Etude expérimentale du comportement dynamique des outils PDC 

Il existe quelques exemplaires de bancs de forage dans le monde permettant de tester le comportement mécanique d’outils de forage réels. Ces bancs sont généralement possédés par des fabricants d’outils et, suivant les cas, permettent de simuler des conditions de poids sur l’outil, de vitesse de rotation, de pression et de roches testées, plus ou moins représentatives de celles rencontrées à grande profondeur. Le banc de forage d’Armines à la halle d’essais de Pau cumule les plus importantes de ces caractéristiques expérimentales. Il est constitué d’un arbre de forage rigide au bout duquel est vissé un outil de forage (Fig. 2.1). L’arbre est entraîné en rotation à l’aide d’un moteur électrique de grande puissance (300 kW) et en translation verticale descendante à l’aide de puissants vérins (Fig. 2.1, gauche). Le banc est dimensionné pour étudier le forage des roches sur une profondeur de 50 cm par des outils de diamètre allant jusqu’à 12 »1/4. Un système de circulation de boue semblable à ceux qui sont utilisés sur chantier, permet d’injecter le fluide de forage à travers l’arbre de forage. Le fluide s’écoule ensuite à travers les buses de l’outil et permet de remonter les débris de coupe et de refroidir l’outil. Il est ensuite évacué vers les bacs à boue. Le banc permet d’effectuer des essais de forage des roches sous confinement. Comme illustré dans la Fig. 2.1 (droite), qui représente le schéma de principe de la cellule de forage, on peut injecter le fluide de forage sous pression et on peut appliquer à l’échantillon de roche une pression de pore, une pression de confinement latéral ainsi qu’une pression verticale.

La rotation de l’arbre est contrôlée en vitesse de rotation, comme dans le forage réel. Sa translation, autrement dit, la pénétration de l’outil dans l’échantillon de roche, peut-être contrôlée en poids sur l’outil ou en vitesse d’avance. Pour simuler des conditions réelles de forage, on a choisi de piloter tous les essais présentés dans ce chapitre en poids sur l’outil. Ce choix est compatible avec les résultats numériques du Chapitre 1, obtenus à partir de l’approche en torsion pure, pour laquelle le poids sur l’outil est supposé constant. Les outils P1 , P2 , P3 et H121 sont neufs et la roche forée avec ces outils est du calcaire de Buxy, qui est une roche dure dont la résistance à la compression simple, Rc , est 100 MPa. Les outils Pn et Pu , dont la nature confidentielle ne nous autorise pas à fournir la géométrie, sont identiques sauf que le premier est neuf et le second est usé. Pour ces outils, on a utilisé une roche très dure, le Calcaire Gris de Sainte-Anne (GSA), pour lequel Rc = 140 MPa. Le fluide de forage (eau ou boue à base d’eau) a  Dans cet essai, comme dans les autres, on a choisi de faire varier la vitesse de rotation de l’outil par paliers suffisamment longs (environ 5 à 10 s) pour que le poids sur l’outil se stabilise, en particulier aux vitesses faibles. On rassemble les paramètres opératoires des essais dans Tab. 2.1 :

Réponse en couple à des variations de la vitesse de rotation

Pour tous les essais, on constate que le couple à l’outil décroît significativement avec la vitesse de rotation. Cette observation vaut pour l’intégralité des essais (Tab. 2.1). On retrouve donc en laboratoire et en régime quasi statique, c’est-à-dire en l’absence de stick-slip, le même phénomène dynamique que celui qui est observé par de nombreux auteurs sur le terrain en cas de stick-slip et appelé classiquement « negative damping effect » (Chapitre 1). On présente l’évolution de l’avancement par tour (DOC) en fonction de la vitesse de rotation (Fig. 2.6). Etant donné que l’avancement par tour est calculée à partir du ratio entre la vitesse d’avance et la vitesse de rotation et que c’est lorsque cette dernière est faible qu’elle présente une variabilité relative maximale, les courbes (Fig. 2.6) présentent une forte variabilité aux vitesses de rotation les plus faibles. Néanmoins, la tendance est suffisamment claire aux vitesses plus élevées pour faire abstraction de cette remarque.