Outils de forage de fond de puits à vis — Notions de base
Présentation : Un outil de forage de fond de puits à vis est un outil volumétrique de fond de puits qui utilise le fluide de forage (boue) comme source d'énergie, convertissant l'énergie hydraulique en énergie mécanique. La boue pompée depuis la surface passe par une vanne de dérivation avant d'alimenter le moteur de fond de puits. Une différence de pression entre l'entrée et la sortie du moteur entraîne la rotation du rotor à l'intérieur du stator. La vitesse et le couple du rotor sont transmis au trépan par un joint de cardan (arbre flexible) et un arbre d'entraînement, permettant ainsi le forage.
Composants principaux Un ensemble de forage à vis se compose principalement de quatre éléments principaux : la vanne de dérivation, le moteur de forage, le joint universel et l’arbre d’entraînement.
Le moteur de forage est le composant principal. L'expérience de terrain et l'analyse théorique indiquent que, pour un fonctionnement normal et fiable, la perte de charge par étage du moteur ne doit idéalement pas dépasser 0,8 MPa ; dans le cas contraire, des fuites de fluide se produisent, la vitesse du rotor chute rapidement et, dans les cas les plus graves, la rotation peut s'arrêter et le moteur être endommagé. (Un câble d'alimentation du moteur correspond à un étage.) Le débit de boue utilisé sur le terrain doit être maintenu dans la plage recommandée ; des débits hors de cette plage réduisent l'efficacité du moteur et augmentent son usure. Les paramètres de performance du moteur déterminent les performances principales de l'ensemble de forage. Le couple de sortie théorique du moteur est proportionnel à la perte de charge du moteur, et la vitesse de rotation de sortie est proportionnelle au débit de boue d'entrée. Lorsque la charge sur le trépan augmente, le régime de rotation diminue ; par conséquent, en surveillant le débit et la pression de la pompe de surface (via le manomètre de la colonne montante), le couple et la vitesse de fond peuvent être déduits et contrôlés.
Soupape de dérivation. La soupape de dérivation est composée d'un corps, d'un manchon, d'un élément de soupape (noyau) et d'un ressort. Sous pression, l'élément de soupape coulisse à l'intérieur du manchon, et sa position modifie le passage du fluide pour offrir deux états : dérivation (ouvert) et fermé. Lors de la mise en marche ou de la descente, les orifices du manchon et du corps sont ouverts, permettant à la boue de contourner le moteur et de s'écouler dans l'espace annulaire. Lorsque le débit et la pression de la boue atteignent le point de consigne de la soupape, l'élément de soupape descend et ferme l'orifice de dérivation ; la boue traverse alors le moteur, convertissant l'énergie hydraulique en énergie mécanique. Si le débit devient trop faible ou si le pompage s'arrête, le ressort repousse l'élément de soupape vers le haut et la soupape se rouvre, permettant à la boue de contourner à nouveau le moteur.
Construction et fonctionnement du moteur : Le moteur se compose d'un stator et d'un rotor. Le stator est obtenu en collant une chemise en caoutchouc sur la paroi interne d'un carter en acier ; son alésage interne est une hélice à géométrie définie. Le rotor est une vis en acier trempé. Le rotor et le stator s'engrènent pour former des chambres étanches hélicoïdales grâce à leur différence de pas, permettant ainsi la conversion d'énergie. Les rotors peuvent être mono- ou multilobés (à une ou plusieurs têtes). Un nombre réduit de lobes produit une vitesse plus élevée mais un couple plus faible ; un plus grand nombre de lobes produit une vitesse plus faible et un couple plus élevé.
Joint universel : Le joint universel transforme le mouvement planétaire (excentrique) du moteur en une rotation régulière de l’arbre d’entraînement et transmet le couple et la vitesse du moteur à l’arbre d’entraînement et à la fraise. Les modèles à arbre flexible sont les plus courants.
Arbre de transmission L'arbre de transmission transmet la puissance de rotation du moteur au trépan et doit également supporter les charges axiales et radiales générées par le poids sur le trépan et le contact avec la formation.
Exigences opérationnelles
Exigences relatives aux fluides de forage : Les moteurs à vis fonctionnent efficacement avec divers fluides de forage, notamment les boues à base d’huile, les émulsions, les boues bentonitiques à base d’eau et même l’eau relativement propre. La viscosité et la densité de la boue ont peu d’incidence directe sur les performances du moteur, mais influent directement sur les pressions du système. Si la pression à un débit recommandé dépasse la pression nominale de la pompe, le débit doit être réduit ou la perte de charge au niveau du moteur et du trépan doit être diminuée. Les particules solides, comme le sable, accélèrent l’usure des roulements et du stator du moteur ; leur teneur doit donc être maintenue en dessous de 1 %. Chaque modèle de moteur possède une plage de débit d’entrée spécifiée pour laquelle son rendement est optimal ; le point médian de cette plage correspond généralement au débit de fonctionnement optimal.
Contrôle de la pression de la boue et de la pression de la pompe. Lorsque le moteur est hors du fond et que le débit est constant, la chute de pression à ses bornes reste constante. Dès que le trépan entre en contact avec le fond et que le poids sur celui-ci augmente, la pression de circulation et la pression de la pompe augmentent également. Le foreur peut alors utiliser la formule suivante : Pression de la pompe au fond (pendant le forage) = Pression de la pompe de circulation hors du fond + chute de pression due à la charge du moteur. La pression de la pompe de circulation hors du fond correspond à la pression de la pompe lorsque le moteur est hors du fond (également appelée pression libre hors du fond ou pression de la pompe de circulation). Elle varie en fonction de la profondeur du puits et des propriétés de la boue ; il ne s’agit donc pas d’une constante. En pratique, il suffit d’utiliser la pression hors du fond mesurée juste après la mise en place d’un train de tiges comme valeur approximative pour les calculs de contrôle. Lorsque la pression de la pompe au fond atteint le maximum recommandé pour le moteur, celui-ci produit son couple optimal ; toute augmentation supplémentaire du poids sur le trépan augmentera la pression de la pompe et, si la pression maximale de conception est dépassée, le moteur risque de caler. Dans ce cas, le foreur doit immédiatement réduire le poids sur le trépan afin d’éviter tout dommage interne.
Manipulation et utilisation
Remarques générales avant la première utilisation : Les connexions filetées entre les composants sont préparées en usine avec un adhésif anaérobie et serrées au couple spécifié ; un resserrage avant la première utilisation n'est généralement pas nécessaire.
Inspection de surface avant la mise en service du trou
Soulevez l'ensemble à l'aide du dispositif de levage et placez-le sur la table rotative de manière à ce que la vanne de dérivation soit située au-dessus de la table et facilement visible. Installez les dispositifs de sécurité et retirez le dispositif de levage.
Vérifiez le fonctionnement de la vanne de dérivation : appuyez sur l’élément de la vanne à l’aide d’un bâtonnet en bois, puis relâchez-le ; le ressort doit ramener l’élément en place sans à-coups. Répétez l’opération 3 à 5 fois pour vous assurer qu’il n’y a pas de blocage.
Avec l'orifice de dérivation situé sous la table rotative, démarrez brièvement la pompe : l'orifice de dérivation doit se fermer, le moteur doit démarrer et l'articulation d'entraînement doit tourner. Après l'arrêt de la pompe, l'élément de la vanne doit se réinitialiser et la boue doit s'écouler par l'orifice de dérivation, ce qui indique un fonctionnement normal.
Faire tourner le moteur dans le trou
Contrôlez strictement la vitesse de fonctionnement pour éviter une descente rapide qui pourrait entraîner l'inversion du moteur et le dévissage des raccords filetés internes, et pour éviter tout dommage lors du passage à travers des ponts de sable, des sabots de tubage ou des rebords.
Dans les sections profondes ou à haute température, et lors du passage de zones de sable non consolidées, faire circuler périodiquement de la boue pour refroidir le moteur, protéger le caoutchouc du stator et empêcher le tassement du sable.
Ralentissez le débit à mesure que le moteur approche du fond ; faites circuler le fluide avant le point de mise en place final, en commençant par un faible débit jusqu'à ce que les déblais de forage remontent à la surface, puis augmentez le débit si nécessaire.
Ne pas heurter le moteur contre le fond ni le laisser immobile sur le fond.
Perçage avec le moteur
Nettoyez soigneusement le fond du trou et mesurez la pression de la pompe de circulation hors du trou avant de commencer le forage.
Appliquez progressivement la force de forage au début. Utilisez la relation pression-pompe ci-dessus pour contrôler les opérations de forage.
Ne percez pas trop vite au début ; le moteur, le foret et le fond du trou sont « serrés » et un nettoyage insuffisant du trou peut provoquer l’encrassement du foret.
Le couple moteur est proportionnel à la chute de pression du moteur ; l'augmentation du poids sur la fraise augmente la charge du moteur et donc la chute de pression et le couple moteur.
Une vitesse de pénétration régulière et uniforme, ainsi que des sections de train de tiges de forage régulières, contribuent à maintenir le contrôle de l'inclinaison du forage et la précision directionnelle.
Extraction du trou et inspection
Purgez la vanne de dérivation avec de l'eau propre et actionnez l'élément de la vanne de haut en bas à l'aide d'un bâton en bois jusqu'à ce qu'elle se ferme correctement.
Saisissez l'ensemble avec une clé à pipe, faites tourner le joint d'entraînement dans le sens horaire avec une clé à chaîne tout en injectant de l'eau propre par le haut de la soupape de dérivation pour rincer l'intérieur, puis introduisez une petite quantité d'huile lubrifiante (huile minérale) dans le moteur.
Contrôlez la vitesse de traction pour éviter que le tuyau ne se bloque ou que le moteur ne soit endommagé.
Mesurer le jeu des paliers ; si le jeu des paliers d'arbre dépasse les limites admissibles, le moteur doit être réparé et les paliers remplacés. Dans les moteurs de réintervention ou de remise en état, le jeu des paliers axiaux doit être ajusté selon les besoins.
Liste de vérification de la surface avant la course (résumé)
Un produit de blocage de filetage est appliqué sur tous les boîtiers, à l'exception du raccord entre la vanne de levage et la vanne de dérivation.
Installez l'embout de vissage à l'aide de l'adaptateur approprié. Utilisez une clé à chaîne uniquement côté arbre de transmission et tournez uniquement dans le sens antihoraire (vue de dessus) lors du serrage afin d'éviter de desserrer le filetage interne.
Soulevez le moteur à l'aide du dispositif de levage et placez-le dans le plateau rotatif ; positionnez la vanne de dérivation de manière à ce qu'elle soit visible, fixez-la avec des pinces et retirez le dispositif de levage.
Vérifiez l'étanchéité de la vanne de dérivation : appuyez sur l'élément de la vanne et remplissez la zone de dérivation d'eau par le haut. Si la vanne est bien étanche, le niveau d'eau ne devrait pas baisser de manière significative. Retirez la tige ; l'élément de la vanne devrait remonter sous l'effet du ressort et l'eau devrait s'écouler uniformément par les orifices latéraux ; ceci indique un fonctionnement normal.
Après la mise en place, positionnez la vanne de dérivation de manière à ce qu'elle soit visible sous le kelly/rotatif. Démarrez la pompe à boue et augmentez progressivement le débit jusqu'à la fermeture de la vanne de dérivation. Relevez légèrement le moteur et vérifiez la rotation du trépan ; vanne fermée, aucune boue ne doit s'écouler par la dérivation. Après l'arrêt de la pompe, assurez-vous que la dérivation se rouvre et que la boue s'écoule par les orifices de dérivation. Ne relevez pas la vanne de dérivation au-dessus de la table de rotation tant que la pompe est en marche afin d'éviter toute contamination du plancher de forage.
Assemblez les sous-ensembles coudés, les colliers de forage non magnétiques, les stabilisateurs, etc. nécessaires, conformément à l'assemblage prévu.
Courir dans le trou — conseils supplémentaires
Contrôlez votre vitesse de descente pour éviter d'endommager le forage avec des ponts de sable, des corniches ou des sabots de tubage. Si vous rencontrez de telles sections, faites circuler la boue et élargissez lentement le trou avant de poursuivre.
Si des sous-ensembles ou des boîtiers coudés sont utilisés, le côté du trépan peut entrer plus facilement en contact avec la paroi du forage ou les sabots de tubage ; faites tourner périodiquement l'ensemble pour réduire les effets de déviation.
Pour les puits profonds ou à haute température, effectuez une circulation intermittente pendant la descente afin d'éviter le colmatage du trépan et de protéger le caoutchouc du stator contre les dommages causés par la chaleur.
Si la boue ne s'écoule pas rapidement par l'orifice de dérivation pendant la descente, ralentissez la vitesse d'avancement ou faites des pauses périodiques pour remplir le moteur de boue. Ne secouez pas le moteur et ne le posez pas sur le fond.
Démarrer le moteur dans le trou
Si le moteur était au fond, remontez-le de 0,3 à 0,4 m et mettez en marche la pompe à boue. Relevez la pression dans la colonne montante et comparez-la aux calculs hydrauliques. Une pression légèrement supérieure est normale en raison des contraintes latérales exercées par le trépan.
Nettoyez soigneusement le fond du puits, surtout dans les puits dirigés. L'accumulation de déblais influe sur la vitesse de rotation et peut provoquer une déviation. Une bonne circulation, associée à une rotation lente du moteur (ou par incréments de 30° à 40°), permettra d'éliminer les déblais de fond. Après le nettoyage, remontez le moteur de 0,3 à 0,4 m, puis vérifiez et notez les valeurs de pression.
Rentrer dans le foret par le bas et augmenter progressivement la pression sur le trépan ; le couple moteur et la pression dans la colonne montante augmenteront. Cette augmentation de pression doit correspondre aux valeurs de chute de pression moteur spécifiées pour le modèle de moteur. Le suivi de cette augmentation permet de vérifier que la charge moteur et la force de forage sont appropriées et que la vitesse du moteur est stable. Maintenir la pression dans la colonne montante dans les limites recommandées pour le moteur permet au foreur d'évaluer rapidement l'état de l'outil.
Si le moteur n'est pas au fond et que la pression de circulation est élevée, les buses du trépan peuvent être bouchées ou l'arbre d'entraînement peut être bloqué.
Paniquer — précautions
Lors de la descente du moteur, la vanne de dérivation est ouverte et permet au fluide de forage contenu dans la garniture de forage de s'écouler dans l'espace annulaire, mais le moteur ne peut pas évacuer le fluide par lui-même. Il est courant de déplacer le haut de la garniture de forage avec un fluide plus dense avant de descendre le moteur afin de garantir un déplacement en toute sécurité.
Une fois le moteur arrivé au niveau de la vanne de dérivation sur le plancher de la plateforme, retirez les composants de la vanne et rincez le moteur à l'eau claire par le haut de la vanne. Utilisez un bâton en bois ou le manche d'un marteau pour actionner l'élément de la vanne de haut en bas jusqu'à ce qu'il coulisse librement. Après le nettoyage, remettez en place le sous-ensemble de levage et retirez le moteur.
Si un système de lavage à l'eau douce est disponible sur place, rincez soigneusement le moteur avant de le remiser.
Si aucune installation de nettoyage n'est disponible, fixez le corps du moteur sur le plancher de forage, serrez et tournez l'extrémité large de l'arbre d'entraînement (celle qui se connecte au trépan) à l'aide d'une clé hydraulique, dans le sens horaire (le même sens que la rotation de forage en fond de puits). Cela permet d'expulser la boue des chambres étanches du moteur et contribue à le protéger de la corrosion. Cette pratique est particulièrement importante en hiver pour éviter que la boue résiduelle à l'intérieur du moteur ne gèle avant sa remise en marche.
