Commande directe du couple d’un moteur asynchrone intégré à un système de forage pétrolier de type Top Drive : Modélisation et atténuation du phénomène Stick-Slip

Abstract

Ce mémoire porte sur la modélisation et la commande d’un système de garniture de forage pétrolier en vue d’atténuer les vibrations torsionnelles de type stick-slip. Dans un premier temps, une étude approfondie du système de forage rotary est présentée, incluant ses équipements, ses paramètres de fonctionnement et les différents types de vibrations rencontrés lors des opérations de forage. Deux modèles mécaniques à paramètres concentrés sont développés : un modèle à 2 degrés de liberté (2-DOF) et un modèle à 3 degrés de liberté (3-DOF), permettant de représenter le comportement dynamique du train de tiges et le phénomène stick-slip via le modèle de frottement de Karnopp. Dans un second temps, la modélisation de la machine asynchrone triphasée et du variateur de fréquence associé est établie dans le référentiel de Park. Enfin, une stratégie de commande directe du couple (DTC) selon la méthode de Takahashi est conçue et appliquée au système complet (moteur asynchrone couplé à la garniture de forage). Les résultats de simulation obtenus avec MATLAB/Simulink démontrent l’efficacité de la commande DTC dans la suppression des vibrations stick-slip et la régulation précise de la vitesse de rotation, même en présence de variations du poids sur l’outil (WOB).

This thesis addresses the modeling and control of an oil drilling string system for the mitigation of torsional stick-slip vibrations. First, a comprehensive study of the rotary drilling system is presented, covering its equipment, operating parameters, and the various types of vibrations encountered during drilling operations. Two lumped-parameter mechanical models are developed: a 2-degree-of-freedom (2-DOF) model and a 3-degree-of-freedom (3-DOF) model. Both models reproduce the dynamic behavior of the drill string and the stick-slip phenomenon through the Karnopp friction model. RESUME m IIII : II Subsequently, the modeling of the three-phase induction motor and its associated frequency converter is established using the Park transformation. Finally, a Direct Torque Control (DTC) strategy based on the Takahashi method is designed and applied to the complete system (induction motor coupled to the drill string). Simulation results obtained under MATLAB/Simulink demonstrate the effectiveness of the DTC strategy in suppressing stickslip vibrations and achieving precise rotational speed regulation, even under variations of the Weight on Bit (WOB).

يتناول هذا العمل نمذجة والتحكم في نظام عمود الحفر النفطي بهدف قمع االهتزازات االلتوائية من نوع .slip-stick في البداية، تُقدَّم دراسة شاملة لنظام الحفر الدوراني، تشمل معداته ومعامالت تشغيله وأنواع االهتزازات المختلفة التي تحدث أثناء عمليات الحفر. تم التطرق الى نموذجين ميكانيكيين بمعامالت مر ّكزة : نموذج بدرجتَي حرية (DOF-2 (ونموذج بثالث درجات حرية (DOF-3 ،(يُتيحان محاكاة السلوك الديناميكي لعمود الحفر وظاهرة slip-stick من خالل نموذج االحتكاك لـ .Karnopp نجزت نمذجة المحرك الالتزامني ثالثي األوجه والمحول اإللكتروني المرتبط به ُ في مرحلة ثانية، أ وأخيرا (DTC (وفق طريقة ً باستخدام تحويلة .Parkُ ، صِّّممت استراتيجية التحكم المباشر في العزم ِّ Takahashi قت على النظام الكامل و ُط )المحرك الالتزامني المقترن بعمود الحفر(. تُثبت نتائج بّ المحاكاة المنجزة ببيئة Simulink/MATLAB فعالية استراتيجية DTC في قمع اهتزازات -stick slipوضبط سرعة الدوران بدقة، حتى في حالة تغير وزن العدة .(WOB(