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Comportement des roches sous chargement dynamique : Application au forage en conditions extrêmes

Comportement des roches sous chargement dynamique : Application au forage en conditions extrêmes

Rock behaviour under dynamic loading: Application to drilling in extreme environments

Proposition de thèse

Spécialité

Géosciences et géoingénierie

Ecole doctorale

GRNE - Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement

Directeur de thèse

SELLAMI Hedi

Co-directeur de thèse

GERBAUD Laurent

Unité de recherche

Géosciences

ContactLaurent Gerbaud
Site Web
Mots-clés

., .

., .

Résumé

Le forage des roches dures est un enjeu majeur pour le développement de la géothermie étant donné le cout prohibitif de celui-ci. A grande profondeur, la roche est soumise à un fort confinement géostatique et hydrostatique qui augmente sa résistance et modifie son comportement. Actuellement, les techniques traditionnelles de destruction de la roche (par poinçonnement avec un outil tricône ou par cisaillement avec un outil PDC) ne permettent pas de détruire efficacement la roche (outils fragiles, efficacité limitée). Il convient donc d'utiliser un processus d'abattage plus efficace et plus adapté à ces conditions.
Dans les formations de surface, l'utilisation de la percussion a montré son efficacité pour le forage des roches dures et fragiles avec une rupture combinée en compression et en traction de la roche. L'utilisation de cette technologie en formation profonde devrait permettre d'augmenter l'efficacité du forage.
Si on trouve beaucoup de travaux théoriques et expérimentaux sur l'abattage dynamique des roches à pression atmosphérique, la littérature est moins prolixe lorsqu'il s'agit de prendre en compte l'effet du confinement, l'une des difficultés majeures étant de mettre en place une expérimentation représentative.
L'objectif de la thèse est de proposer une modélisation théorique de la rupture de la roche sous confinement par un chargement dynamique. Celle-ci comportera deux volets :
- Un volet expérimental où le candidat développera et réalisera des essais d'impacts dans des conditions de pression représentatives d'une profondeur de plusieurs milliers de mètres. Une des tâches sera de mettre au point un procédé de mesure non-destructif de l'endommagement de la roche après impact. Les essais permettront de quantifier l'effet de la pression de confinement, de l'énergie d'impact, de la forme de l'insert, de la roche, … Ils permettront aussi de définir les hypothèses pour la modélisation théorique
- Un volet modélisation numérique où le candidat proposera un modèle avec :
o Un modèle de comportement de la roche et un critère de rupture sous un chargement dynamique
o Une modélisation de la sollicitation lors de l'impact.

Les résultats attendus de la thèse sont un modèle numérique de l'interaction insert-roche lors d'un chargement dynamique de type impact (forage percussif). Celui-ci devrait permettre de mettre en évidence les paramètres optimisant du processus de destruction comme les effets de forme de l'insert, les effets de présence de surface de dégagement dans la roche, les effets de l'énergie d'impact, de préchargement, ….

Hard rock drilling is a major issue for the development of geothermal energy due to itÂ's prohibitive cost. At great depth, the rock is subjected to a strong geostatic and hydrostatic confinement which increases its resistance and modifies its behaviour. Currently, traditional rock destruction techniques (punching failure with a tricone bit or shearing failure with a PDC bit) do not effectively destroy the rock (fragile bits, limited efficiency). It is therefore necessary to use a rock cutting mechanism more efficient and better adapted to these conditions.

In shallow drilling, the use of percussion has shown its effectiveness for drilling hard and fragile rocks with a combined compression and tensile rock failure. The use of this technology in deep drilling should make it possible to increase drilling efficiency.

Although there is numerous theoretical and experimental works on the dynamic rocks cutting at atmospheric pressure, the literature is less prolix when it comes to taking into account the effect of confinement, one of the major difficulties being to develop a representative experiment.

The aim of the thesis is to propose a theoretical model of the rock failure under confinement by a dynamic loading. This will have two components:
- An experimental component where the candidate will develop and carry out impact tests under representative pressure conditions of deep drilling. One of the tasks will be to develop a non destructive rock damage measurement methodology. The tests will allow to quantify the effect of the confining pressure, the energy of impact, the shape of the insert, the rock, ... They will also make it possible to define the hypotheses for the theoretical model.
- A numerical model component where the candidate will propose a model with:
o A model of rock behaviour and a failure criterion under dynamic loading
o A model of the solicitation during the impact.

The expected results of the thesis are a numerical model of the insert-rock interaction during a dynamic loading of the impact type (percussive drilling) and an experimental set up. This should make it possible to highlight the parameters that optimize the destruction process, such as the shape of the insert, the presence of the release surface in the rock, the impact energy, preloading, ...

Contexte

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Encadrement

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Profil candidat

Le candidat devra être titulaire d'un diplôme de mécanique avec une forte connotation Géomécanique/ Mécanique des roches. Le candidat devra avoir à la fois :
- des aptitudes pour la modélisation numérique avec si possible une expérience dans l'utilisation de logiciel de type Comsol
- un intérêt pour le développement et la réalisation d'essais en laboratoire.

The candidate must be graduated in mechanics with a strong Geomechanical / Rock Mechanics connotation. The candidate must have at the same time:
- Numerical modelling skills with, if possible, experience in the use of Comsol type software
- An interest in developing and conducting laboratory tests.

Références

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Type financement

Convention CIFRE

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