Modélisation de la dynamique non linéaire d'un train de tiges de forage immergé dans un puits de trajectoire 3D

Non linear dynamic modeling of a drillstring immersed in a 3D trajectory well

• Auteur / Autrice : Quang Thinh Tran
• Direction : Régis Dufour, Lionel Manin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 28/10/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Dynamique et Contrôle des Structures
• Jury : Président / Présidente : Alain Berlioz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Régis Dufour, Lionel Manin, Alain Berlioz, Emmanuel Detournay, Valder Steffen, Marie-Ange Andrianoely
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel Detournay, Valder Steffen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pétrole -- Puits -- Forage

Forage

Mécanique appliquée

Mots clés libres

Dynamique des rotors

Dynamique non linéaire

Interaction fluide structure

Réduction de Modèle

Simulation numérique

Modèle non linéaire

Comportement dynamique

Train de tiges

Puits

Comportement statique

Mechanical behaviour

Rotor dynamics

Non linear dynamics

Fluid interaction structure

Reduced model

Numerical simulation

Non Linear Model

Dynamic behaviour

Drillstring

Wells

Static behaviour

Résumé

La thèse réalisée s’inscrit dans le cadre du projet de Labcom DrilLab entre le LaMCoS UMR 5259 – INSA Lyon et la PME DrillScan dont l’objectif de développer des modèles non linéaires pour simuler le comportement dynamique de train de tiges de forage pour l’extraction pétrolière et l’exploitation géothermique. La compréhension et la maîtrise du comportement vibratoire des éléments en rotation améliorent la vitesse de pénétration et réduisent le MTBF, le temps moyen entre deux défaillances. Dans cette thèse, le train de tiges est modélisé par des éléments finis de poutre droite en prenant en compte des couplages axial/torsion- flexion, des interactions tige-puits, fluide-structure. L’effet de la trajectoire 3D du puits provoquant l’état pré-chargé initial du train de tiges est considéré par le calcul du parcours : la tige en position initiale verticale est ramenée à la ligne neutre du puits en utilisant la méthode co-rotationnelle. La position d’équilibre quasi-statique du train de tiges confiné dans le puits sous des actions de la gravité, du poids et du couple sur l’outil, du fluide pulsé et des réactions de contact est obtenue par la méthode itérative Newton-Raphson. Les analyses modales, le diagramme de Campbell, et les réponses dynamiques non linéaires sont investigués à partir de cette position d’équilibre initial du train de tige dans le puits. Les réponses dynamiques sous différentes sources d’excitation (de balourd, harmonique, asynchrone, transitoire, etc.) peuvent être obtenues par la résolution du système des équations dynamiques non linéaires à l’aide du schéma numérique de Runge-Kutta d’ordre 4 avec un pas de temps adaptatif pour réduire significativement le temps de calcul. Afin de suivre le comportement dynamique de tout le train de tiges qui peut atteindre en réalité quelques kilomètres de longueur, la technique de réduction de modèle de type Craig-Bampton est mise en œuvre. Ainsi, la rapidité de simulation dynamique du modèle proposé dans cette thèse est bien améliorée. La modélisation développée a été implémentée dans un outil de simulation (DrillSim – Drilling Simulation) dans le cadre du projet DrilLab.

This research work is a part of the Labcom DrilLab, a joint laboratory between the LaMCoS UMR 5259 - INSA Lyon and the SME DrillScan, in the framework of the ANR-SME program. DrilLab’s objective is to develop the nonlinear models to simulate the dynamic behavior of drillstring for the oil extraction and geothermal exploitation. Understanding and controlling the vibratory behavior of the rotating elements improves the rate of penetration and reduces the mean time between two failures. In this thesis, the drillstring is modeled with straight Timoshenko beam finite element accounting axial-flexion and torsion -flexion couplings, drillstring-well and fluid-structure interactions. The effect of the 3D trajectory of the well causing the initial pre-loaded state of the drillstring is considered by the path calculation: the drillstring in vertical initial position is forced to correspond to the borehole axis using the co-rotational formulation. The quasi-static equilibrium position of drillstring confined in the well under the actions of gravity, weight and torque on bit, pulsed fluid and contact reactions is obtained by the iterative method Newton-Raphson. Modal analysis, Campbell's diagram, and non-linear dynamic responses are investigated from this initial equilibrium position of the drillstring in the well. The developed fluid model is adapted to the 3D curve of the drillstring and considers the eccentric annular drillstring-well clearance. Dynamic responses under different excitation sources (unbalance, harmonic, asynchronous, transient, etc.) can be obtained by solving the system of non-linear dynamic equations using the Runge-Kutta numerical scheme of order 4 with an adaptive time step to significantly reduce the calculation time. In order to follow the dynamic behavior of the entire drillstring that can actually reach a few kilometers in length, the Craig-Bampton reduction technique is implemented. Thus, the dynamic simulation speed of the proposed model in this thesis is much improved. The developed modeling has been implemented in the developed computer code DrillSim - Drilling Simulation. Finally several well configurations are simulated for predicting their nonlinear statics and dynamics responses.