La prédiction du comportement directionnel d'un système de forage nécessite d'établir un modèle de comportement directionnel de l'outil de forage. Par une approche cinématique et sur la base d'une simplification de la structure de coupe de l'outil, le modèle élaboré aboutit à une loi reliant les efforts moyens exercés sur l'outil au déplacement de ce dernier. Chaque partie de l'outil, à savoir, la structure de coupe, la garde active et la garde passive, a une influence distincte sur le comportement directionnel en terme d'angle de walk et de forabilité latérale. Les essais effectués au laboratoire valident les prédictions du modèle théorique développé. La tendance de walk de l'outil peut être alors obtenue à partir de simples critères géométriques décrivant le profil de l'outil. Le modèle d'interaction outil-roche développé couplé avec un code de calcul 3D du comportement mécanique de la garniture devrait déboucher sur un outil performant pour la prédiction de l'inclinaison et de l'azimut des trajectoires de forage.

Les outils de forage de type PDC peuvent subir d'intenses variations de leur vitesse de rotation, qui perturbent le déroulement des opérations de forage. Ce phénomène auto-entretenu, appelé stick-slip, se produit dans une variété de contextes de forage actuels et on admet généralement que l'instabilité est due à la décroissance du couple à l'outil suivant la vitesse de rotation. De nombreux dispositifs ont été introduits pour limiter son apparition, mais ni la cause physique de cette décroissance, ni le rôle joué par l'outil n'ont été clairement identifiés jusqu'à présent. Cette thèse vise à étudier, expérimentalement et théoriquement, la réponse mécanique des outils PDC lorsqu'ils sont soumis à des variations de leur vitesse de rotation. Une campagne d'essais de forabilité des roches a montré que les efforts qui s'exercent autant sur les outils PDC, que sur les taillants qui les composent, dépendent significativement de la vitesse de rotation. On a attribué ce phénomène au cisaillement dynamique d'une couche de roche broyée, compactée à l'interface entre le taillant et la saignée. Un modèle semi-empirique d'interaction dynamique outil-roche a été ajusté sur ces expériences pour prédire la réponse dynamique d'outils réels, puis validé à partir des essais sur outils de forage à l'échelle 1. Il a été couplé à un algorithme décrivant la dynamique en torsion des garnitures de forage pour calculer le risque de stick-slip associé. Le modèle développé explique non seulement, pourquoi le couple à l'outil diminue avec la vitesse de rotation mais aussi montre qu'il est possible de réduire le risque de stick-slip en sélectionnant la conception d'outil PDC appropriée.

La performance des inserts d’outils tricône et des taillants d’outils PDC commerciaux est soumise au compromis dureté/ténacité principalement régi par la proportion de cobalt et la taille des grains de carbures cémentés WC-Co et du PDC. Les traitements de graduation basés sur l’imbibition de cobalt et les revêtements de nitrure de bore des carbures cémentés permettent d’augmenter la résistance à l’abrasion au niveau de la surface active des inserts et des taillants tout en générant une ténacité accrue au cœur des carbures cémentés. Des essais d’usure à l’aide d’un tribomètre rotatif avec une contreface en alumine pour les inserts WC-Co et à l’aide d’un tour d’usure avec une contreface en béton à forte teneur en silice pour les taillants ont permis d’étudier leur comportement tribologique. Pour les inserts, le coefficient de frottement et les cinétiques d’usure (modèle d’Archard), mais aussi l’évaluation de la température de contact et de l’émission acoustique générée au contact, ont permis de mieux comprendre l’effet des traitements réalisés sur les carbures cémentés. Pour les taillants PDC un modèle de qualité, basé sur un compromis usure/efficacité de coupe, a été développé afin de caractériser la résistance à l’usure des taillants. Des analyses physicochimiques (EDX, DRX, Raman) ont permis d’associer l’évaluation de la résistance à l’abrasion des échantillons à des mécanismes d’usure en considérant les éléments constitutifs des systèmes tribologiques et la formation de troisièmes corps. Les résultats ont ainsi montré l’importance de la proportion de cobalt générée dans les débits d’usure sur la stabilité des débris abrasifs (alumine et silice) et ainsi sur la résistance à l’usure des inserts et taillants. Les mécanismes de rupture des microstructures WC-Co et PDC sont aussi mis en avant afin d’expliquer leur influence sur la résistance à l’abrasion des échantillons. Enfin, des mesures de ténacité des inserts ont permis de juger de l’apport des traitements d’imbibition sur la résistance à la propagation de fissures des carbures cémentés WC-Co. Aussi, des essais complémentaires de chocs ont permis de montrer que les traitements améliorant la résistance à l’abrasion des taillants ne se traduisent pas par la chute de leur résistance aux chocs. / The performance of commercial tricone bit inserts and PDC bit cutters is defined by the compromise between hardness and fracture toughness controlled by the cobalt proportion and the grain size of WC-Co cemented carbide and PDC. On one hand, graduation treatments based on reactive imbibition of cobalt and boron nitride coating of cemented carbides lead to an improvement of abrasive wear resistance of inserts and cutters active surfaces. On the other hand, greater fracture toughness is obtained in the cemented carbides core as a result of imbibition. Wear experiments were performed with a rotary tribometer using an alumina contreface for the WC-Co inserts and with a lathe and its silica based concrete contreface for the PDC cutters. For the inserts, the friction coefficient and wear kinetics (Archard model), but also contact temperature measurement and acoustic emission consideration, permitted to clarify the treatments effects on cemented carbides tribological behaviour. For PDC cutters, a quality model, based on wear/cutting efficiency compromise, was developed in order to characterize the wear resistance. Physicochemical analyses (EDX, XRD, Raman) made a link between mechanical results and wear mechanisms considering the tribological systems and the third body formation. These analyses highlighted the influence of the proportion of cobalt generated in the wear flows on the stability of abrasive debris (alumina and silica) and thus on the wear resistance of inserts and cutters. The Fracture mechanisms of WC-Co and PDC microstructures have also been studied and their effects on the wear resistance have been demonstrated here. At last, fracture toughness measurements showed that the imbibition treatments could maintain a good resistance to cracks propagation of inserts. In addition, complementary impacts experiments prove that the improvement of wear resistance of PDC cutters did not produce reduction of impact strength

Les superprocessus sont des processus de markov a valeurs mesures. Ils sont caracterises par un processus markovien sous-jacent et un mecanisme de branchement spatial. lorsque le mecanisme de branchement est restreint a un domaine de l'espace, appele ensemble de catalyse, on parle alors de superprocessus avec catalyse. Dans le premier chapitre nous rappelons la construction du super-mouvement brownien avec catalyse, puis nous etablissons des proprietes de continuite trajectorielle. Nous demontrons egalement que hors de l'ensemble de catalyse, le super-mouvement brownien possede une densite aleatoire solution de l'equation de la chaleur. Dans le deuxieme chapitre nous etudions l'image du super-mouvement brownien a l'aide d'un processus a valeurs trajectoires, appele serpent brownien. Enfin dans le troisieme chapitre nous etablissons, a l'aide du serpent brownien et d'une methode de subordination, des resultats sur la dimension de hausdorff du support des superprocessus avec un mecanisme de branchement general, ainsi que des resultats d'absolue continuite.