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Theses Year : 2006

INTEGRATION OF DYNAMICAL PHENOMENA FOR THE FATIGUE ANALYSIS OF DRILLSTRING

INTEGRATION DES PHENOMENES DYNAMIQUES DANS L'ANALYSE EN FATIGUE DES GARNITURES DE FORAGES

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Mohamed Ferjani
  • Function : Author
  • PersonId : 838532

Abstract

Failures of drillstrings are costly events for oil and gas industry. In our researches, we focus on threaded connections submitted to cyclic loadings occurring during the drilling process.
The objective of this work is therefore to elaborate a fatigue design methodology based on a multiscale approach:
• the drillstring's scale dedicated to the determination of the loading history (tension, torsion and flexion),
• the threaded connection's scale devoted to the computation of the macroscopic stress field,
• the grain of metal's scale dedicated to the problem of fatigue.
Because of the time computation, the use of finites elements method is not suitable for estimating instantaneously the damage of the different components during the drilling process. Thereby we developed a semi-analytical elastic stress field solution.
Finally fatigue tests have been performed on small scale threaded connection and the results are compared with the fatigue life predictions obtained with an extension of the Dang Van criterion in the finite life domain. The results show that fatigue phenomenon are induced by stress concentrations and that the application of a local fatigue criterion leads to conservative fatigue life estimations. Therefore a numerical study at the crystal scale has been performed to explain these observations and correction are made to improve the fatigue life predictions.
Les ruptures des garnitures de forage sont des évènements très coûteux pour l'industrie pétrolière. Dans notre travail, nous nous sommes intéressés aux connexions vissées de la garniture subissant des chargements cycliques pouvant apparaître durant une opération de forage.
L'objectif de ce travail est donc d'élaborer une méthodologie de dimensionnement en fatigue qui se base sur une approche multi-échelle :
• l'échelle de la garniture de forage dédiée aux calculs de l'historique du chargement (tension, flexion et torsion),
• l'échelle de la connexion vissée dédiée à la détermination des cycles du champ de contraintes macroscopiques,
• l'échelle du grain de métal dédiée au problème de fatigue.
À cause d'un temps de calcul conséquent, l'emploi de la méthode des Éléments Finis ne permet pas d'estimer quasi instantanément l'endommagement subit au niveau des connexions vissées durant le processus de forage. Afin de palier cet inconvénient, une solution élastique semi-analytique du champ de contraintes macroscopiques a donc été développée.
Enfin des essais expérimentaux ont été conduits sur des connexions vissées à échelle réduite et ces résultats sont comparés aux prédictions faites avec une extension du critère de Dang Van au domaine de l'endurance limitée. Les résultats montrent que les phénomènes de fatigue dans une connexion vissée sont induits par les facteurs de concentrations de contraintes et que l'application d'un critère local de fatigue donne des estimations de durées de vie trop conservatives. Une étude numérique à l'échelle cristalline a donc été menée afin d'expliquer ces observations et une correction est apportée afin d'améliorer les prédictions de durée de vie.
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Dates and versions

tel-00134358 , version 1 (01-03-2007)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00134358 , version 1

Cite

Mohamed Ferjani. INTEGRATION DES PHENOMENES DYNAMIQUES DANS L'ANALYSE EN FATIGUE DES GARNITURES DE FORAGES. Matériaux. Ecole Polytechnique X, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00134358⟩
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