Aperçu de la mesure en cours de forage (MWD)

Bien que de nombreuses mesures soient prises pendant le forage, le terme MWD fait référence aux mesures prises en fond de puits avec un appareil électromécanique situé dans l'ensemble de fond de puits (BHA).

Aperçu

Les méthodes de télémétrie peinaient à traiter les volumes importants de données de fond de puits ; la définition de la mesure en cours de forage (MWD) a donc été élargie pour inclure les données stockées dans la mémoire de l’outil et récupérées lors de sa remontée en surface. Tous les systèmes MWD comportent généralement trois sous-composants principaux :

Système électrique

système de télémétrie

Capteur directionnel

Systèmes électriques

Les systèmes d'alimentation des outils de mesure en cours de forage (MWD) se classent généralement en deux catégories : à batterie ou à turbine. Chaque type présente des avantages et des inconvénients. Dans de nombreux systèmes MWD, une combinaison de ces deux types d'alimentation est utilisée pour alimenter l'outil MWD et éviter toute interruption de courant lors des variations intermittentes du débit de fluide de forage. Les batteries peuvent fournir cette alimentation indépendamment de la circulation du fluide de forage et sont indispensables si des diagraphies doivent être effectuées pendant les manœuvres de descente ou de remontée de l'outil.

Systèmes de batteries

Les batteries au chlorure de thionyle de lithium sont couramment utilisées dans les systèmes MWD en raison de leur excellente combinaison de haute densité énergétique et de performances supérieures aux températures de service des MWD. ​​Elles fournissent une source de tension stable jusqu'à une fin de vie très proche et ne nécessitent pas d'électronique complexe pour le conditionnement de l'alimentation. Cependant, ces batteries ont une puissance de sortie instantanée limitée et peuvent ne pas convenir aux applications nécessitant une forte consommation de courant. Bien que sûres à basse température, elles peuvent subir une réaction violente et accélérée, voire exploser, si elles sont chauffées au-dessus de 180 °C. Par conséquent, leur transport dans les avions de ligne est soumis à des restrictions. Malgré leur grande efficacité sur l'ensemble de leur durée de vie, ces batteries ne sont pas rechargeables et leur élimination est soumise à une réglementation environnementale stricte.

Systèmes de turbines

La seconde source de production d'énergie abondante, l'énergie des turbines, exploite le débit du fluide de forage. La force de rotation est transmise par le rotor d'une turbine à un alternateur via un arbre commun, générant un courant alternatif triphasé (CA) à fréquence variable. Un circuit électronique redresse ce courant alternatif en courant continu (CC) utilisable. Les rotors de turbines de cet équipement doivent supporter une large plage de débits afin de s'adapter à toutes les conditions de pompage de la boue. De même, ils doivent pouvoir tolérer d'importantes quantités de débris et de pertes de circulation (PC) entraînées par le fluide de forage.

Systèmes de télémétrie

La télémétrie par impulsions de boue est la méthode standard dans les systèmes commerciaux de diagraphie en cours de forage (MWD) et de diagraphie en cours de forage (LWD). Les systèmes acoustiques qui transmettent le signal dans la colonne de forage subissent une atténuation d'environ 150 dB par 1 000 m dans le fluide de forage. Plusieurs tentatives ont été faites pour concevoir des colonnes de forage spéciales avec un câble intégré. Bien qu'elle offre des débits de données exceptionnellement élevés, la méthode de télémétrie par câble intégré nécessite :

tiges de forage spéciales coûteuses

Manipulation spéciale

Des centaines de connexions électriques qui doivent toutes rester fiables dans des conditions difficiles.

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

La transmission électromagnétique à basse fréquence est utilisée commercialement de façon limitée dans les systèmes MWD et LWD. Elle est parfois employée lorsque l'air ou la mousse servent de fluide de forage. La profondeur de transmission de la télémétrie électromagnétique est limitée par la conductivité et l'épaisseur des formations sus-jacentes. Des répéteurs ou amplificateurs de signal, placés dans la garniture de forage, permettent d'étendre la profondeur de transmission fiable des systèmes électromagnétiques.

Il existe trois systèmes de télémétrie par impulsions de boue : les systèmes à impulsions positives, à impulsions négatives et à onde continue. Ces systèmes sont nommés selon le mode de propagation de leurs impulsions dans le volume de boue. Les systèmes à impulsions négatives créent une impulsion de pression inférieure à celle du volume de boue en évacuant une petite quantité de boue de forage haute pression du train de tiges vers l’espace annulaire. Les systèmes à impulsions positives créent une restriction momentanée du débit (pression supérieure à celle du volume de boue de forage) dans le train de tiges. Les systèmes à onde continue génèrent une fréquence porteuse transmise par la boue et codent les données en utilisant les déphasages de cette porteuse. Différents systèmes de codage de données sont utilisés, souvent conçus pour optimiser la durée de vie et la fiabilité de l’émetteur, car celui-ci doit résister au contact direct avec le flux de boue abrasif à haute pression.

La détection des signaux de télémétrie est assurée par un ou plusieurs transducteurs situés sur la colonne montante de l'appareil de forage. Les données sont extraites de ces signaux par un ordinateur de surface, installé soit sur un châssis, soit sur la plateforme de forage. La réussite du décodage des données dépend fortement du rapport signal/bruit.

Il existe une corrélation étroite entre l'amplitude du signal et le débit de données de télémétrie : plus le débit est élevé, plus l'amplitude de l'impulsion est faible. La plupart des systèmes modernes permettent de reprogrammer les paramètres de télémétrie de l'outil et de ralentir la vitesse de transmission des données sans interruption de forage ; cependant, ce ralentissement a un impact négatif sur la densité des données enregistrées.

Bruit du signal

Les pompes à boue constituent la principale source de bruit dans le signal, générant souvent un bruit de fréquence relativement élevée. Les interférences entre les fréquences des pompes produisent des harmoniques, mais ces bruits de fond peuvent être filtrés par des techniques analogiques. Les capteurs de vitesse de pompe permettent d'identifier et de supprimer efficacement ce bruit du signal de télémétrie brut. Les moteurs de forage génèrent souvent un bruit de basse fréquence dans le volume de boue. La profondeur du puits et le type de boue influent également sur l'amplitude et la largeur du signal reçu. En général, les boues à base d'huile (OBM) et les boues pseudo-huileuses sont plus compressibles que les boues à base d'eau ; elles entraînent donc les pertes de signal les plus importantes. Néanmoins, des signaux ont été récupérés sans difficulté majeure à des profondeurs de près de 9 144 m (30 000 pi) dans des fluides compressibles.

Capteurs directionnels

La technologie de pointe en matière de capteurs directionnels repose sur un ensemble de trois magnétomètres à fluxgate orthogonaux et de trois accéléromètres. Bien que, dans des conditions normales, les capteurs directionnels standard fournissent des levés acceptables, toute application présentant une incertitude quant à la position du fond de puits peut s'avérer problématique. La tendance récente au forage de puits plus longs et plus complexes a mis en évidence la nécessité d'un modèle d'erreur standard.

Les travaux menés par le Comité directeur de l'industrie sur la précision des puits (ISCWA) visaient à établir une méthode standard de quantification des incertitudes de positionnement et des niveaux de confiance associés. Les principales sources d'erreur ont été classées comme suit :

Erreurs de capteur

Interférences magnétiques provenant du BHA

Mauvais alignement des outils

Incertitude du champ magnétique

Outre les incertitudes liées à la profondeur mesurée, les incertitudes du levé de fond de puits contribuent aux erreurs de profondeur absolue. Il convient de noter que toutes les méthodes de correction d'azimut en temps réel nécessitent la transmission de données brutes en surface, ce qui sollicite le canal de télémétrie.

Le développement de systèmes de navigation MWD à gyroscope offre des avantages considérables par rapport aux capteurs de navigation existants. Outre une précision accrue, les gyroscopes sont insensibles aux interférences magnétiques. La technologie gyroscopique actuelle repose sur l'intégration d'une robustesse mécanique, la miniaturisation du diamètre externe et la réduction de la sensibilité à la température. Son principal intérêt réside dans le gain de temps d'utilisation de la plateforme, habituellement consacré aux gyroscopes à câble, lors des opérations de départ dans des zones affectées par des interférences magnétiques.

environnement d'exploitation et fiabilité des outils

Les systèmes MWD sont utilisés dans les environnements d'exploitation les plus extrêmes. Les ingénieurs et les concepteurs connaissent bien les conditions difficiles telles que la haute pression et la température élevée. L'industrie du diagraphie filaire a une longue tradition de maîtrise de ces conditions.

Température

La plupart des outils de diagraphie en cours de forage (MWD) peuvent fonctionner en continu jusqu'à 150 °C, certains capteurs supportant des températures allant jusqu'à 175 °C. La température des outils MWD peut être inférieure de 20 °C à celle de la formation mesurée par diagraphie filaire, en raison du refroidissement induit par la circulation de la boue. Ainsi, les températures les plus élevées rencontrées par les outils MWD sont celles mesurées lors de la descente dans un puits où le fluide de forage n'a pas circulé pendant une période prolongée. Dans ce cas, il est conseillé d'interrompre la circulation périodiquement pendant la descente. L'utilisation d'un vase Dewar pour protéger les capteurs et l'électronique des hautes températures est courante en diagraphie filaire, où les temps d'exposition en fond de puits sont généralement courts. Cependant, cette pratique n'est pas envisageable en MWD en raison des longs temps d'exposition aux hautes températures.

Pression

Pour les systèmes MWD, la pression de fond est moins problématique que la température. La plupart des outils sont conçus pour résister à une pression de 20 000 psi, certains outils spécialisés supportant jusqu'à 25 000 psi. La combinaison de la pression hydrostatique et de la contre-pression du système atteint rarement cette limite.

Secousses et vibrations de fond de puits

Les chocs et vibrations de fond de puits constituent les défis les plus importants pour les systèmes de mesure en cours de forage (MWD). Contrairement aux attentes, les premiers essais réalisés avec des systèmes de fond de puits instrumentés ont montré que l'amplitude des chocs latéraux est considérablement supérieure à celle des chocs axiaux lors d'un forage normal. Les outils MWD modernes 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 les accélérations de torsion dues au phénomène de stick-slip, peuvent également être significatifs. Soumis à des phénomènes de stick-slip répétés, les outils risquent de se rompre.

Statistiques de fiabilité des outils

Les premiers travaux de normalisation de la mesure et du compte rendu des statistiques de fiabilité des outils de mesure en cours de forage (MWD) consistaient à définir une défaillance et à diviser le nombre total d'heures de fonctionnement réussies par le nombre total de défaillances. Ces travaux ont permis d'obtenir le temps moyen entre les défaillances (MTBF). Si les données étaient accumulées sur une période statistiquement significative (généralement 2 000 heures), des tendances pertinentes pouvaient être dégagées pour l'analyse des défaillances. Cependant, avec la complexification des outils de fond de puits, l'Association internationale des entrepreneurs de forage (IADC) a publié des recommandations concernant l'acquisition et le calcul des statistiques MTBF.

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