Etude du comportement du grès rouge de Wildmoor. Application à l'analyse de stabilité d'un forage pétrolier en cours de creusement et de production

Ahmed Oulahna (1)

1 CERMES - Centre d'enseignement et de recherche en mécanique des sols

This study concerns the mechanical behaviour and the failure conditions of a reservoir rock (red Wildmoor sandstone). Several stress paths, in axisymetric conditions (uniaxial and triaxial compression tests, extension tests), have allowed to characterize the constitutive behaviour of the rock. The material damage is quantified through triaxial compression tests with loading and unloading cycles. The constitutive law developed takes into account the stress and damage dependency of the elastic parameters. The plastic behaviour of the rock is described by a non-linear Mohr-Coulomb criteria which takes into account the pressure dependency of the plastic parameters (friction and dilatancy coefficients). It involves an isotropic friction hardening phase and a kinematic cohesion softening one. This constitutive model is extended to non-coaxial plasticity theory for appropriate prediction of strain localization. Borehole stability during the drilling phase and the production phase is studied. This involves the development of a code to compute the stress field around the borehole during drilling and oil production. The study of the occurence of various instability modes (shear band formation, surface instability) has shown prominentely the influence of the dilatancy of the rock, the depth of the borehole and the pressure gradient applied at the borehole wall during production.

Ce mémoire porte sur l'étude du comportement et de la rupture d'une roche (grès rouge de Wildmoor) de réservoir lors de l'exécution et de la mise en production d'un forage pétrolier. Divers chemins de sollicitations, en conditions axisymétriques (essais de compression uniaxiale et triaxiale et essais d'extension), ont permis de caractériser le comportement mécanique de la roche. Les essais avec cycles de charge-décharge ont permis de quantifier l'endommagement du matériau. La loi de comportement développée tient compte de la dépendance en contraintes des paramètres élastiques du matériau et de l'endommagement. Le comportement plastique de la roche est décrit par un critère de Mohr-Coulomb non-linéaire tenant compte de la dépendance en pression des paramètres plastiques (coefficients de frottement et de dilatance) de la roche. Il comporte une phase d'écrouissage isotrope en frottement, suivie d'une phase de radoucissement cinématique de la cohésion. Ce modèle de comportement est appliqué à l'étude de la localisation des déformations dans le cadre d'une théorie de plasticité non-coaxiale. L'application à l'étude de stabilité d'un forage pétrolier a comporté le développement d'un programme de calcul du champ de contraintes autour d'un puits en cours de creusement et de production. L'étude des conditions d'apparition de différents modes d'instabilités (formation de bandes de cisaillement et instabilité de surface) a mis en évidence l'influence de la dilatance de la roche, de la profondeur du forage et du gradient de pression lors de la mise en production du puits.

Mots clés: écrouissage isotrope; dilatance; instabilité; cisaillement; endommagement; théorie bifurcation; distribution contrainte; modélisation; essai laboratoire; étude expérimentale; forage profond; stabilité; mécanique roche; sol; grès; creusement; géotechnique; propriété mécanique; compression; pression; puits; stabilité paroi puits; élasticité non linéaire; plasticité

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]

Ahmed Oulahna. Etude du comportement du grès rouge de Wildmoor. Application à l'analyse de stabilité d'un forage pétrolier en cours de creusement et de production. Mécanique [physics.med-ph]. Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, 1996. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00523152⟩