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

Abstract

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 également compatibles avec les extrema de poids sur outil. The longitudinal vibration mode of the drill string can, in certain drilling conditions, degenerate into bit-bouncing wih periodic separation at the roller bit cone, rock interface; it goes without saying that this behavior must be avoided. In the presence of compact rocks, we are used to associating the lift-off dynamics to the presence of a pattern at the rock-bit interface, known as a bottom hole pattern because of its ternary symmetry. It emerges by a more or less sinusoidal, periodic undulation of the cutting edge. On soft rocks , the speed of the longitudinal vibration phenomenon is more chaotic and is the subject of specific investigations relating dynamics and the expulsion of fragments (Cutclean programme). On hardrocks, the experience proves that the pattern is repeated on each passage of the bit by differentiated erosion of the undulations, without there necessarily being detachment. A general rotation of the interface pattern then occurs, in the order of a few degrees per turn, related the phase shift between cutting effort and undulation. The bounce phenomenon appears especially when there is agreement between the running frequency of the cones --dependent on the rotational speed- and a frequency which is unique to the drilling system. However the phenomenon can also appear a long way from the resonance predicted by the linear analysis. The interpretation presented in this report, from the machining study field of the metals, is a linearised formulation type study. The stability criteria defines, for a given system, the limit effort as a product of a term which is characteristic of the formation, similar to the Archard coefficient in a wear theory, by the dynamic rigidity of the response mode of the structure, for the frequency which is likely to be induced. The proportionality coefficient between normal force and depth of pass has, despite frequent confusion, no link with the elasticity module, but more with the cohesion characteristic of the rock. Thus, in compliance with intuition, the lift-off dynamics will preferentially appear with a very resistant rock and a flexible structure for the frequency considered. Factors of cutting efficiency related to the more or less large compatibility of the geometry of the cone and the curvature of the interface of the bottom hole patterns are cleared and correspond perfectly with a dissymmetry observed on the recordings (Trafor) of the torque between maximum and minimum; the detachment and contact repeat phases in case of bit-bouncing are also compatible with the extreme weight on the bit.