Face à la complexité croissante des trajectoires et des conditions opérationnelles des forages pétroliers et géothermiques, le phénomène de fatigue est devenu la cause principale de rupture des garnitures de forage. La fatigue des tiges est essentiellement liée à leur flexion cyclique due à leur rotation dans une section courbe du puits. L'objectif de ce travail est d'élaborer une méthodologie ainsi que les modèles numériques nécessaires pour évaluer la fatigue des tiges au cours du forage de puits à trajectoire complexe. Pour ce faire, nous proposons d'abord de choisir parmi les approches existantes de prévision de la durée de vie en fatigue d'une structure celles qui nous ont semblé les plus pertinentes pour le problème de fatigue des systèmes de forage. Puis, ces approches (qui comprennent les théories de la fatigue et de la rupture ainsi que des lois empiriques), et des logiciels de calcul de structures sont ensuite intégrés dans des algorithmes de calcul incrémental de la fatigue d'un système en fonction de l'évolution de l'opération du forage. Du fait que les contraintes dans les tiges restent souvent dans le domaine élastique, deux modèles de fatigue des tiges sont développés : un premier est basé sur le calcul du cumul de fatigue et un second sur le calcul de la propagation de fissure par fatigue. Ces deux modèles peuvent être utilisés dans la phase de conception de la trajectoire du puits et de la garniture pour le forer, de même qu'en opération pour prédire les risques de rupture par fatigue du train de tiges. Ceci permet à l'opérateur de planifier la gestion des tiges et leurs inspections en fonction de l'historique de leur utilisation. / Facing the growing complexity of trajectories and operating conditions of oil and geothermal drillings, the fatigue phenomenon has become the main cause of drill-string failure. The fatigue of drill-pipes is essentially due to their cyclic bending caused by their rotation in a curved section of the well. The objective of this work is to develop a methodology and the necessary numerical models to assess the fatigue of drill-pipes during drilling operations of complex trajectory wells. For this purpose, we propose firstly to choose among the available approaches for structure fatigue life prediction those that seem most relevant to drill-string fatigue problem. Then, these approaches (which include the fatigue and fracture theories as well as empirical laws), and structural calculation software are then integrated into incremental computation algorithms of drill-pipe fatigue in function of drilling operation evolution. Since the stresses in drill-pipes remain often within the elastic domain, two fatigue models for drill-pipes are developed: the first one is based on the cumulative fatigue calculation and the second one on the fatigue crack growth calculation. These models can be used in the well and drill-string design, or in real time during drilling to predict the fatigue failure in the drill-string. This allows the drill operator to plan the management of drill-pipes and their inspections depending on their usage history.

Ces dernières années, les modes de Lamb à vitesse de groupe nulle (ZGV) se sont révélés être un outil efficace pour sonder localement et précisément l'épaisseur d'un échantillon ou les propriétés mécaniques de matériaux isotropes ou anisotropes. Ce type particulier d'ondes guidées, telles de fortes résonances locales de la structure, résulte de l'interférence de deux ondes de Lamb ayant une vitesse de phase opposée et coexistant pour un couple fréquence-nombre d'ondes particulier. Les ultrasons laser ont démontré leur capacité à générer et détecter efficacement de telles résonances locales dans la gamme des MHz. En effet, la configuration tout optique, constituée d'une source laser pulsée pour générer les ondes élastiques et d'un interféromètre pour sonder le déplacement normal associé, évite tout contact avec l'échantillon, limitant ainsi l'élargissement ou la suppression de résonances. L'utilisation de modes ZGV pour suivre la fatigue des matériaux et sonder des phénomènes non linéaires reste cependant un défi et constitue le cœur des travaux de recherche présentés ici. La partie théorique porte sur la compréhension de l’effet de la fatigue mécanique sur les modes ZGV à travers l’analyse fréquence-nombre d’ondes des modes de Lamb. La partie expérimentale est consacrée à l’application de cette technique pour l'ECND et le suivi de la fatigue de plaques métalliques minces. Les modes ZGV en ultrasons laser montrent un grand potentiel pour localiser les dommages dus à la fatigue, prédire la vie en fatigue et évaluer qualitativement, voire quantitativement, les différents stades de dommages causés par la fatigue. / In recent years, zero-group-velocity (ZGV) Lamb modes have proven to be an efficient tool to probe locally and very accurately the thickness of a sample or the mechanical properties of either isotropic or anisotropic materials. This particular type of guided waves, corresponding to sharp local resonances of the structure, results of the interference of two Lamb waves having opposite phase velocity and coexisting at a couple given frequency-wavenumber. The laser ultrasonic technique has demonstrated its ability to efficiently generate and detect such local resonances within the MHz frequency range. Indeed, the all-optical setup, consisting of a pulsed laser source to generate elastic waves and of an interferometer to probe the associated normal displacement, avoids any contact with the sample, hence limiting the broadening or suppression of the resonances. Yet, the use of ZGV Lamb modes to monitor material fatigue and to probe nonlinear phenomena remains challenging and is the core of the here-reported research. The theoretical part of this PhD research deals with the understanding of the effect of mechanical fatigue on ZGV Lamb modes through the frequency-wavenumber analyzes of the Lamb waves. The experimental part of the PhD research is dedicated to the application of this technique for the nondestructive characterization and for the monitoring of mechanical and thermal fatigue of thin metal plates. Zero-group-velocity Lamb modes in laser ultrasonics shows great promises to locate fatigue damage, to predict the fatigue lifetime, and to qualitatively, and even quantitatively, assess the different stages of fatigue damage in   m- to potentially cm-thick solid plates.