Mesure pendant le forage (MWD)

Mesure pendant le forage (MWD)

Les méthodes de télémétrie avaient du mal à gérer les grands volumes de données de fond, c'est pourquoi la définition du MWD a été élargie pour inclure les données stockées dans la mémoire de l'outil et récupérées lorsque l'outil était remonté à la surface. Tous les systèmes MWD comportent généralement trois sous-composants principaux :

• Système d'alimentation
• Système de télémétrie
• Capteur directionnel

Systèmes électriques

Les systèmes électriques dans MWD peuvent généralement être classés en deux types : batterie ou turbine. Les deux types de systèmes électriques présentent des avantages et des inconvénients inhérents. Dans de nombreux systèmes MWD, une combinaison de ces deux types de systèmes d'alimentation est utilisée pour alimenter l'outil MWD afin que l'alimentation ne soit pas interrompue pendant les conditions intermittentes d'écoulement du fluide de forage-. Les batteries peuvent fournir cette puissance indépendamment de la circulation du fluide de forage-, et elles sont nécessaires si la diagraphie se produit pendant l'entrée ou la sortie du trou.

Systèmes de batterie

Les batteries au lithium-chlorure de thionyle sont couramment utilisées dans les systèmes MWD en raison de leur excellente combinaison de densité énergétique élevée-et de performances supérieures aux températures de service MWD. Ils fournissent une source de tension stable jusqu’à la fin de leur durée de vie et ne nécessitent pas d’électronique complexe pour conditionner l’alimentation. Ces batteries ont cependant une production d’énergie instantanée limitée et peuvent ne pas convenir aux applications nécessitant une consommation de courant élevée. Bien que ces batteries soient sans danger à des températures plus basses, si elles sont chauffées au-dessus de 180 degrés, elles peuvent subir une réaction violente et accélérée et exploser avec une force importante. En conséquence, il existe des restrictions sur l'expédition de batteries au lithium-chlorure de thionyle dans les avions de passagers. Même si ces batteries sont très efficaces sur leur durée de vie, elles ne sont pas rechargeables et leur élimination est soumise à des réglementations environnementales strictes.

Systèmes de turbines

La deuxième source de production d'énergie abondante, l'énergie des turbines, utilise le flux de fluide de forage-de la plate-forme. La force de rotation est transmise par un rotor de turbine à un alternateur via un arbre commun, générant un courant alternatif (AC) triphasé de fréquence variable. Les circuits électroniques redressent le courant alternatif en courant continu (CC) utilisable. Les rotors de turbine de cet équipement doivent accepter une large plage de débits pour s'adapter à toutes les conditions possibles de pompage de boue-. De même, les rotors doivent être capables de tolérer des débris considérables et des matériaux à circulation perdue (LCM) entraînés dans le fluide de forage.

Systèmes de télémétrie

La télémétrie par impulsions de boue-est la méthode standard dans les systèmes commerciaux MWD et d'enregistrement pendant le forage (LWD). Les systèmes acoustiques qui transmettent jusqu'à la tige de forage subissent une atténuation d'environ 150 dB par 1 000 m de fluide de forage.^[1]Plusieurs tentatives ont été faites pour construire une tige de forage spéciale avec un câble intégré. Bien qu’elle offre des débits de données exceptionnellement élevés, la méthode de télémétrie câblée intégrale nécessite :

• Tiges de forage spéciales coûteuses
• Manutention spéciale
• Des centaines de connexions électriques qui doivent toutes rester fiables dans des conditions difficiles

L'explosion des mesures en fond de puits a stimulé de nouveaux travaux dans ce domaine,^[2]et des débits de données supérieurs à 2 000 000 bits/seconde ont été démontrés.

La transmission électromagnétique basse-fréquence est d'un usage commercial limité dans les systèmes MWD et LWD. Il est parfois utilisé lorsque de l'air ou de la mousse sont utilisés comme fluide de forage. La profondeur à partir de laquelle la télémétrie électromagnétique peut être transmise est limitée par la conductivité et l'épaisseur des formations sus-jacentes. Les répéteurs ou amplificateurs de signal positionnés dans le train de tiges étendent la profondeur à partir de laquelle les systèmes électromagnétiques peuvent transmettre de manière fiable.

Trois systèmes de télémétrie à impulsions de boue-sont disponibles : systèmes à impulsions positives-, à impulsions négatives-et à ondes continues-. Ces systèmes doivent leur nom à la manière dont leurs impulsions se propagent dans le volume de boue. Les systèmes d'impulsions négatives-créent une impulsion de pression inférieure à celle du volume de boue en évacuant une petite quantité de boue de train de tiges-à haute pression de la tige de forage vers l'espace annulaire. Les systèmes d'impulsions positives-créent une restriction momentanée du débit (pression supérieure au volume de boue-de forage) dans la tige de forage. Les systèmes à ondes continues-créent une fréquence porteuse qui est transmise à travers la boue et codent les données en utilisant les déphasages de la porteuse. De nombreux systèmes de codage de données-différents sont utilisés, qui sont souvent conçus pour optimiser la durée de vie et la fiabilité du pulseur, car il doit survivre au contact direct avec le flux de boue abrasif-à haute pression.

La détection du signal de télémétrie-est effectuée par un ou plusieurs transducteurs situés sur la borne-fontaine de l'installation. Les données sont extraites des signaux par un équipement informatique de surface hébergé soit dans une unité sur châssis, soit sur le plancher de forage. Le succès du décodage des données dépend fortement du rapport signal-sur-bruit.

Il existe une corrélation étroite entre la taille du signal et le débit des données de télémétrie ; plus le débit de données est élevé, plus la taille de l'impulsion devient petite. La plupart des systèmes modernes ont la capacité de reprogrammer les paramètres de télémétrie de l'outil et de ralentir la vitesse de transmission des données-sans sortir du trou ; cependant, le ralentissement du débit de données affecte négativement la densité des données de journal-.

Bruit des signaux

Les sources de bruit de signal les plus notables sont les pompes à boue, qui créent souvent un bruit à fréquence relativement élevée-. Les interférences entre les fréquences de pompe conduisent à des harmoniques, mais ces bruits de fond peuvent être filtrés à l'aide de techniques analogiques. Les capteurs de vitesse de pompe- peuvent être une méthode très efficace pour identifier et supprimer le bruit de pompe du signal de télémétrie brut. Le bruit à basse fréquence-dans le volume de boue est souvent généré par les moteurs de forage. La profondeur du puits et le type de boue affectent également l'amplitude et la largeur du signal reçu-. En général, les boues à base d'huile-(OBM) et les boues à base de pseudo-huile-sont plus compressibles que les boues à base d'eau- ; par conséquent, ils entraînent les plus grandes pertes de signal. Néanmoins, des signaux ont été récupérés sans problèmes significatifs à des profondeurs de près de 9 144 m (30 000 pieds) dans des fluides compressibles.

Capteurs directionnels

L'état de l'art en matière de technologie de capteurs directionnels-est un ensemble de trois magnétomètres à fluxgate orthogonaux et de trois accéléromètres. Bien que dans des circonstances normales, les capteurs directionnels standard fournissent des relevés acceptables, toute application dans laquelle existe une incertitude quant à l'emplacement du fond de trou peut être gênante. Les tendances récentes au forage de puits plus longs et plus complexes ont attiré l'attention sur la nécessité d'un modèle d'erreur standard.

Les travaux menés par l'Industry Steering Committee on Wellbore Accuracy (ISCWA) visaient à fournir une méthode standard de quantification des incertitudes de position avec les niveaux de confiance associés. Les principales sources d’erreur ont été classées :

• Erreurs de capteur
• Interférence magnétique du BHA
• Désalignement des outils
• Incertitude du champ magnétique-

Outre les incertitudes sur la profondeur mesurée, les incertitudes des levés de fond de trou contribuent aux erreurs sur la profondeur absolue. Notez que toutes les méthodes de-correction d'azimut en temps réel nécessitent que des données brutes soient transmises à la surface, ce qui impose une charge sur le canal de télémétrie.

Le développement du MWD navigué par gyroscope (gyro)-offre des avantages significatifs par rapport aux capteurs de navigation existants. En plus d'une plus grande précision, les gyroscopes ne sont pas sensibles aux interférences des champs magnétiques. La technologie gyroscopique actuelle se concentre sur l’intégration de la robustesse mécanique, la minimisation du diamètre externe et la résolution de la sensibilité à la température. La principale application de cette technologie consiste à réduire le temps de montage utilisé par les gyroscopes filaires lors des lancements à partir de zones affectées par des interférences magnétiques.

Environnement d’exploitation des outils et fiabilité des outils

Les systèmes MWD sont utilisés dans les environnements d’exploitation les plus difficiles. Des conditions évidentes telles que des pressions et des températures élevées ne sont que trop familières aux ingénieurs et aux concepteurs. L’industrie du câble a depuis longtemps réussi à surmonter ces conditions.

Température

La plupart des outils MWD peuvent fonctionner en continu à des températures allant jusqu'à 150 degrés, certains capteurs étant disponibles avec des valeurs nominales allant jusqu'à 175 degrés. Les températures des outils MWD- peuvent être inférieures de 20 degrés aux températures de formation mesurées par les grumes filaires, en raison de l'effet de refroidissement de la circulation de la boue, de sorte que les températures les plus élevées rencontrées par les outils MWD sont celles mesurées lors de l'exécution dans un trou dans lequel le volume de fluide de forage-n'a pas circulé pendant une période prolongée. Dans de tels cas, il est conseillé d'interrompre périodiquement la circulation lors du passage dans le trou. L'utilisation d'un flacon de Dewar pour protéger les capteurs et les composants électroniques des températures élevées est courante dans le domaine du câble, où les temps d'exposition en fond de trou sont généralement courts, mais l'utilisation de flacons pour la protection de la température n'est pas pratique dans le MWD en raison des longs temps d'exposition à des températures élevées qui doivent être supportés.

Pression

La pression en fond de trou est moins un problème que la température pour les systèmes MWD. La plupart des outils sont conçus pour résister jusqu'à 20 000 psi, avec des outils spécialisés évalués à 25 000 psi. La combinaison de la pression hydrostatique et de la contre-pression du système s'approche rarement de cette limite.

Chocs et vibrations en fond de trou

Les chocs et les vibrations en fond de trou présentent aux systèmes MWD leurs défis les plus graves. Contrairement aux attentes, les premiers tests utilisant des systèmes de fond instrumentés ont montré que l'ampleur des chocs latéraux (d'un côté à l'autre) est considérablement supérieure à celle des chocs axiaux lors d'un forage normal. Les outils modem MWD sont généralement conçus pour résister à des chocs d'environ 500 G pendant 0,5 ms sur une durée de vie de 100 000 cycles. Les chocs de torsion, produits par des accélérations de torsion par bâton/glissement, peuvent également être importants. S’ils sont soumis à des collages/glissements répétés, les outils peuvent tomber en panne.

Statistiques de fiabilité des outils

Les premiers travaux effectués pour normaliser la mesure et la création de rapports sur les statistiques de fiabilité des outils MWD-se sont concentrés sur la définition d'une panne et sur la division du nombre total d'heures de circulation réussies par le nombre total de pannes. Ce travail a abouti à un nombre moyen de-temps-entre-défaillance (MTBF). Si les données ont été accumulées sur une période statistiquement significative (généralement 2 000 heures), des tendances significatives d'analyse des défaillances- pourraient être dérivées. Cependant, à mesure que les outils de fond de puits devenaient plus complexes, l'Association internationale des entrepreneurs en forage (IADC) a publié des recommandations sur l'acquisition et le calcul des statistiques MTBF.

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