De la roche tendre à la roche dure : choisir des dents rondes ou pointues pour les forets DTH ; tout dépend de la roche.
En forage fond de trou (DTH), le type de roche est déterminant pour le choix du profil des dents du trépan. Les différences de dureté et de résistance à la compression influent directement sur l'efficacité de concassage, le taux d'usure et le coût d'exploitation des dents arrondies par rapport aux dents pointues. Seul un choix précis de la géométrie des dents en fonction des propriétés de la roche permet un forage efficace et économique ; un mauvais choix entraîne une faible vitesse de pénétration et une usure rapide du trépan.
Roches tendres : les dents rondes sont idéales – un concassage doux pour un forage efficace. Les roches tendres se caractérisent par une faible dureté et une faible résistance à la compression (généralement < 30 MPa), comme le schiste, l’argile, la marne et le grès friable. Ces roches se brisent sans perforation agressive ; le mécanisme de concassage par compression et broyage des dents rondes est parfaitement adapté à ce comportement et constitue le choix privilégié pour le forage des roches tendres.
Pourquoi les dents rondes conviennent aux roches tendres ? Les roches tendres sont relativement friables et peu résistantes à la compression. La conception des dents rondes assure un contact plus large lors de l’impact, répartissant ainsi la force plus uniformément sur la surface de la roche. Cette compression provoque une déformation plastique et une fragmentation – un processus similaire au compactage des matériaux par un rouleau compresseur – rendant inutiles les impacts violents et localisés. Cela permet d’économiser de l’énergie et de minimiser la destruction excessive de la structure rocheuse. Lors de la rotation, les dents rondes broient également les déblais en particules plus fines, plus faciles à évacuer avec un fluide de rinçage et moins susceptibles d’obstruer le forage. Une fragmentation uniforme contribue également à la stabilité du forage, évitant les profils irréguliers et les effondrements de parois.
L'utilisation de dents pointues dans les roches tendres présente des inconvénients. Ces dents concentrent la force sur une très petite surface (point de contact), ce qui fragmente excessivement la roche tendre en une fine poudre. Il en résulte un gaspillage d'énergie (la puissance n'est pas convertie en pénétration efficace) et un risque d'obstruction des canaux d'évacuation des déblais et des eaux de rinçage lorsque la fine poudre adhère aux parois, réduisant ainsi l'efficacité du forage. Dans un environnement à faible résistance, les pointes peuvent se déformer (se tordre ou s'émousser), ce qui diminue la durée de vie du trépan et augmente les coûts de remplacement.
Roches dures : les dents pointues sont privilégiées – « pénétration puissante » pour vaincre la haute résistance. Les roches dures présentent une dureté et une résistance à la compression élevées (généralement supérieures à 60 MPa), comme le granite, le quartzite, le basalte et la diabase. Ces roches denses et résistantes ne peuvent être brisées efficacement par simple compression ; elles nécessitent l’action de perforation et de fendage des dents pointues pour une pénétration efficace. Par conséquent, les dents pointues sont le choix idéal pour le forage des roches dures.
Pourquoi les dents pointues sont-elles adaptées à la roche dure ? La roche dure et dense possède une forte cohésion interne ; la simple compression par contact superficiel ne suffit pas à la briser. Les dents pointues concentrent la force d'impact sur une petite surface (surface de contact environ 5 à 10 fois inférieure à celle des dents rondes), générant une pression locale beaucoup plus élevée (plusieurs fois supérieure). Cette pression concentrée perfore la surface de la roche et amorce des fissures. Avec la rotation et l'impact continus, ces fissures initiales s'agrandissent, se rejoignent et se propagent le long des plans de fracture, fendant ainsi la roche, à la manière d'un coin fendant du bois. Ce procédé attaque directement la structure interne de la roche et augmente rapidement la vitesse de pénétration. Lors du forage du granit, par exemple, la pénétration avec des dents pointues peut être 2 à 3 fois plus rapide qu'avec des dents rondes et évite le problème de « fragilisation sans pénétration » que présentent les dents rondes sur les surfaces dures.
L'utilisation de dents rondes dans la roche dure présente des inconvénients. Ces dents répartissent la force sur une plus grande surface, empêchant ainsi la forte pression locale nécessaire à la fracturation de la roche dure. Les impacts ne produisent que des rayures ou une abrasion superficielles, et non une véritable rupture. De ce fait, les vitesses de pénétration peuvent n'être que de 1/5 à 1/10 de celles obtenues avec des dents pointues, entraînant un gaspillage d'énergie en rotation à vide. Le frottement intense contre la roche très dure use rapidement les dents rondes (nécessitant souvent leur remplacement après 1 à 2 heures), tandis que les dents pointues, dans les mêmes conditions, peuvent durer de 4 à 6 heures. Les changements fréquents de trépan augmentent les temps d'arrêt et le coût total.
Roches moyennement dures : le choix de la denture doit se baser sur une analyse lithologique détaillée ; il est important d’être flexible ou d’opter pour des dentures hybrides. Entre les roches tendres et les roches dures se trouvent les roches moyennement dures (résistance à la compression de 30 à 60 MPa), comme les grès denses, les calcaires cristallins et certains gneiss. Le choix de la denture pour ces roches doit tenir compte de leur lithologie détaillée (par exemple, la présence de grains de quartz et l’hétérogénéité). Dans de nombreux cas, une denture mixte ou hybride (ronde et pointue) est appropriée.
Critères de choix des dents dans une roche moyennement dure
Si la roche moyennement dure est uniforme et ne présente pas d'intercalations dures (par exemple, un grès dense et homogène), privilégiez les « dents rondes renforcées » (dureté supérieure et arc de contact optimisé) pour améliorer la rupture par compression ; les dents rondes offrent une efficacité équilibrée et une usure réduite par rapport aux dents pointues.
Si la roche moyennement dure contient des particules de quartz ou des zones dures locales (par exemple, du calcaire cristallin ou du grès avec des couches de silex), choisissez des « dents courtes, robustes et pointues » (pointes plus épaisses et plus dures) pour percer les zones dures locales et éviter l'usure locale rapide des dents rondes.
Si la lithologie est stratifiée (par exemple, des couches tendres au-dessus de couches dures), utilisez un foret à denture mixte — dents rondes sur l'anneau extérieur et dents pointues sur l'anneau intérieur — pour traiter différentes couches sans changements fréquents de foret.
Principe fondamental pour les roches moyennement dures : éviter une vision binaire « roche tendre contre roche dure » ; il convient de s’adapter à la caractéristique dominante de la roche. Si la lithologie générale est plutôt tendre avec seulement quelques zones dures localisées, privilégiez les dents rondes, les dents pointues étant une solution de secours. Si la lithologie générale est plutôt dure avec des veines tendres localisées, privilégiez les dents pointues, les dents rondes étant une solution de secours. Validez votre choix par un forage d’essai (par exemple, forez pendant 10 à 20 minutes, puis inspectez l’usure des dents et la pénétration) et ajustez-le pour optimiser les performances.
Résumé : trois facteurs clés déterminent le choix des dents. L’influence du type de roche sur le choix entre dents rondes et pointues se résume à trois facteurs clés : la dureté, la résistance à la compression et l’uniformité structurale. La logique de sélection peut être résumée comme suit :
Dureté + résistance à la compression : faible dureté/faible résistance à la compression → choisir des dents rondes ; dureté élevée/résistance à la compression élevée → choisir des dents pointues.
Uniformité structurale : lithologie homogène (sans intercalations ni zones dures) → un profil de dent unique correspondant à la roche dominante est acceptable ; lithologie hétérogène (avec intercalations ou zones dures) → nécessite un appariement flexible ou un modèle de dent hybride.
Correspondance des objectifs opérationnels : si vous recherchez « une efficacité élevée + une longue durée de vie » → sélectionnez la géométrie des dents précisément adaptée à la roche ; si vous avez besoin d'une « large adaptabilité à plusieurs lithologies » → envisagez des conceptions de dents hybrides ou des têtes de coupe remplaçables.
Le type de roche est déterminant dans le choix des dents des forets fond de trou. Seule une bonne compréhension des caractéristiques de la roche permet d'exploiter les atouts des dents rondes et pointues et d'obtenir une efficacité de forage maximale à moindre coût.
