Etude Dynamique d’un Puits Test

Nous disposons de mesures dynamiques de surfaces et de mesures dynamiques de fond réalisées en cours de forage. L’objectif premier est l’étude expérimentale de ces données de chantier pour déterminer l’éventuelle présence de vibrations et de whirling en particulier. Des simulations sont faites ensuite pour expliquer certaines de ces mesures. Il s’agit d’un puits école où le derrick présenté sur la Figure 3.1 est positionné sur des rails pour pouvoir forer à 13 endroits différents. Cet environnement présente plusieurs avantages tels que : un coût réduit et une connaissance parfaite des formations traversées vu le nombre élevé de puits forés sur le site. C’est pour ces raisons que la plateforme de Catoosa est largement utilisée pour tester la conception de certaines BHA (Gaynor et al., La trajectoire du puits est présentée sur la Figure 3.2, il s’agit d’un puits faiblement incliné surtout dans sa partie basse. Cette géométrie simple rend plus facile les simulations numériques que nous présenterons dans la suite. La Figure 3.3 montre la coupe géologique des formations forées sur le site de Catoosa. Dans notre cas, le forage a commencé à une profondeur de 493 m (soit 1617 ft) et s’est terminé à 606 m (soit 1988 ft). La formation traversée dans cette fourchette de profondeur est homogène, il s’agit de l’Arbuckle group constitué de dolomite dense (E=200 MPa) avec des nodules de chert.

Configuration de la Garniture

La trajectoire définie pour ce puits est pseudo verticale, c’est pour cela que la configuration de la BHA est de type stabilisant. Elle est composée d’un outil PDC classique, d’un système de mesure fond de trou (Isub de Maxwell), d’un premier stabilisateur, d’une masse-tige, d’un deuxième stabilisateur et d’un ensemble de masse-tiges suivies par un ensemble de L’essai comporte plusieurs phases, chacune est caractérisée par une vitesse de rotation et un poids sur l’outil. La vitesse de rotation varie en moyenne entre 55 et 125 RPM alors que le poids sur l’outil varie entre 2 et 10 tonnes. Le couple sur l’outil varie entre 1000 et 5000 Nm en moyenne. On dispose, à chaque phase, de mesures en surface de la profondeur, de la vitesse de rotation, du couple, du poids sur l’outil, du poids au crochet et du taux de pénétration. La fréquence de mesure en surface est légèrement supérieure à 1 Hz. On dispose également d’enregistrements de données au fond pour une analyse post-forage. Ces enregistrements sont réalisés à l’aide de l’Isub de Maxwell placé à 4 m de l’outil (Figure 3.5) à une fréquence de 50 Hz et portent sur le poids et le couple sur l’outil, les accélérations dans les trois directions (latérale, axiale, torsion), la vitesse de rotation, les moments de flexion ainsi que d’autres paramètres comme la température et la pression annulaire.

Les accélérations latérales et l’accélération de torsion ne sont pas mesurées directement. En effet, quatre accéléromètres centripètes sont disposés sur une section de l’Isub comme le montre la Figure 3.6. Donc on déduit les autres accélérations en utilisant les formules suivantes : Nous avons analysé les mesures dynamiques afin de déterminer les fréquences propres latérales, axiales et de torsion de la garniture de forage. En plus, nous avons tenté de détecter la présence des vibrations latérales les plus sévères et en particulier le whirling. Enfin, nous avons déterminé à partir des mesures une loi empirique de comportement de l’outil de forage qui relie le poids et le couple sur l’outil à la vitesse de pénétration de l’outil dans la roche (exprimée en pénétration par tour). Pour évaluer expérimentalement les fréquences propres, on se base sur les mesures des accélérations dont on calcule le spectre via la transformée de Fourier rapide (FFT11). Quand on calcule le spectre, il y a certainement des fréquences autres que les fréquences propres qui apparaissent, il s’agit des fréquences d’excitation, des fréquences de whirling ou bien du bruit. En plus, il est pratiquement impossible que toutes les fréquences propres apparaissent dans un seul spectre. Il est nécessaire donc de calculer le spectre pour différentes étapes du processus de forage c’est-à-dire pour différentes vitesses de rotation et différents poids sur l’outil. Ensuite, la comparaison des différents spectres permet de déterminer les fréquences propres.