Modélisation et commande de vibrations pour le forage – MACS-DRILL

Les processus de forage constituent une part prédominante des coûts de production de nombreuses ressources naturelles, ou de production d’énergie géothermique. Ce projet s’intéresse aux phénomènes de vibrations mécaniques apparaissant lors du processus de forage. La suppression de ces oscillations indésirables nécessite l’étude de questions fondamentales en contrôle d’équations à retards variables, que nous proposons de réaliser.

Le processus de forage consiste en la création d’un trou, appelé puits, généralement profond de plusieurs milliers de mètres. Pour ce faire, une longue tige flexible est mise en rotation autour de son axe principal. Au bout de cette tige, l’ « outil » de forage découpe, brise et creuse la roche. L’irrégularité du contact avec la roche cause l’apparition de vibrations mécaniques qui endommagent les installations et sont à l’origine d’importants surcoûts.

Traditionnellement, les vibrations mécaniques sont divisées en vibrations axiales, latérales ou de torsion, qui sont étudiées séparément. Une part importante de la littérature se concentre sur les phénomènes d’oscillations en torsion. Celles-ci sont généralement considérées comme une conséquence de forces de friction sèches, modélisées classiquement comme des fonctions décroissantes de la vitesse de rotation. Les vibrations en torsion sont alors interprétées comme une occurrence du phénomène de stick-slip. Cette interprétation a donné lieu à de nombreuses contributions dans la littérature du contrôle, ainsi qu’à des logiciels commerciaux supposés supprimer les vibrations en torsion. Les retours d’expérience indiquent que leurs performances sont discutables à faible vitesse de rotation ainsi que pour les tiges excédant 2500 mètres de long.

Des expériences en laboratoire récemment réinterprétées indiquent toutefois que les forces de friction durant le forage sont indépendantes de la vitesse de rotation. Ces expériences rendent donc l’interprétation précédente caduque. Pour modéliser correctement la dynamique des outils de forage, il faut donc prendre en compte non seulement les forces de friction, mais également les forces de découpe s’appliquant à l’outil. Ces forces couplent les dynamiques en torsion et axiale, et introduisent dans la dynamique de l’outil de forage un retard dépendant de la position même de l’outil. De manière intéressante, une conséquence de cette nouvelle formulation est que le couple subi par l’outil de forage dépend de la vitesse de rotation, mais comme une conséquence de la dynamique plutôt qu’une propriété structurelle des forces en jeu (comme dans le cas des frottements secs).

Ce nouveau paradigme appelle à une reformulation des problèmes de contrôles associés aux vibrations mécaniques. Il s’agit désormais d’établir des lois de contrôles pour des systèmes à retard dépendant de l’état. De plus, afin que l’efficacité de ces contrôleurs ne dépende pas de la longueur du système, il est important de prendre en compte la propagation des ondes vibratoires le long de la tige entre les actionneurs et capteurs situés à la surface et la source d’instabilité située au fond du puits.

Le but de ce projet est donc la synthèse de contrôleurs pour des systèmes à retard dépendant de l’état possédant également des retards d’actionneurs et de capteurs, et leur application à la suppression des vibrations mécaniques.

Le projet est classiquement divisé en trois axes : modélisation, commande, validation expérimentale.