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

Impact of the rock cutting process on the occurrence of drillstring torsional vibrations

• Auteur / Autrice : Gilles Pelfrêne
• Direction : Hédi Sellami
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Techniques et économie de l'exploitation du sous-sol
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Centre de géosciences (Fontainebleau, Seine et Marne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Foreuses

Machines -- Vibrations

Pétrole -- Puits -- Forage

Résumé

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.

PDC drillbits can experience intense rotary speed fluctuations which hamper drilling operations. This phenomenon, known as stick-slip, is self-sustained and occurs in many common drilling contexts. It is generally assumed that stick-slip instabilities result from the decrease of the torque-on-bit with the drillbit rotary speed. Many solutions have been introduced to mitigate stick-slip, but neither the root cause of the torque decrease, nor the effective role of the drillbit have been clearly identified yet. This thesis aims at studying the influence of the rotary speed on the mechanical response of the PDC drillbit, both experimentally and theoretically. An extensive program of drilling tests has shown that forces acting on PDC drillbits, as well as on their individual cutters, strongly depend on the cutting velocity. This rate-effect has been attributed to the dynamic shearing of a dense layer of crushed rock trapped at the tip of the cutter. A new semi-empirical rate-dependent bit-rock interaction model has been calibrated on these experiments to predict the dynamic response of real PDC drillbits. It is in good agreement with drilling tests performed with full scale PDC drillbits. The model has been coupled with a drillstring torsional dynamics software to compute the corresponding risk of stick-slip. The dynamic bit-rock interaction model explains why the torque decreases with the rotary speed and shows that the risk of stick-slip can be significantly reduced by selecting the appropriate PDC drillbit design.