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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l'enseignement sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université El-Hadj–Lakhdar - Batna Faculté des Technologies Département Génie Industriel MÉMOIRE DE MAGISTER Présenté au Laboratoire d’Automatique et Productique En vue de l’obtention du diplôme de MAGISTER Spécialité: Génie Industriel Par SOUSSA ABDELKRIM Ingénieur en Génie Industriel Thème : Soutenu le : / /2011, devant le jury composé de: Président : H. SMADI MCA Université de Batna Rapporteur : K. ZIDANI Prof Université de Batna Co-Rapporteur : H. MELAKHESSOU MCA Université de Batna Examinateurs : H. ZEDIRA Prof Cuniv- Khenchela M. BRIOUA MCA Université de Batna Année universitaire 2011-2012 ETUDE DES INSTABILITES DANS UNE TIGE DE FORAGE PETROLIER INFLUENCE DU FROTTEMENT VISQUEUX REMERCIEMENTS Tout d’abord, ALLHAMDOULILLAH. Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au sien du Laboratoire d’Automatique et Productique (LAP) du département Génie Industriel de l’université de BATNA. Je tiens à remercier : Dr. H.SMADI, Pr. H.ZERIDA et Dr. M.BRIOUA pour nous avoir fait l'honneur d’être membres du jury. Ainsi que pour avoir consacré une partie de leur temps précieux pour lire et corriger ce mémoire. Je remercie infiniment mon encadreur Pr. K. ZIDANI, pour avoir accepté encadrement dans ce sujet. Je remercie vivement tout particulièrement Dr. H. MELAKHESSOU qui à accepter d’être ma Co-directrice du mémoire, pour sa sympathie, ses conseils et sa disponibilité pendant toute la durée de la réalisation du mémoire. Table des matières TABLE DES MATIERES Table des matières … Liste des figures et tableaux … Introduction Générale………………………………………………………………………...…1 Chapitre I : DESCRIPTION DE LA GARNITURE DE FORAGE I.1. Le forage ..……………………………………………………………...…………………......3 I.2. Equipement de forage ………………………………………………………………………...4 I.2.1. La garniture de forage ……………………………………………………………......4 I.3. La boue de forage …………………………………………………………………………….7 I.3.1. Formulation des boues de forage ………………………………………………….....7 I.3.2. Cycle de la boue de forage …………………………………………………...............7 I.3.2. Rôle de la boue de forage ………………………………………………….................8 I.4. Les modes de vibrations des garnitures de forage …………………………………………..10 I.4.1. Vibration axiale (bit-bounce) ……………………………………………………….10 I.4.2. Vibration latérale (BHA-Whirl) …………………………………………………….10 I.4.3. Vibration de torsion (Stick-Slip) ……………………………………………………11 I.5. Conclusion ………………………………………..…………………………………………12 Etude Bibliographie ....................................................................................................................13 Chapitre II : MODELISATION DU FROTTEMENT VISQUEUX ENTRE LA GARNITURE ET LE PUITS II.1. Introduction ………………………………………………………………………………...16 II.2. Modélisation ………………………………………………………………………………..16 II.2.1. Modèle mécanique …………………………………………………………………16 II.2.2. Mise en équation ……………………………………………………………...........17 II.2.3. Modèle de frottement ……………………………………………………………....20 Table des matières II.2.3.1. Comparaison du couple sur l’outil avec ceux dans la littérature…………...21 II.3. Les caractéristiques des paramètres de BHA ………………………………………………22 II.3.1. La viscosité d'un fluide …………………………………………………………….23 II.3.2. Amortissement visqueux ……………………………………………………....24 II.3.3. Coefficient de frottement visqueux ……………………………………………25 II.4. Conclusion ………………………………………………………………………………….26 Chapitre III : SIMULATION ET INTERPRETATION III.1. Introduction ………………………………………………………………………………..27 III.2. Validation du modèle de frottement proposé………………………………………………27 III.3. Etude paramétrique ………………………………………………………………………..29 1. Vitesses de rotation avec frottement sec et visqueux…………………………………....30 2. Influence la viscosité de la boue de forage………………………………………………31 3. Influence des dimensions de la BHA………………………………………………….…33 4. Effet du diamètre de l’outil .……………………………………………………………..37 5. Effet des dimensions des tiges:…………………………………………………………..37 III.4. Analyses de FFT (Fast Fourier Transform) ……………………………………………….39 III.4.1. L’influence de la longueur de la garniture sur les fréquences propres ……………39 III.5. Etude de la stabilité ………………………………………………………………………..47 III.6. Conclusion ………………………………………………………………………………...50 Conclusion Générale……………………………………………………………………………51 Références bibliographiques … Annexes … Liste des figures et des tableaux LISTE DES FIGURES Chapitre I : Figure I.1: L’opération de forage et ses paramètres ……………………………………………...3 Figure I.2: La plateforme de forage ……………………………………...……………………….4 Figure I.3: La garniture de forage ……………………………………………………………..….5 Figure I.4: Les types des outils de forage pétrolier …….…………………………………………6 Figure I.5: Cycle de travail de la boue. …………………………………………………………...8 Figure I.6: Les modes de vibrations des garnitures de forage. ……………………………….…10 Figure I.7: La comparaison entre la vitesse de rotation de surface et trépan pendant le phénomène Stick-Slip.………………………………..………………………………..……………………..11 Etude bibliographie : Figue 1 : Le modèle théorique du frottement visqueux………………………………………….14 Figure 2 : Effet stribeck dans le modèle de frottement visqueux………………………………..15 Chapitre II : Figure II.1 : Modèle mécanique présente le comportement dynamique de la garniture ………..16 Figure II.2: le couple sur l’outil en fonction sa vitesse de rotation. …………………………….21 Figure II.3 : le couple sur l’outil en fonction sa vitesse de rotation avec coefficient visqueux …22 Figure II.6: Forces de cisaillement ………………………………..…………………………….23 Chapitre III : Figure III.1 : La vitesse de l’outil en absence de la boue (simulation)………………..…………27 Figure III.2 : vitesse de l’outil en présence du frottement visqueux (a) : simulation, (b) : réelle……………………………………………………………………………………………...28 Figure III.3: Le couple de frottement sec sur l’outil……………………………………………..28 Figure III.4: comparaison du couple de frottement sur l’outil en fonction sa vitesse de rotation (simulation la courbe a /3.6), et (données de forage réel la courbe b) ……………......................29 Figure III.5 : Vitesse de rotation de la table et l’outil en présence du frottement sec…………...30 Figure III.6 : Vitesses de la table et l’outil en présence du frottement visqueux………………...31 Figure III.7 : Vitesses de rotation avec …………………………………………..32 Figure III.8: Vitesses de rotation avec …………………………………………...33 Figure III.9: Vitesses pour Lb= 200m…………………………………………………………...35 Figure III.10: Vitesses pour Lb= 250m………………………………………………………….35 Figure III.11: Vitesses pour ……………………………..36 Figure III.12: Vitesses pour ……………………………..36 Figure III.13: Vitesses pour ………………………………………………37 Liste des figures et des tableaux Figure III.14: la courbe est stable après t=40s a cause la variation les diamètres……………….38 Figure III.15: l’influence de changement les diamètres sur le phénomène……………………...38 Figure III.16: présente le phénomène de Stick-Slip……………………………………………..39 Figure III.17: représente FFT de vitesse de la table de rotation ………………………….41 Figure III.18: représente FFT de vitesse de l’outil ……………………………………….41 Figure III.19: présentation de Stick-Slip…………………………………………………………42 Figure III.20: représente FFT de vitesse de la table de rotation ………………………….42 Figure III.21: représente FFT de vitesse de l’outil ……………………………………….43 Figure III.22: présentation de Stick-Slip…………………………………………………………43 Figure III.23: La FFT des vitesses de la table de rotation (courbe bleue) et de l’outil (courbe rouge)…………………………………………………………………………………………….44 Figure III.24: présentation de Stick-Slip…………………………………………………………44 Figure III.25: représente FFT de vitesse de la table de rotation (bleu) et de l’outil (rouge)…….45 Figure III.26: Présentation d’état stable…………………………………………………………45 Figure III.27: La FFT de vitesses de rotation, la table (bleue) et l’outil (rouge)………………...46 Figure III.28 : Variation de en fonction dans la zone glissement et collage…………...48 Figure III.29 : Variation du en fonction avec ………………………49 Figure III.30 : Variation de en fonction de avec ……………………50 LISTE DES TABLEAUX Tableau 1: Les différents types de relation entre le couple de frottement sur l’outil et sa vitesse de rotation………………………………………………………………………………………..14 Tableau II.1 : Liste des symboles ……………………………………………………………….17 Tableau II.2 : Liste des symboles ……………………………………………………………….19 Tableau II.3 : Liste des symboles ……………………………………………………………….20 Tableau II.4 : Liste des symboles ……………………………………………………………….25 Nomenclature NOMENCLATURE Paramètre Description Unité Energie cinétique totale du système à degrés de liberté. ሾJሿ Energie potentielle totale de déformation. ሾJሿ Energie d’amortissement. ሾJሿ Vecteur des déplacements généralisés (ou coordonnées généralisées). ሾmሿ Vecteur des forces généralisées. ሾNሿ Déplacement angulaire de la table de rotation. ሾradሿ Déplacement angulaire de masses tiges et l’outil. ሾradሿ Inertie de la table de rotation. Inertie de la BHA (BHA+ 1/3 tiges de forage) avec le détail sur l’annexe A Couple moteur au niveau de la table de rotation assuré par DC moteur électrique ( ). Paramètre de moteur. / Entrée de la commande du système. Frottement associée la table de rotation. Frottement associée la BHA et l’outil. Raideur de l’ensemble des tiges Amortissement de l’ensemble des tiges Vitesse angulaire de la table de rotation. Vitesse angulaire de masses tiges et l’outil. Coefficient d’amortissement visqueux associé à la table de rotation. Coefficient d’amortissement visqueux associé à la BHA. Couple de frottement associé à la table de rotation. Couple de frottement au l’outil (couple sur l’outil). Couple de frottement statique de la table de rotation. Couple de frottement Coulomb de la table de rotation. Couple de frottement statique de l’outil. Couple de frottement Coulomb de l’outil. Nomenclature Coefficient de frottement statique de l’outil. / Coefficient de frottement Coulomb de l’outil. / Paramètre de la fonction associée à la table de rotation. / Paramètre de la fonction associée à l’outil. / Couple externe associé à la table de rotation. Couple externe associé à l’outil. Poids sur l’outil. Diamètre de l’outil. Petite valeur positive, qui présente la transition entre la phase Stick à la phase Slip. / Coefficient de frottement du couple appliqué sur l’outil en fonction sa vitesse. / Contrainte de cisaillement Viscosité dynamique. Viscosité cinématique. Coefficient de frottement visqueux / Masse volumique du matériau. vitesse de cisaillement. Vitesse. Epaisseur. Surface. Force. Rayon intérieur des tiges de forage. Rayon extérieur des tiges de forage. Rayon intérieur de la BHA. Rayon extérieur de la BHA. Longueur des tiges de forage. Longueur de la BHA. Abréviation : Abréviation Signification WOB Poids sur l’outil (Weight On Bit). RPM Vitesse de rotation mesuré par tour / minute (Revolution Per Minute). TOB Couple sur l’outil (Torque On Bit). Nomenclature PDC Type d’outil (Polycrystalline Diamond Compact). BHA Assemblage de fond (Bottom Hole Assembly). CGS Centimètre, Gramme, Seconde MKSA Mètre, Kilogramme, Seconde, Ampère. Introduction Générale 1 INTRODUCTION GENERALE Le forage est l’ensemble des opérations permettant le creusement de trous pour atteindre en sous-sol de nouvelles zones susceptibles de contenir des hydrocarbures. Il représente une part très importante du coût d’une campagne de recherche. La compétitivité accrue entre les compagnies pétrolières internationales incite à aller vite pour creuser des puits devenus de plus en plus coûteux. Aujourd’hui le forage, réalisé généralement par une société de service spécialisée, est devenu une activité très technique. La uploads/Litterature/ inj-soussa-abdelkrim 1 .pdf