An Easy-To-Use Method for Tracking Rock-Bit Wear While Drilling

Une méthode pratique pour suivre l'usure des outils au cours du forage

H. Fay

Institut Français du Pétrole

Abstract

One key factor in minimizing drilling costs is knowledge of rock-bit behaviour at the bottom of the well and particularly the state of bit wear. This paper describes a method giving information about bittooth wear while drilling. The basic concept requires the following torque equation that is a function of weight-on-bit (W),TOB = uW + vW²This equation is determined from measurement-while-drilling data, and knowledge of v provides the bit wear state, given the close correlation between these two parameters. Therefore a chief difficulty in the question is to find such a correlation. The theoretical approach, many laboratory drilling tests, and some fields results are described. Laboratory tests and field results have quantitatively confirmed the validity of the concept. It was found that v decreases as a quasi-linear function of bit wear and accordingly may be considered as a real-time wear criterion. Moreover the value of v is moderately affected by formation type. In the harsh economic environment of today, field applications of the method should lead to more accurate decisions as to when to pull out bits and thus to a reduction of drilling costs.

Résumé

Depuis 1985 l'Institut Français du Pétrole, avec la participation de Total CFP et de la Société Nationale Elf Aquitaine, a entrepris des travaux afin d'établir une méthode d'évaluation, en cours de forage, du degré d'usure des outils à dents fraisées. Cette évaluation permet en effet d'augmenter la sécurité et de réduire le coût d'un forage, en évitant par exemple la remontée précoce d'un outil peu usé ou la perte d'un outil au fond. Le procédé étudié se différencie de la plupart des méthodes classiques, du fait d'une estimation effective de l'usure en temps réel à partir de mesures de fond (1). Celles-ci correspondent au poids (W) et au couple (T) sur l'outil. La méthode est fondée sur la relation suivante, liant le couple au poids : T = uW + vW² Pour un outil neuf la courbe représentative de la relation précédente a, en général, une concavité dirigée vers le haut (cf. Fig. 2 et 7), qui ensuite diminue au fur et à mesure que l'outil s'use. D'où la possibilité d'établir une corrélation entre le degré d'usure des dents d'un outil et la valeur de v, celle-ci étant elle-même fonction de la concavité. Sur site, les valeurs de v ou de vN (valeur normalisée tenant compte du diamètre des outils) sont à déterminer en cours de forage. Afin de quantifier la relation entre le degré d'usure et la valeur de vN, des essais sur banc de forage ont été réalisés, en France, au centre de recherche d'Elf Aquitaine à Pau et, aux Etats-Unis, à Salt Lake City sur le banc de la société Terratek. Des échantillons d'argiles, de grès et de calcaires ont été forés à des profondeurs simulées atteignant 1 800 m. Les résultats obtenus ont montré que la valeur de vN variait en sens inverse du degré d'usure et de manière quasi linéaire (cf. tableaux 1, 2 et 3). Si l'influence de la nature de la formation n'est pas négligeable, elle n'apparaît pas comme le facteur prépondérant, comparativement à l'usure. Par ailleurs, des études théoriques (cf. paragr. 2) ont été menées conjointement aux essais expérimentaux, afin d'analyser la corrélation entre l'usure de l'outil et la valeur de vN en tant que critère d'usure. De même, pour valider en vraie grandeur l'utilisation de ce critère, des campagnes de mesure sur différents puits ont été effectuées. Les résultats d'un forage au large de la Hollande (cf. Fig. 10) et d'autres puits ont confirmé, pour un outil donné, la décroissance de la valeur de vN au fur et à mesure de l'avancement du forage, même lorsque la nature de la formation évolue de manière significative. Les résultats, obtenus aussi bien à partir d'essais sur banc de forage que sur site, ont donc montré que le paramètre vN, grandeur liée à la concavité de la courbe représentant le couple en fonction du poids sur l'outil, peut être considéré en tant que critère d'usure des outils à dents fraisées. Ce critère, obtenu à partir des valeurs mesurées du poids et du couple au fond, présente une bonne robustesse, car il est peu sensible aux variations de la vitesse de rotation ou de la pression différentielle (différence entre la pression au fond d'un puits et la pression de la formation traversée). Ainsi, la détermination du degré d'usure, à partir de l'évaluation de la valeur de vN, outre son impact positif au niveau de la sécurité, devrait permettre de déterminer au mieux l'instant de remontée des outils, donc de réduire le temps de forage et en conséquence les coûts. (1) En anglais: Measurement While Drilling (MWD).