Causes de défaillance du marteau fond de trou lors du forage en roche dure : explication des quatre principales catégories de défaillances
Lors du forage de roches dures avec des marteaux fond de trou (DTH), la dureté élevée de la formation, les fortes contraintes de forage et les conditions de travail difficiles augmentent la probabilité de défaillances diverses. Ces défaillances affectent directement la vitesse de pénétration, la qualité du forage et la durée de vie de l'équipement. Compte tenu des conditions clés du forage de roches dures, les défaillances courantes se répartissent en quatre groupes : dégradation des performances d'impact, usure mécanique/collision, anomalies du système d'évacuation des déblais et défaillances de la transmission de puissance. L'analyse qui suit décrit les symptômes et les causes profondes de chaque groupe.
Dégradation des performances d'impact : Symptômes et effets : chute brutale de l'efficacité de fracturation. Les signes typiques sont une force d'impact réduite et une fréquence d'impact plus faible ; le trépan ne parvient plus à fracturer efficacement la roche dure et la pénétration ralentit considérablement, voire s'arrête. Principales causes :
1.1 Problèmes d'alimentation du milieu de puissance
Pour les marteaux pneumatiques (à air comprimé), une pression de compresseur insuffisante (inférieure à la plage de 0,6 à 1,2 MPa généralement requise pour le forage de roches dures), un débit d'air instable ou des fuites/blocages d'air dans la conduite d'alimentation réduisent la pression disponible pour actionner le piston.
Pour les marteaux hydrauliques, une pression de pompe insuffisante ou une contamination de l'huile hydraulique et des passages obstrués réduisent la force d'entraînement du marteau.
Les contaminants présents dans le fluide de transmission (humidité ou poussière dans l'air comprimé ; particules métalliques dans l'huile hydraulique) accélèrent l'usure des joints et réduisent encore davantage l'efficacité du fluide.
1.2 Défaillances de la distribution interne d'air/de flux
Les marteaux à soupape subissent fréquemment une usure, une déformation ou un grippage de la plaque de soupape, ce qui perturbe la commutation en temps opportun de la soupape et empêche le piston d'atteindre une réciprocité à haute fréquence.
Les conceptions sans soupape peuvent être affectées par l'usure ou l'encrassement des rainures d'écoulement du piston/cylindre ; l'accumulation de copeaux retarde l'inversion du flux, perturbe le cycle d'impact et réduit considérablement la puissance d'impact.
1.3 Problèmes d'interface piston-bit
Les impacts à haute fréquence contre le trépan provoquent une usure importante de la face du piston et de la queue du trépan ; l'augmentation du jeu à l'interface de contact entraîne une perte d'énergie lors du transfert.
L'installation excentrée de l'embout ou le desserrage des goupilles de positionnement peuvent provoquer des frappes décentrées ("misstrikes"), réduisant l'efficacité de l'impact et accélérant l'usure localisée.
Usure mécanique, grippage et défaillance structurelle : symptômes et effets, causes d’arrêts de production. Sous l’effet d’impacts à haute fréquence et d’un couple de rotation important, les pièces mécaniques s’usent excessivement, se grippent ou se cassent. Les manifestations courantes incluent le grippage des pistons, l’endommagement de la garniture de forage et l’usure des sous-ensembles avant/arrière, dont les causes principales sont les suivantes :
2.1 Grippage et usure du piston
Les charges importantes intensifient le frottement entre le piston et la paroi du cylindre. Une lubrification insuffisante (par exemple, un manque de lubrification régulière des marteaux pneumatiques ou une lubrification dégradée de l'huile hydraulique vieillie) et la pénétration de déblais de roche peuvent réduire le jeu et provoquer le grippage du piston. Un fonctionnement prolongé à haute fréquence use également la surface du piston et peut engendrer des fissures ; dans les cas les plus graves, le piston peut se rompre.
2.2 Dommages à la garniture de forage
La garniture de forage doit transmettre le couple et supporter le poids du marteau. Si la résistance des matériaux de la garniture est insuffisante, si les filets sont desserrés ou si le forage présente une déviation, la garniture peut subir des moments de flexion supplémentaires pouvant entraîner un flambage, une déformation ou une rupture des filets. L'abrasion due aux déblais de roche sur la paroi extérieure accélère également l'usure et réduit la durée de vie.
2.3 Dommages aux joints et aux joints d'étanchéité
Les sous-ensembles avant et arrière sont des composants de connexion essentiels ; sous l’effet de fortes vibrations et d’un couple important, leurs filetages peuvent s’endommager ou se déformer. Les joints (joints toriques, bagues d’étanchéité) sont exposés à des fluides de forage abrasifs et à des températures élevées (la chaleur générée au niveau du trépan peut se transmettre au marteau) ; les joints vieillissent et se fissurent, provoquant des fuites de fluide de forage et permettant aux déblais de pénétrer dans les assemblages internes, ce qui accélère l’usure.
Anomalies du système d'évacuation des déblais : Symptômes et conséquences : interruptions du forage continu. Les déblais de roche dure sont généralement durs et grossiers ; en cas de dysfonctionnement du système d'évacuation des déblais, des problèmes tels que le colmatage du puits et une mauvaise évacuation des déblais surviennent. Les symptômes incluent l'accumulation de déblais dans le puits, l'enfouissement du trépan, une augmentation soudaine de la résistance au forage et, dans les cas les plus graves, le blocage de la tige de forage. Principales causes :
3.1 Masse de bouture insuffisante – milieu de transport
Les marteaux pneumatiques peuvent présenter un volume d'air de rinçage insuffisant ; les marteaux hydrauliques, un débit de fluide de rinçage insuffisant ; ces deux problèmes empêchent l'évacuation rapide des déblais de fond de trou. L'usure ou la déformation des canaux de transport (par exemple, l'alésage central du trépan, l'alésage central du piston) due au transport prolongé de déblais abrasifs peut rétrécir ces canaux et réduire davantage l'efficacité de l'évacuation.
3.2 Inadéquation entre les paramètres de forage et l'évacuation des déblais
Si la vitesse de pénétration est trop élevée, les déblais générés dépassent la capacité du système d'évacuation. Un réglage incorrect de la vitesse de rotation ou de la poussée du trépan peut produire des déblais trop grossiers qui ne peuvent pas passer dans les conduits d'écoulement, provoquant ainsi une accumulation et un blocage.
3.3 Déviation du trou et dépôt de déblais
Les déviations du forage créent des creux sur la paroi où les déblais s'accumulent et ne sont pas efficacement évacués par le fluide de rinçage. Avec le temps, ces dépôts forment un lit de déblais compact qui entrave la progression du marteau et le fonctionnement du trépan.
Défauts de transmission de puissance Symptômes et effets : interruptions de forage dues à une rupture de la transmission du couple ou à un défaut de transmission de l’énergie d’impact au trépan. Ces défauts surviennent généralement aux interfaces train de tiges/marteau et marteau/trépan. Principales causes :
4.1 Connexions desserrées ou endommagées
Des filetages desserrés ou endommagés entre la garniture de forage et le sous-ensemble arrière du marteau, ou l'usure des goupilles/cannelures de positionnement, empêchent un transfert de couple fiable et empêchent le marteau de tourner avec la garniture.
L'usure ou la déformation des composants de connexion avant-sous-foret/embout du marteau (écrous de blocage, anneaux de retenue, etc.) peut permettre au support d'embout de se desserrer, produisant des frappes sèches où l'énergie d'impact n'est pas transmise à la roche et la rotation synchrone est perdue, produisant une usure inégale des dents de l'embout.
4.2 Dommages aux bits provoquant une défaillance de transmission
Les outils de forage (boutons en carbure de tungstène, outils en diamant polycristallin) utilisés en forage de roches dures sont sujets à l'usure, à l'écaillage ou au détachement. Un outil endommagé ne peut pas pénétrer efficacement dans la formation rocheuse ; l'énergie d'impact n'est alors plus transmise à la roche par les outils, mais renvoyée à la structure interne du marteau, ce qui augmente les contraintes internes et provoque des défaillances secondaires.
Résumé et principaux facteurs d'influence De manière générale, les défaillances courantes des marteaux fond de trou (DTH) lors du forage en roche dure sont dues aux caractéristiques prédominantes des conditions de travail : charges élevées et environnements difficiles. Les principaux facteurs d'influence peuvent être regroupés en trois catégories :
Compatibilité inadéquate de l'équipement : modèle de marteau, type de foret ou matériaux des composants non adaptés aux conditions de la roche dure.
Utilisation et entretien inadéquats : paramètres de forage irréalistes, absence de nettoyage et de lubrification réguliers, et remplacement tardif des pièces usées.
Mauvaise coordination des systèmes auxiliaires : alimentation électrique instable et inadéquation entre la capacité d’évacuation des déblais et le cycle de forage.
L’identification des causes profondes de ces types de défaillances fournit une base pour le dépannage et les mesures préventives afin d’assurer un forage en roche dure continu et efficace.
