins une grandeur liée auxdites portions de courbe.
2. - Méthode de détermination de l'usure selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première série de mesures à partir de laquelle on obtient la première portion de courbe, est réalisée sur un outil neuf pratiquement sans usure.
3. - Méthode de détermination de l'usure selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la grandeur dépendante des portions de courbes représentatives dont on déduit l'usure sur les organes des découpe, est liée à la concavité desdites courbes.
4. - Méthode de détermination de l'usure selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la grandeur liée auxdites portions de courbes dépend de la valeur du rayon de courbure moyen de ladite portion de courbe.
5. - Méthode de détermination de l'usure selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on détermine pour une période de test donnée au moins une fonction du paramètre v à partir, d'une part desdites portions de courbes liées aux périodes de tests précédents et d'autre part de la relation T = uW + vWαet que l'on déduit le degré d'usure des organes de découpe de l'outil par la diminution de ladite fonction du paramètre V.
6. - Méthode de détermination de l'usure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'on effectue un balayage par paliers de la valeur du poids sur l'outil au voisinage de sa valeur de consigne et on détermine les valeurs correspondantes de W et T au cours de ce balayage.
7. - Dispositif pour la détermination de l'usure d'organes de découpe d'un outil en cours de forage d'une formation rocheuse, comportant des moyens de mesures au fond du puits du poids W sur l'outil et du couple T nécessaire à la rotation dudit outil, des moyens d'application d'un poids sur l'outil pendant une période de test, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de transmission des mesures de poids et du couple à une unité de traitement qui convertit lesdites mesures en une courbe représentative des variations du couple en fonction des variations du poids, des moyens de mise en mémoire de ladite courbe représentative pour une période de test donnée, des moyens de comparaison de différentes courbes représentatives liées à des périodes de test successives, des moyens de calcul du degré d'usure à partir de la variation d'une grandeur liée auxdites courbes représentatives.
8. - Dispositif de détermination d'usure selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'unité de traitement est intégré à un calculateur situé en surface.
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