Tiges de forage pétrolier vs tiges de forage DTH : elles se ressemblent, mais n’ont aucun lien.
Un nouveau venu dans une équipe de forage a pris ce qu'il pensait être une tige de forage de rechange sur le râtelier et a essayé de l'utiliser avec un marteau fond de trou. La tige s'est insérée dans le mandrin, plus ou moins. Le filetage a commencé à s'enclencher, plus ou moins. Le compresseur s'est mis en marche, le marteau a commencé à fonctionner par cycles, et en une vingtaine de minutes, la tige s'est enroulée en spirale au niveau du premier filetage. La tige n'était pas défectueuse. C'était un tube de forage pétrolier — conçu pour la rotation, pas pour la percussion — et on lui avait demandé d'effectuer une tâche pour laquelle elle n'avait jamais été conçue.
Si vous travaillez dans les secteurs minier et pétrolier et gazier, ou si vous êtes responsable des achats d'outillage pour plusieurs chantiers, vous avez probablement déjà vu des tubes de forage pétrolier et des tiges de forage fond de trou (DTH) dans le même dépôt et vous vous êtes demandé s'ils étaient interchangeables. Ils ne le sont pas. Voici quatre raisons qui les distinguent fondamentalement.
Première différence : à quoi ils servent réellement
La tige de forage pétrolier a une unique fonction : amener le trépan au fond d'un puits pouvant atteindre plusieurs milliers de mètres de profondeur, lui imprimer une rotation suffisante pour le faire tourner et pomper le fluide de forage à travers son centre afin de remonter les déblais. C'est tout. Sa conception découle entièrement des contraintes liées à son fonctionnement dans des puits profonds à haute pression, où les principaux ennemis sont la corrosion interne due à la boue de forage, l'usure externe par frottement contre le tubage et la fatigue due aux cycles de manœuvres de descente et de remontée.
Les tiges de forage fond de trou (DTH) fonctionnent dans un tout autre univers. Leur rôle est de se positionner entre le marteau DTH et l'appareil de forage, transmettant la rotation et la pression d'avance au marteau tout en acheminant de l'air comprimé en leur centre pour actionner le piston et expulser les déblais du puits. Elles ne génèrent pas d'impact – c'est le marteau qui s'en charge – mais elles doivent résister aux fortes vibrations et à l'abrasion qui règnent juste au-dessus du marteau, où chaque impact provoque une onde de choc dans l'acier et où les copeaux de roche sont projetés à des vitesses quasi soniques.
Tiges de forage pétrolier : des milliers de mètres, rotation, circulation de la boue. Tiges de forage fond de trou : de quelques dizaines à quelques centaines de mètres, rotation et vibration, air comprimé. Deux mondes différents.
Deuxième différence : leur apparence de près
Prenez un tube de forage pétrolier en main et la première chose qui vous frappera, c'est son poids. Il s'agit d'un tube en acier sans soudure, généralement d'une épaisseur de paroi de 9 à 11 millimètres, à section circulaire lisse sur toute sa longueur. Ses extrémités sont munies de raccords filetés conformes aux spécifications API — IF, FH, NC ou autres désignations similaires correspondant à des profils de filetage standardisés dans l'industrie pétrolière. Ces filetages sont usinés avec une grande précision car ils doivent assurer l'étanchéité face à une pression de boue interne de plusieurs milliers de livres par pouce carré (psi) tout en transmettant un couple de plusieurs dizaines de milliers de livres-pieds (nombre de joules par pied).
Prenez maintenant une tige de forage DTH. Plus légère à longueur égale, elle présente généralement une section hexagonale, contrairement aux tubes ronds et lisses que l'on trouve habituellement. Cette forme hexagonale n'est pas qu'esthétique : elle offre des surfaces planes pour une meilleure prise de la clé de desserrage lors des changements de tiges et confère à la tige une plus grande rigidité en flexion dans les directions importantes pour le forage par percussion. L'orifice central est destiné à l'air comprimé, et non à la boue de forage ; son diamètre intérieur est donc dimensionné pour le volume d'air et non pour le débit de fluide. Les raccords d'extrémité sont généralement de type épaulement à face plate, ce qui permet de transmettre l'énergie d'impact du marteau à la tige sans concentrer les contraintes au niveau du filetage, contrairement aux profils de filetage API des oléoducs.
Si vous vous trouvez dans une cour et que vous essayez de les distinguer, cherchez le corps hexagonal. Rond, lourd, avec un filetage conique de précision ? Tuyau d'huile. Hexagonal, plus léger au mètre, avec des raccords à face plate ? Tige DTH. Voilà la réponse.
Troisième différence : leur fonctionnement sous charge
C’est cette distinction qui explique pourquoi on ne peut jamais substituer l’un à l’autre.
Une colonne de forage pétrolier passe toute sa durée de vie en rotation. La table de rotation entraîne la rotation de l'ensemble de la colonne, et le rôle de la colonne est de transmettre efficacement le couple sans se tordre. La charge est principalement due au cisaillement par torsion, avec une légère tension due au poids de la colonne située en dessous. Il n'y a pas de charge d'impact. Aucune. La colonne tourne de manière fluide, ou du moins aussi fluidement que le permettent les conditions de fond de puits, et elle est conçue pour supporter des millions de cycles de rotation au cours de sa durée de vie.
Une tige de forage DTH fonctionne selon un régime de charge totalement différent. Le marteau situé à l'extrémité inférieure de la garniture frappe le trépan des dizaines de fois par seconde ; chaque coup est un choc percussif qui génère une onde de compression se propageant rapidement le long de la tige. À cela s'ajoute la rotation de l'appareil – beaucoup plus lente que sur une plateforme pétrolière, généralement de 20 à 60 tr/min – et la pression d'avance. La tige subit simultanément une torsion, une compression axiale et des vibrations à haute fréquence, ainsi qu'une usure abrasive due aux déblais de roche projetés contre sa surface externe dans l'espace annulaire.
Dans une application de forage DTH, si l'on utilise une tige de forage pétrolier, les raccords filetés — conçus pour une rotation fluide — se fissureront par fatigue sous l'effet des vibrations percussives dès le premier quart de travail. Le corps de la tige, conçu pour résister à la torsion, se déformera sous la compression et les vibrations combinées. De plus, sa surface extérieure lisse et arrondie, sans aspérités, glissera dans la clé de desserrage et compliquera chaque changement de tige.
Insérez une tige de forage DTH dans un puits de pétrole, et son corps hexagonal provoquera des turbulences dans la boue de forage, les raccords à face plate ne seront pas étanches à la pression de la formation, et la tige — jamais conçue pour des milliers de mètres de rotation — se tordra à une fraction du couple qu'un tuyau de pétrole supporte habituellement.
Quatrième différence : leur composition et leur système de notation
Les tubes de forage pétrolier sont spécifiés par leur nuance d'acier — E75, X95, G105, S135 —, le chiffre indiquant la limite d'élasticité minimale en milliers de PSI. Un tube en acier S135 a une limite d'élasticité de 135 000 PSI. Il s'agit d'aciers à haute résistance et haute ténacité, alliés au chrome et au molybdène pour une meilleure résistance à la corrosion par les boues de forage et les fluides de formation. Le traitement thermique consiste en une trempe et un revenu, ce qui permet d'obtenir une microstructure uniforme sur toute l'épaisseur de la paroi et de supporter une torsion élevée sans rupture fragile.
Les tiges de forage DTH sont fabriquées à partir de différents alliages, chacun répondant à des priorités spécifiques. L'acier doit présenter une dureté superficielle élevée pour résister à l'usure abrasive due aux déblais – généralement obtenue par cémentation ou trempe par induction de la surface externe – tandis que le cœur doit conserver une grande ténacité pour absorber les chocs sans se fissurer. Cette structure cémentée diffère fondamentalement de la structure trempée à cœur des tubes de forage pétroliers. La teneur en nickel de l'alliage est généralement plus faible, et celle en manganèse et en silicium plus élevée, optimisée pour la résistance à l'usure plutôt que pour la résistance à la corrosion en puits profonds.
Les systèmes de classification diffèrent également. Les tubes pétroliers sont conformes aux spécifications API, avec des numéros de nuance bien définis. Les tiges de forage fond de trou (DTH) sont généralement spécifiées par le système de classification propre au fabricant, en fonction des caractéristiques de la roche et de la compatibilité avec le marteau. On n'achète pas une tige DTH de nuance S135" ; on achète une tige conçue pour une taille de marteau et une classe d'abrasivité de roche spécifiques.
À retenir
Les tiges de forage pétrolier et les tiges de forage fond de trou (DTH) se ressemblent vaguement, un peu comme un camion routier et un 4x4 tout-terrain ont tous deux quatre roues. Ce sont tous deux de longs tubes d'acier creux reliés à l'équipement de forage. La ressemblance s'arrête là.
Si vous devez approvisionner un chantier de forage minier ou de construction, vous avez besoin de tiges de forage fond de trou (DTH) : à corps hexagonal, cémentées, conçues pour résister aux percussions et à l’abrasion. Si vous trouvez accidentellement un tuyau pétrolier sur le site, ne l’utilisez surtout pas. Vous risqueriez de le tordre, de le fissurer par fatigue et de laisser votre équipe impuissante face à l’immobilisation de l’appareil. Utiliser le bon outil pour la bonne tâche n’est pas une simple suggestion : en forage, c’est ce qui fait la différence entre réussir un forage et le jeter.
