Thèse Jorge AISING LOPEZ

Characterization of the rock fragmentation process during down-the-hole drilling: Application to system and ROP improvement.

Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement

Géosciences et géoingénierie

Etablissement :

Mines Paris-PSL

Unité de recherche :

Centre de Géosciences

Direction de thèse :

Hedi SELLAMI

Co-encadrement de thèse :

Laurent GERBAUD

Emmanuel DETOURNAY

Professeur des universités

University of Minnesota

Rapporteur

Mikko HOKKA

Professeur des universités

Tampere University

Rapporteur

Luciano CHIANG

Professeur des universités

Pontifical Catholic University of Chile

Examinateur

Alexandre KANE

Docteur Ingénieur

SINTEF Industry

Examinateur

Trinidad CARMONA

Ingénieur

Drillco Tools S.A.

Examinateur

Laurent GERBAUD

Docteur Ingénieur

Mines Paris – PSL

Examinateur

Hedi SELLAMI

Directeur de recherche

Mines Paris – PSL

Examinateur

Le forage Down-the-hole (DTH) se caractérise par des impacts percussifs répétés, du cisaillement en rotation, l’initiation et la propagation de fissures, ainsi que le détachement d’éclats. Chaque processus contribue, à différentes échelles, à l’efficacité globale du forage. Dans cette thèse, l’action percussive, étant le processus le plus pertinent et le plus énergivore, est étudiée à travers une vaste campagne expérimentale conçue pour étudier l’influence des conditions de chargement du marteau DTH sur les dommages créés dans la roche. Une méthodologie expérimentale a été développée pour caractériser la fragmentation de la roche. Afin d’isoler la réponse de la roche, les essais ont été réalisés dans des conditions de chargement à impact et insert uniques. La méthodologie combine l’imagerie à grande vitesse, l’analyse des ondes de contrainte, la caractérisation des fragments et la caractérisation des dommages de surface tels que la masse du cratère, le diamètre du cratère et l’extension des fissures radiales, ainsi qu’une évaluation des dommages internes par tomographie informatisée aux rayons X. Les conditions de chargement sélectionnées ont été soigneusement contrôlées dans une plage représentative des marteaux DTH, garantissant que les résultats puissent être directement appliqués aux routines d’optimisation des marteaux ou utilisés pour valider et calibrer des modèles numériques. Les contributions de la thèse sont quadruples. Premièrement, les enregistrements à grande vitesse ont révélé que les deux séquences de fracture rapportées dans la littérature, l’une où l’écaillage se produit pendant la phase de déchargement et l’autre pendant la phase de chargement, sont toutes deux valides et non mutuellement exclusives, démontrant que le moment de formation des fissures latérales — critique pour un éclatement efficace — est spécifique à chaque type de roche : il se produit pendant la phase de chargement pour le granite, mais pendant la phase de déchargement pour les grès et les calcaires. Deuxièmement, les observations tomographiques remettent en question les théories dominantes en montrant que la fissure médiane, communément associée à l’écaillage, n’en est pas nécessairement le précurseur. En utilisant des techniques de segmentation par apprentissage profond, les fractures ont été isolées de la matrice rocheuse, révélant que dans le granite, les fissures médianes étaient souvent absentes, tandis que dans le calcaire, elles se propageaient selon des schémas distincts dépendant de l’énergie d’impact. Troisièmement, le coefficient de restitution (COR) du piston a été identifié comme un indicateur robuste de l’efficacité du forage, même lorsque la quantité de matière enlevée tend vers zéro. Les résultats montrent qu’au-delà d’un certain seuil de vitesse d’impact, la courbe du COR présente une discontinuité caractéristique propre à chaque roche, séparant des régions de COR élevé et faible —chacune correspondant à des régimes de dommages différents. Enfin, une nouvelle méthode a été développée pour déduire des courbes force–pénétration (F–p) hautement non linéaires à partir de mesures uniques de déformation. Cela a été réalisé en intégrant un modèle physique de la réponse du système d’acquisition dans la simulation d’impact. Les courbes F–p obtenues pour trois types de roche peuvent être utilisées pour contrôler la réponse du marteau en fonction des caractéristiques spécifiques de chaque roche.

Down-the-hole (DTH) drilling involves repeated percussive impacts, rotational shearing, crack initiation and propagation, and chip detachment. Each process contributes at different scales to overall drilling efficiency. In this thesis, the percussive action, being the most relevant and energy consuming process, is investigated through an intensive experimental campaign designed to elucidate the influence of DTH hammer loading conditions on rock damage. An experimental methodology was developed to characterize rock fragmentation. To isolate the rock response, tests were performed under single-impact, single-insert loading conditions. The methodology combines high-speed imaging, stress-wave analysis, fragment characterization, and surface damage characterization such as crater mass, crater diameter, and radial crack extension, along with internal damage assessment via X-ray computed tomography. The selected loading conditions were carefully controlled within a range representative of DTH hammers, ensuring that the findings can be directly applied to hammer optimization routines or used to validate and calibrate numerical models. The thesis contributions are fourfold. First, high-speed recordings revealed that fracture sequences reported in the literature, one where chipping occurs during unloading phase and the other during loading, are both valid and not mutually exclusive, demonstrating that the timing of side-crack formation —critical for efficient chipping— is rock specific: it occurs during loading in granite, but during unloading in sandstones and limestones. Second, tomographic evidence challenges prevailing theories by showing that the median crack, commonly associated with chipping, is not necessarily its precursor. Using deep-learning segmentation techniques, fractures were isolated from the rock matrix, revealing that in granite, median cracks were often absent, whereas in limestone they propagated following distinct patterns depending on impact energy. Third, the piston’s Coefficient of Restitution (COR) was identified as a robust indicator of drilling efficiency, even when the removed material approaches zero. Results show that above a certain impact velocity threshold, the COR curve shows a discontinuity unique to each rock, separating regions of high and low COR —each corresponding to different damage rates. Finally, a novel method was developed to derive highly non-linear force–penetration (F–p) curves from single strain measurements. This was achieved by incorporating a physical model of the acquisition system’s response into the impact simulation. The resulting F–p curves, obtained for three rock types, can be used to control hammer response to specific rocks.