Conditions d'apparition et formes de rebond d'un outil de forage tricône Conditions of Appearance and Forms of Lift-Off Dynamics (Bit Bouncing) for a Roller Cone Drill Bit

• Published in: Oil & gas science and technology 2006-12, Vol.54 (3), p.315-335
• Main Authors: Putot C., Mabile C.
• Format: Article
• Language: English
• ISSN: 1294-4475; 1953-8189
• DOI: 10.2516/ogst:1999030

Le mode de vibration longitudinal du train de tiges peut, dans certaines conditions de forage, dégénérer en rebond avec séparation périodique à l'interface outil tricône, roche; il va de soi que ce comportement doit être évité. En présence de roches compactes, on a coutume d'associer le rebond à la présence d'un motif à l'interface roche-outil, dit motif trilobé en raison de sa symétrie ternaire. Il se matérialise par une ondulation périodique, sensiblement sinusoïdale, du front d'abattage. En roches tendres , l'allure du phénomène de vibration longitudinale est plus chaotique et fait l'objet d'investigations spécifiques liant dynamique et expulsion de copeaux (programme Cutclean). En roches dures , l'expérience prouve que le motif est repris à chaque passage d'outil par érosion différenciée des ondulations, sans qu'il y ait nécessairement décollement. Il s'ensuit une rotation d'ensemble du motif d'interface, de l'ordre de quelques degrés par tour, liée au décalage de phase entre effort de coupe et ondulation. Le phénomène de rebond se manifeste préférentiellement lorsqu'il y a accord entre la fréquence de défilement des cônes - tributaire de la vitesse de rotation - et une fréquence propre du système de forage. Mais le phénomène peut également se manifester loin des résonances prévues par l'analyse linéaire. L'interprétation présentée dans cet article, issue du domaine d'étude de l'usinage des métaux, est une étude de type formulation linéarisée. Le critère de stabilité définit, pour un système donné, l'effort limite comme produit d'un terme caractéristique de la formation par la raideur dynamique du mode de réponse de la structure. Ce terme est analogue au coefficient d'Archard dans une loi d'usure. Le coefficient de proportionnalité entre effort normal et profondeur de passe n'a d'ailleurs (la confusion est fréquente) aucun lien avec le module d'élasticité, mais davantage avec la caractéristique de cohésion de la roche. Ainsi, et conformément à l'intuition, le rebond se manifestera préférentiellement avec une roche très résistante et une structure souple pour la fréquence envisagée. Des considérations d'efficacité de coupe, liées à la compatibilité plus ou moins grande de la géométrie du cône et de la courbure de l'interface du motif trilobé, sont dégagées et cadrent parfaitement avec une dissymétrie observée sur les enregistrements (Trafor) du couple entre maxima et minima ; les phases de décollement et de reprise de contact en cas de rebond sont égale