Rôle du processus de forabilité des roches dans les vibrations de torsion des systèmes de forage pétrolier

• Main Author: Pelfrene, Gilles
• Language: FRE
• Published: École Nationale Supérieure des Mines de Paris 2010
• Subjects: [SDU:STU:AG] Sciences of the Universe/Earth Sciences/Applied geology; stick-slip; outil PDC; processus de forabilité des roches; système à masse concentrée; essais de forabilité; modèle d'interaction dynamique outil-roche
• Online Access: http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00563835; http://pastel.archives-ouvertes.fr/docs/00/56/38/35/PDF/pelfrene_gilles_manuscrit.pdf

Les outils de forage de type PDC peuvent subir d'intenses variations de leur vitesse de rotation, qui perturbent le déroulement des opérations de forage. Ce phénomène auto-entretenu, appelé stick-slip, se produit dans une variété de contextes de forage actuels et on admet généralement que l'instabilité est due à la décroissance du couple à l'outil suivant la vitesse de rotation. De nombreux dispositifs ont été introduits pour limiter son apparition, mais ni la cause physique de cette décroissance, ni le rôle joué par l'outil n'ont été clairement identifiés jusqu'à présent. Cette thèse vise à étudier, expérimentalement et théoriquement, la réponse mécanique des outils PDC lorsqu'ils sont soumis à des variations de leur vitesse de rotation. Une campagne d'essais de forabilité des roches a montré que les efforts qui s'exercent autant sur les outils PDC, que sur les taillants qui les composent, dépendent significativement de la vitesse de rotation. On a attribué ce phénomène au cisaillement dynamique d'une couche de roche broyée, compactée à l'interface entre le taillant et la saignée. Un modèle semi-empirique d'interaction dynamique outil-roche a été ajusté sur ces expériences pour prédire la réponse dynamique d'outils réels, puis validé à partir des essais sur outils de forage à l'échelle 1. Il a été couplé à un algorithme décrivant la dynamique en torsion des garnitures de forage pour calculer le risque de stick-slip associé. Le modèle développé explique non seulement, pourquoi le couple à l'outil diminue avec la vitesse de rotation mais aussi montre qu'il est possible de réduire le risque de stick-slip en sélectionnant la conception d'outil PDC appropriée.