Utilisation correcte des forets tricônes
L'influence de la lithologie de la formation sur la défaillance du trépan : La lithologie de la formation influence les performances de forage de multiples façons : elle affecte la vitesse de pénétration et la longueur de forage, peut engendrer des problèmes de forage complexes tels que les pertes de circulation, les venues de fluides, l'effondrement du puits et le coincement de la colonne de tiges, modifie le comportement du fluide de forage et affecte la qualité du forage (déviation et diamètres irréguliers), ce qui a un impact sur la qualité du cimentage. L'analyse de la lithologie et de son comportement lors du forage est essentielle pour choisir le trépan approprié et déterminer si son utilisation est justifiée.
Argiles, pélites et schistes : ces formations absorbent facilement l'eau libre du fluide de forage et gonflent, réduisant le diamètre du forage et créant une résistance à la pénétration pouvant entraîner le blocage de la tige de forage. Une imbibition prolongée peut également provoquer des éboulements et un élargissement du forage, pouvant mener à un effondrement. Dans la mesure du possible, utilisez de l'eau douce ou une boue de faible densité et de faible viscosité. Les schistes carbonés ont une faible cohésion et sont sujets à l'effondrement. Les formations tendres et riches en argile se forent rapidement, mais sont vulnérables à l'encrassement du trépan.
Grès : Les propriétés des grès varient considérablement selon la granulométrie, la composition minérale et le type de ciment. Les grains fins, une teneur élevée en quartz et un ciment siliceux ou riche en fer rendent la roche plus dure et plus abrasive, augmentant ainsi l’usure du trépan (par exemple, l’arénite quartzeuse). Un ciment plus argileux, mica ou feldspathique rend la roche plus tendre et plus facile à forer. Les grains grossiers et une faible cimentation augmentent la perméabilité et le risque de fuites de fluide ; un gâteau de filtration épais peut se former sur la paroi et provoquer des problèmes d’adhérence et de collage, entraînant un fonctionnement anormal du trépan.
Conglomérats : Le forage dans les conglomérats provoque souvent des rebonds du trépan, des vibrations et des effondrements de la paroi du puits. Si le débit de la pompe est faible ou si la viscosité de la boue est insuffisante, les particules de la taille du gravier remontent difficilement à la surface ; les gros déblais peuvent endommager les cônes et les dents du trépan.
Calcaires : Généralement durs, ils présentent une pénétration lente et une longueur de forage limitée. De nombreux calcaires développent des fractures, des géodes et des cavités ; leur rencontre peut entraîner le blocage du trépan, des érosions, des pertes de circulation et parfois des éruptions. Le calcaire influe fortement sur la pénétration, la vitesse de forage et l’usure du trépan. L’alternance de couches dures et tendres (par exemple, des mudstones interstratifiés avec du grès dur) et les formations à fort pendage augmentent le risque de déviation du forage ; les dommages au trépan sont plus fréquents lors du forage de trous fortement déviés. Les couches de sels solubles (gypse, halite, etc.) peuvent dégrader les propriétés de la boue et nuire au bon fonctionnement du trépan.
Paramètres de forage et leurs effets Les principaux paramètres de forage contrôlables sont le poids sur l'outil (WOB), la vitesse de rotation (RPM) et le débit de circulation de la boue. Ces paramètres doivent être sélectionnés en fonction des conditions de formation, du type d'outil, des capacités de l'installation de forage et des compétences de l'opérateur. Les paramètres de forage sont généralement classés comme suit :
Paramètres de forage optimisés : ceux qui permettent d’obtenir le meilleur résultat économique dans des conditions données.
Paramètres de forage agressifs (ou améliorés) : valeurs supérieures à la normale pour obtenir des taux de pénétration plus élevés.
Techniques de forage spéciales : méthodes spécifiques ou ensembles de paramètres contraints utilisés pour des objectifs particuliers.
Des paramètres différents nécessitent des types de trépans différents ; les trépans tombent en panne par différents mécanismes selon les conditions de forage et doivent être traités en conséquence.
2.1 Effet du poids sur l'outil (WOB) Le WOB est une condition essentielle pour le concassage de la roche au niveau de la face de l'outil. Son amplitude détermine le mode et les caractéristiques de concassage et influe directement sur la vitesse de pénétration et l'usure de l'outil. Sous l'effet de la charge axiale et du couple de rotation, les dents de coupe s'usent, s'émoussent ou se cassent lorsqu'elles s'enfoncent dans la roche et la cisaillent, ce qui affecte la pénétration. À mesure que le WOB augmente, la pénétration augmente généralement, mais les roulements et les dents de coupe s'usent plus rapidement, ce qui affecte également la pénétration. La relation entre le WOB et la pénétration évolue en trois étapes distinctes :
Stade de fracturation superficielle : lorsque la force appliquée sur l’outil est inférieure à la dureté par indentation de la roche, les dents de coupe ne pénètrent pas et abrasent seulement la surface. L’usure est importante et la pénétration faible, bien que cette dernière augmente proportionnellement à la force appliquée.
Stade de fatigue-fracture : Lorsque le poids de l'outil approche la dureté d'indentation de la roche, l'action répétée des dents génère de nombreuses fissures superficielles et une fragmentation progressive se produit même sans pénétration complète.
Phase de fracturation massive : lorsque la force appliquée sur la roche dépasse sa dureté par indentation, les dents pénètrent et provoquent une fracturation massive ; le forage devient alors efficace et correspond au régime de forage normal. Par conséquent, la force appliquée doit être suffisante pour permettre aux dents de pénétrer et de produire une fragmentation massive.
Le doublement du poids sur l'outil (WOB) lors d'essais sur des trépans triconiques a montré que les différentes roches réagissent différemment : les roches moyennement dures (classes 6 et 7) présentent la plus forte augmentation du taux de pénétration ; les roches plus tendres (classes 4 et 5) et plus dures (classes 8 et 9) présentent des augmentations plus faibles. Le forage de formations tendres et adhésives peut provoquer des ponts de boue et le collage du trépan ; le WOB doit donc être relativement faible. Dans les formations très abrasives, un WOB insuffisant entraîne une usure prématurée du trépan ; le WOB doit donc être augmenté en conséquence. Lors du forage de formations fracturées, le rebond du trépan est fréquent et le WOB doit être réduit pour éviter la casse ou l'écaillage des dents. Le WOB est donc un paramètre critique qui doit trouver un équilibre entre une pénétration suffisante des dents et une usure minimale de celles-ci.
2.2 Effet de la vitesse de rotation (tr/min) La vitesse de rotation mesure la rapidité de rotation d'un foret d'un diamètre donné. Le comportement de la roche lors du concassage et l'influence du poids sur l'outil (WOB) variant selon la dureté de la roche, l'effet de la vitesse de rotation sur le concassage et la pénétration mécanique doit tenir compte de la lithologie et du temps de concassage.
Vitesse de rotation en formations tendres : Dans les formations tendres, très plastiques et peu abrasives (par exemple, les lits argileux), l’épaisseur du copeau est égale à la profondeur de pénétration de la dent et l’usure de celle-ci est minimale. À poids sur l’outil constant, la vitesse de rotation et le taux de pénétration mécanique augmentent de façon quasi proportionnelle.
Vitesse de rotation dans les formations moyennement dures et dures : Dans ces formations, la dureté par indentation et l’abrasivité sont plus élevées ; les dents s’émoussent plus rapidement, la surface de contact augmente et les temps de propagation des fissures et de déformation s’allongent. La pénétration est ralentie et un poids sur l’outil (WOB) plus important est nécessaire. Augmenter la vitesse de rotation dans les formations dures peut allonger le temps de fragmentation de la roche par tour ; une vitesse de rotation excessive peut donc empêcher la fracture complète avant le désengagement des dents, réduisant ainsi la pénétration effective et accélérant l’usure. Par conséquent, la vitesse de rotation ne doit pas être augmentée excessivement dans les formations moyennement dures ou dures.
Différences de vitesse de rotation (RPM) selon le type de roche : chaque type de roche présente une courbe de réponse caractéristique et une vitesse de rotation limite. Dans les argiles, la vitesse de pénétration augmente proportionnellement à la vitesse de rotation ; dans les roches dures et très abrasives, la pénétration augmente plus lentement avec la vitesse de rotation en raison d’un temps de fragmentation plus long et d’une vitesse de rotation limite plus faible – le dépassement de cette limite pouvant même réduire la pénétration.
Les résultats d'essais réalisés en doublant la vitesse de rotation des trépans triconiques montrent que, pour une roche de grade 4 (par exemple, du marbre), le taux de pénétration a augmenté d'environ 93 %, tandis que pour un granite porphyrique de grade 9, l'augmentation n'était que d'environ 28 %. Du grade 4 au grade 9, l'augmentation de la pénétration avec la vitesse de rotation diminue selon une courbe. Ainsi, l'augmentation de la vitesse de rotation est avantageuse pour les formations tendres et peu abrasives, mais n'offre qu'un avantage limité dans les formations dures et très abrasives.
