Comment utiliser correctement les trépans tricônes : Choisir le trépan adapté à la formation
Un trépan tricone peut se comporter très différemment d'une formation géologique à l'autre.
Le même trépan qui fore rapidement dans l'argile molle peut s'user rapidement dans le grès riche en quartz. Un trépan performant dans le calcaire peut subir des dommages dus aux chocs dans la roche fracturée. Lorsque les performances de forage varient, la cause n'est pas toujours le trépan lui-même. Le type de formation, la pression de forage, la vitesse de rotation, le rinçage et les conditions du puits influencent tous le résultat.
L'utilisation correcte d'un foret tricone commence par la compréhension du terrain.
Les conditions de formation déterminent la défaillance du trépan
Les différentes formations engendrent des problèmes de forage différents.
Argile, pélite et schisteLa formation peut absorber l'eau libre du fluide de forage et gonfler. Le trou risque alors de se rétrécir, rendant les manœuvres difficiles et augmentant le risque de blocage. À terme, des fragments de la formation peuvent se détacher, agrandir le trou et créer une instabilité.
Les schistes carbonés présentent souvent une faible cohésion et peuvent s'effondrer facilement. Les mudstones tendres permettent un forage rapide, mais peuvent également provoquer l'encrassement du trépan lorsque les déblais y adhèrent.
Dans ces formations, le choix du fluide de forage est primordial. L'eau ou un fluide à faible densité et faible viscosité peuvent convenir dans certaines conditions, mais le choix final doit respecter le plan de forage et les exigences techniques locales.
Grèsvarie considérablement en fonction de la granulométrie, de la teneur en minéraux et de la cimentation.
Les grains fins, l'abondance de quartz et la présence de ciment siliceux ou ferreux donnent généralement un grès plus dur et plus abrasif. Le grès quartzeux peut donc accélérer l'usure des dents et des roulements du trépan.
Une plus grande quantité de ciment argileux, de mica ou de feldspath donne souvent une formation plus tendre et plus facile à forer. Un grès grossier et faiblement cimenté peut être plus perméable, ce qui augmente les pertes de fluide et crée un gâteau de forage épais. Cela peut contribuer à des collages différentiels et à un fonctionnement anormal du trépan.
ConglomératCela peut provoquer des à-coups, des fluctuations de couple et l'effondrement du forage. Si le débit de la pompe est insuffisant ou si la viscosité du fluide de forage est inadaptée, le gravier risque de ne pas remonter efficacement à la surface. Des contacts répétés avec le corps et les dents du trépan peuvent alors causer des dommages importants.
CalcaireLe forage est souvent difficile et le taux de pénétration relativement faible. Les fractures et les cavités engendrent des risques supplémentaires, tels que l'arrêt brutal de la circulation, le forage dans un vide, un couple instable et l'élargissement du trou. L'alternance de couches tendres et dures accroît également le risque de déviation.
Les formations solubles telles que le gypse ou le sel gemme peuvent modifier les propriétés du fluide de forage et perturber le fonctionnement normal du trépan.
Les paramètres de forage doivent être adaptés au trépan et à la roche.
Les principaux paramètres de forage contrôlables sont :
Poids sur le bit
vitesse de rotation
débit du fluide de forage
Ces valeurs doivent être choisies en fonction de la formation, de la conception du trépan, de la capacité de l'installation, du diamètre du forage et de l'expérience de l'opérateur. Un paramètre qui améliore les performances dans un type de roche peut réduire la durée de vie du trépan dans un autre.
Il n'existe pas de pression de perçage ou de vitesse de rotation « maximale » universelle qui fonctionne partout.
Poids sur la mèche : suffisant pour que les fraises fonctionnent
Il est nécessaire d'exercer une pression sur la fraise pour que les dents pénètrent et cassent la formation.
L'augmentation du poids peut initialement entraîner une hausse du taux de pénétration. Cependant, un poids excessif accélère également l'usure des roulements, l'endommagement des dents, les vibrations et les contraintes structurelles.
La relation entre le poids et la rupture des roches peut être comprise en trois étapes.
Stade de fracturation superficielle :Lorsque la charge appliquée est inférieure à la résistance à l'indentation du matériau, les dents ne peuvent pénétrer efficacement. Elles se contentent de racler et de frotter la surface. Le forage reste lent, tandis que l'usure des dents peut être étonnamment importante.
Stade de rupture par fatigue :Lorsque le poids atteint le niveau requis, les contacts répétés des dents créent des fissures dans la roche. La formation commence à se rompre sous l'effet des charges répétées, mais le processus reste moins efficace qu'une pénétration complète.
Étape de fracturation volumique :Une fois que les dents ont suffisamment pénétré, les plus gros copeaux se détachent et le foret entre dans des conditions de forage plus productives.
L'objectif est d'obtenir une pénétration efficace sans surcharger le trépan.
Les formations molles et collantes peuvent nécessiter un lestage plus léger pour éviter la formation de boules et les blocages. Les roches abrasives peuvent nécessiter un lestage suffisant pour empêcher les dents de frotter sans les couper. Les formations fracturées nécessitent souvent un lestage plus léger pour limiter les sauts et éviter la casse des dents.
Le meilleur réglage est celui qui permet à la structure de coupe de fonctionner tout en limitant l'usure inutile.
Vitesse de rotation : plus rapide n'est pas toujours mieux
La vitesse de rotation détermine la rapidité avec laquelle le foret tourne contre la roche.
Dans les formations tendres, plastiques et peu abrasives, une vitesse de rotation plus élevée permet souvent d'accroître la vitesse de forage mécanique lorsque le poids reste approprié. Les dents de coupe pénètrent relativement facilement et l'usure peut rester limitée.
Les formations dures et abrasives réagissent différemment. À mesure que les dents s'usent et que la surface de contact augmente, la déformation de la roche et la formation de fissures prennent plus de temps. Si le trépan tourne trop vite, les dents risquent de quitter la zone de contact avant que la roche ne soit complètement fracturée.
Cela peut réduire la profondeur de coupe effective, augmenter la chaleur et l'usure, et finalement diminuer la vitesse de pénétration.
Les essais sur le terrain ont démontré que les gains de vitesse varient selon les formations géologiques. Par exemple, un doublement de la vitesse de rotation a permis d'accroître la vitesse de forage d'environ 93 % dans un marbre tendre, mais seulement d'environ 28 % dans un granite porphyrique très dur.
La leçon est simple : une vitesse plus élevée peut aider les formations plus tendres, tandis que les roches dures et abrasives bénéficient souvent davantage d’une vitesse contrôlée et d’un poids suffisant.
Le rinçage protège le bit
Le fluide de forage ne sert pas uniquement au refroidissement. Il permet également d'évacuer les déblais, de stabiliser le forage et de maintenir la face du trépan propre.
Une mauvaise chasse d'eau peut entraîner :
Broyage répété des vieilles boutures
Bit balling
Usure dentaire accrue
Couple plus élevé
Coller ou se bloquer
Déviation du trou
Dommages aux roulements et au corps de la mèche
Le débit doit être adapté au diamètre du forage, à la perméabilité de la formation, à la capacité de la pompe et au volume des déblais. Une valeur copiée d'une autre installation n'est pas forcément correcte.
Inspectez le système de forage complet
Le trépan tricone doit être évalué en même temps que la garniture de forage et l'appareil de forage.
Avant de percer, vérifiez :
Type de mors et structure de la dent
dureté et abrasivité de la formation
Poids prévu et vitesse de rotation
Capacité de la pompe et qualité du rinçage
résistance et longueur des tiges de forage
Capacité de couple et d'avance de l'appareil de forage
risque de déviation du trou
Mode de défaillance attendu
Un foret peut être correctement fabriqué et pourtant tomber en panne prématurément si le système de forage est mal adapté.
De même, une chute brutale de la vitesse de pénétration n'implique pas forcément un remplacement immédiat du trépan. Elle peut indiquer un rinçage insuffisant, un changement de formation, une vitesse excessive, un lestage insuffisant, une instabilité du forage ou des problèmes au niveau de la garniture de forage.
Privilégiez la performance, pas seulement le prix.
Le choix d'un foret tricône doit prendre en compte le coût au mètre, et pas seulement le prix d'achat.
Un trépan bon marché qui fore lentement, nécessite des remplacements fréquents ou entraîne des temps d'arrêt peut s'avérer plus coûteux sur la durée de vie du projet. Une comparaison plus pertinente prend en compte la vitesse de pénétration, la longueur de forage, la durée de vie des roulements, l'usure des dents, la consommation de fluide de forage et les conséquences d'une défaillance.
Gaea Rock fournit des trépans triconiques, des trépans fond de trou (DTH), des trépans à boutons, des tiges de forage, des adaptateurs de tige et d'autres outils de forage. Choisir le trépan et les paramètres de forage adaptés à la formation est la méthode la plus fiable pour optimiser le rendement, protéger la garniture de forage et maîtriser le coût total du forage.
