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Eléments d’une Garniture de Forage
La garniture de forage est la partie le plus important dans une opération de forage pétrolier. Elle est la partie descendant dans le puits. Désignée aussi par arbre de forage, en raison de la mécanique de liaison qu’elle établit entre la motorisation rotative en surface et le trépan, elle correspond à la partie opérative dans le puits. Plusieurs taches sont dans son domaine d’application dont la transmission de l’énergie nécessaire à la désagrégation de la roche, la transmission de la force de poussée, le guide et le contrôle de la trajectoire du puits, ainsi que la circulation du fluide de forage. Sur toute sa longueur, elle est constituée essentiellement des masses tiges (Drill Collars) et des trains de tiges (Drill pipes). A cela se greffent des accessoires tels que les stabilisateurs des masses tiges, les amortisseurs de choc, les systèmes de mesures et tous ce qui peut être indispensable pendant l’opération. (figure 1)
Tiges de forage (drill-pipe) :
C’est la partie la plus longue de la garniture, elle est constituée d’une série importante de tubes minces qui sert à compléter le reste de la longueur de trou qui n’est pas occupé par le trépan et les masses-tiges. En cours de forage, lorsque la profondeur atteinte dépasse la longueur cumulée du trépan et des masses-tiges nécessaires, la différence est complétée avec des tiges de forage. (Figure 2)
Masse-tiges (drill-collars) :
Les masses-tiges (tiges maîtresses) sont des tubes lourds qui servent à fournir le poids sur l’outil nécessaire à la désagrégation des roches pendant le forage. Elles constituent les secondes pièces principales du train de sonde, étant montées au-dessus du trépan. Pour qu’elles puissent assurer leur rôle dans le cadre d’une longueur raisonnable, les masses-tiges sont confectionnées avec une paroi très épaisse leur conférant un poids linéaire très grand (de trois fois celui des tiges forage de même diamètre extérieur). Par conséquent, pendant la phase de forage, le train de masses-tiges est en partie, voire en totalité, en état de compression.
Stabilisateurs :
Ils servent à centrer la tige dans le trou et permettent également de contrôler le comportement directionnel de la garniture suivant leurs nombre et position. Les stabilisateurs continuent à jouer ce rôle malgré l’utilisation croissante des nouveaux systèmes de plus en plus sophistiqués de contrôle de la direction du forage (figure 3)
Equipements de mesure (MWD) :
Ils sont placés au fond (à quelques mètres au-dessus de l’outil de forage) ou bien en surface. Ces équipements contiennent des instruments sophistiqués pour la mesure des différents paramètres, en particulier les paramètres de la direction du forage (inclinaison, azimut du puits au point de mesure). Les données mesurées au fond sont transmises à la surface sous forme de pulse de pression.
Moteur fond de trou :
C’est un moteur de type moineau qui utilise la puissance hydraulique de la boue de forage pour fournir à l’outil de forage plus de couple en rotation afin de réduire l’usure du train de tiges. C’est un élément indispensable du forage directionnel mais il peut entrainer des vibrations latérales à l’outil (Warren et al, 1990). (figure 5)
Vibrations Axiales
Les vibrations axiales (Figure 6) sont les premières à être observées puisque ce mode de vibrations se propage facilement vers la surface et sont à l’origine des fluctuations du poids sur l’outil.
Ces fluctuations affectent le taux de pénétration (ROP) de l’outil dans la roche et mènent à l’interruption du forage. Les vibrations axiales sont dues essentiellement aux rugosités des roches forées et aux effets de la pompe à boue et du moteur fond du trou.
Le « bit-bounce » est une forme sévère des vibrations axiales, ces vibrations peuvent se propager à la surface et engendrent un phénomène de résonance de l’installation de surface. Ce phénomène se produit quand l’outil est en contact intermittent avec le fond du trou. L’outil tricône est plus propice pour développer ce type de vibrations. Le bit-bounce est considéré comme un mode de vibrations forcées qui peuvent être contrôlées en changeant la fréquence d’excitation, ce qui revient à faire varier la vitesse de rotation
Vibrations de Torsion
Des variations du couple de torsion en surface sont souvent observées au cours du forage. Par ailleurs, même si la vitesse de rotation est maintenue constante en surface, des mesures fond de trou montrent que la vitesse de rotation de l’outil de forage peut présenter des fluctuations. Ces observations mettent en évidence l’existence des vibrations de torsion au niveau de la garniture (Figure 6). L’interaction garniture-formation est la cause primaire de ces vibrations. Les vibrations de torsion sont aussi nocives que les vibrations axiales puisqu’elles causent l’usure de tiges, l’endommagement des raccords de tiges et de l’outil de forage.
Le phénomène de stick-slip est la forme sévère des vibrations de torsion, il se produit généralement au niveau de l’outil et est caractérisé par une alternance de phases d’arrêt et d’accélération de l’outil. Pendant la phase d’accélération, la vitesse de rotation de l’outil peut atteindre plusieurs multiples de la vitesse de consigne en surface (Figure7).
Ce phénomène est produit principalement par les différentes zones de contact entre la BHA et le puits (ce sont des interactions tiges-paroi de puits et trépan-roche). Ce contact crée des forces de frottement dont les plus importantes sont du frottement non linéaire entre le trépan et la roche : fonction de sa vitesse.
En plus de son rôle de lubrification et refroidissement de l’outil, la boue influe le coefficient de frottent entre le trépan et la roche. Son influence est sur le coefficient de frottement visqueux, qu’on étudiera dans ce travail, en cherchant son influence sur le phénomène de Stick-Slip.
Vibrations Latérales
Les vibrations latérales ont été mises en évidence plus tardivement que les vibrations axiales et de torsion. Ces vibrations ne se propagent pas à la surface et sont rapidement atténuées, elles restent souvent localisées au niveau de la partie basse du système de forage, c’est-à-dire au niveau de la BHA.
La détection des vibrations latérales a été rendue possible grâce au développement des mesures d’accélération fond de trou au cours du forage.
Les vibrations latérales sont plus nuisibles pour la garniture de forage que les vibrations axiales et de torsion. En fait, ces vibrations sont responsables de la rupture des tiges par fatigue (Figure 8) et de l’usure de l’outil (Figure 9). Les chocs répétés entre la garniture et la paroi du puits peuvent élargir le trou dans certaines zones et sont responsables de la non-uniformité du diamètre de forage
Model du contact outil-roche
A cause de la diversité et l’inhomogénéité de la structure des roches à forer, la modélisation du contact entre ce dernier et l’outil s’avère complexe. De ce fait, plusieurs modèles interaction outil-rochet ont été élaborées et modélisé. Parmi ces modèles, le modèle de DETOURNAY qui est relativement facile à exploiter sera développé dans ce travail (DETOURNAY et al, 1992)
L’interaction entre le trépan monobloc et la roche est en fait une combinaison de deux processus : la coupe de la roche et le frottement de l’outil contre la roche.
Processus de coupe
Les outils à élément de coupe fixe (PDC ou TSP) travaillent à la façon de l’outil d’une machine-outil en cisaillant la roche. Mais pour aboutir à cet effet, un effort d’écrasement nécessaire pour contrer toutes résistances du système et un effort de coupe entrainant l’outil en rotation sera appliqué. Le couple de coupe résultant sur l’outil est donné par : Tc= 12 R2bit ε d (1).
Avec :
Rbit : Rayon de l’outil (m).
ε : Energie spécifique intrinsèque de la roche (J/m3).
d : profondeur de coupe (m/rev).
Processus de frottement sec
L’apport de couple qui s’oppose au couple de frottement de l’outil contre la roche est impératif lors d’un processus de forage. Le modèle de frottement pris en compte dans cette étude est celui de KARNOPP. Ce modèle été conçu pour permettre de définir un intervalle de vitesse nulle dans lequel le frottement n’est plus une fonction de la vitesse, mais dépend seulement de la force externe. Ce modèle est capable de simuler le mouvement de type Stick-Slip.
Simulation d’un phénomène stick-slip
Les paramètres du modèle utilisés dans les simulations sont donnés dans les tableaux dans le chapitre précédent. Les moments d’inertie équivalents, les coefficients de frottement équivalents, la constante de raideur des tiges de forage sont calculés à l’aide des formules données dans l’annexe A, le script MATLAB est présenté dans l’annexe B.
L’introduction d’un poids sur l’outil Wob = 20 tonnes, constante et avec la tension du moteur v= 225V fait naître aussi tôt le phénomène stick-slip. (figure 14)
Influence de la viscosité dynamique de boue de forage
Pour voir l’influence de la viscosité du fluide de forage sur la dynamique de la garniture, une simulation est faite en changeant les constantes de frottement visqueux dans le modèle par un changement de la viscosité dynamique de la boue de forage Cb = 63.15 Nms/rad, et cela sous une entrée Wob = 20tonnes et une tension du moteur v=225V (figure 17).
Suppression du phénomène stick-slip
La vitesse de rotation de la table, le poids sur l’outil, et la viscosité de la boue de forage sont les principaux variables pour attenuer la vibration de torsion. Selon les resultats obtenus precedement, ces paramètres peuvent s’opérer separement mais possedent chacun des inconvenients majeurs. La préservation de la garniture est vitale pendant l’opération, il faut donc éliminer tous facteur risque. Pour que la suppression du phénomène soit bien faite (figure 18), la meilleure façon c’est de combiner ces 3 paramètres en même temps : v = 250V ; Wob = 17 tonnes ; Cb = 51.23 Nms/rad.
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Table des matières
INTRODUCTION
I. DESCRIPTION DE LA GARNITURE DE FORAGE
A. Eléments d’une Garniture de Forage
1. Tiges de forage (drill-pipe)
2. Masse-tiges (drill-collars)
3. Stabilisateurs
4. Outil de forage
5. Equipements de mesure (MWD)
6. Moteur fond de trou
Dynamique des Tiges de Forage
1. Vibrations Axiales
2. Vibrations de Torsion
3. Vibrations Latérales
II. MATERIELS ET METHODES
A. Model de contacte outil-roche
1. Processus de coupe
2. Processus de frottement sec
B. Dynamique du BHA
C. Dynamique du Top Drive
D. Mise sous forme d’état
III. RESULTATS DE SIMULATIONS ET DISCUSSION
A. Simulation d’un phénomène stick-slip
B. Influence du changement de vitesse du Top drive
C. Influence de variation du poids sur l’outil
D. Influence de la viscosité dynamique de boue de forage
E. Suppression du phénomène stick-slip
CONCLUSION
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