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Technologie des forages

Les trépans

Les trépans à molettes ou tricônes sont formés de trois molettes dentées ou équipées de bâtonnets en carbure de tungstène montées par l'intermédiaire de roulements sur les axes de trois bras réunis entre eux par soudure. Un filetage permet de visser l'outil aux masses-tiges.

Le passage de la boue s'effectue sur les côtés du trépan à travers des orifices calibrés de petit diamètre, qui permettent d'augmenter la vitesse du fluide de forage et de réaliser ainsi un nettoyage plus efficace du fond du trou. Le nombre et la longueur des dents ou la forme des bâtonnets de carbure de tungstène des molettes dépendent de la nature du terrain à forer.

Trépans à molettes

Dessin : Trépans à molettes

Trépans à molettes. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les paramètres de forage sont choisis suivant les terrains traversés ; la vitesse de rotation est en général comprise entre 50 et 300 tours par minute et la force exercée sur le trépan est de l'ordre de 250 à 1 000 daN par centimètre de diamètre de trépan ; par exemple un trépan pour terrains durs de 311 mm de diamètre pourra être utilisé à 100 tours par minute et 30 000 daN.

La vitesse d'avancement des trépans est fonction de la nature des terrains et varie de 1 à 2 m par heure dans les terrains durs à 30 m par heure et plus dans les terrains tendres. La durée de vie des tricônes à molettes dentées est de l'ordre de 40 heures ; le travail du trépan a pour conséquences : une usure des dents qui peut aller jusqu'à disparition complète ; une usure des roulements qui peut causer la perte d'une molette au fond du trou ; une perte de diamètre dans les terrains abrasifs.

Pour améliorer la durée de vie des tricônes, les paliers des molettes sont lubrifiés et éventuellement lisses. Dans ce cas, la durée de vie de l'outil peut dépasser 150 heures.

Dans les terrains durs, on utilise souvent des trépans constitués de diamants industriels sertis dans une matrice très résistante. La grosseur, le nombre des diamants et la forme de l'outil dépendent des terrains à forer. La durée de vie et le métrage réalisés par ces trépans sont importants et peuvent atteindre 700 à 800 m forés en 100 heures. Leur prix, très élevé, est de l'ordre de 15 à 20 fois celui des tricônes.

Trépans

Diaporama : Trépans

Quelques types de trépans. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Au lieu d'être sertis de diamants naturels, les trépans peuvent être équipés de pastilles sur lesquelles ont été déposés des diamants synthétiques. On réalise ainsi des outils de coupe qui permettent des vitesses d'avancement spectaculaires dans divers terrains. Ces trépans P.D.C. (polycristalline diamond compact) concurrencent très sérieusement les outils diamantés.

La conduite du forage, c'est-à-dire le choix du trépan et des paramètres de forage, en particulier poids et vitesse de rotation, qui fourniront le prix de revient minimum du mètre foré, est une opération délicate. En effet, les roches rencontrées dans le sous-sol sont extrêmement hétérogènes, et les moyens qui permettent de connaître à l'avance les roches à forer limités ; la mise au point d'appareils capables de mesurer les paramètres de fond et de les transmettre directement en surface permet de renseigner le foreur sur ce qui se passe au fond du trou ; cela est maintenant possible grâce à l'informatique.

Le fluide de forage

En même temps qu'il remonte les déblais de forage, le fluide de forage a pour fonction de refroidir le tricône, de maintenir les parois du trou et de l'empêcher de s'ébouler grâce aux pressions hydrostatiques qu'il exerce latéralement, et, enfin, de retenir les fluides sous pression qui peuvent être contenus dans les roches, empêchant ainsi une éruption subite de gaz, de pétrole, ou même d'eau.

Le débit du fluide de forage doit empêcher les déblais de retomber au fond du trou ; pour cela il faut que la vitesse de remontée de la boue dans l'espace annulaire soit de l'ordre de 25 à 50 m par minute, ce qui entraîne des débits d'environ 2 400 l par minute lorsqu'on fore en 311 mm et de 1 000 l par minute lorsqu'on fore en 216 mm.

La boue de forage est généralement constituée d'eau à laquelle sont ajoutés 5 à 10 p. 100 d'une argile spéciale (bentonite par exemple). Divers produits permettent d'ajuster ses caractéristiques aux valeurs désirées ; ce sont par exemple des tanins ou des polyphosphates pour abaisser la viscosité, des amidons pour réduire le filtrat, c'est-à-dire la quantité d'eau pouvant filtrer à travers les parois du trou ; de la barytine pour ajuster la masse volumique de la boue à une valeur telle que la pression hydrostatique au fond du trou au cours du forage reste supérieure à la pression des fluides contenus dans [...]

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Forage et tubage

Forage et tubage
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Pétrole : premier forage par Drake

Pétrole : premier forage par Drake
Crédits : AKG-images

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Trépans à molettes

Trépans à molettes
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Trépans

Trépans
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Écrit par :

  • : ingénieur (E.C.L.) coordinateur forage à l'E.N.S.P.M. F.I.
  • : Directeur de l'Ecole Nationale Supérieure du Pétrole et des Moteurs (E.N.S.P.M.), Rueil-Malmaison.

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Pour citer l’article

Didier BRIGANT, Alexandre LEBLOND, « FORAGES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 05 février 2023. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/forages/