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  1. 1. DIVISION FORAGE Département Formation Module M1 FORMATION JDF Réalisé par : A. Slimani M. Daddou Mars 2004
  2. 2. - 2 - MMMoooddduuullleee MMM111 TABLE DE MATIERES MATS DE FORAGE……………………………………………………………………………………………………… 2 1. Les mâts libres……………………………………………………………………………………………………… 3 2. Les mâts haubanés……………………………………………………………………………………………… 4 3. Caractéristiques des mâts……………………………………………………………………………………. 5 4. Les substructures…………………………………………………………………………………………………. 5 5. Les plates-formes…………………………………………………………………………………………………. 7 6. Précautions et entretiens…………………………………………………………………………………….. 7 PUISSANCE INSTALLEE…………………………………………………………………………………………….. 8 1. Force motrice……………………………………………………………………………………………………….. 8 2. Sources d’énergie sur les appareils de forage…………………………………………………….. 8 3. Les appareils à transmission mécanique……………………………………………………………… 8 4. Les appareils diesel électrique……………………………………………………………………………… 9 LA GARNITURE DE FORAGE………………………………………………………………………………………. 10 1. Les tiges……………………………………………………………………………………………………………….. 10 2. Les tiges lourdes………………………………………………………………………………………………….. 18 3. Les masse – tiges…………………………………………………………………………………………………. 19 4. La poussée d’Archimède………………………………………………………………………………………. 23 5. Les stabilisateurs………………………………………………………………………………………………….. 24 EQUIPEMENT D’ENTRAINEMENT………………………………………………………………………………… 27 1. La table de rotation………………………………………………………………………………………………. 27 2. Le carré d'entraînement et les fourrures……………………………………………………………. 29 3. La tige d'entraînement…………………………………………………………………………………………. 32 4. Equipements annexes de la tige d'entraînement………………………………………………… 33 5. La tête d'injection ………………………………………………………………………………………….. 35 6. Les têtes d'injection hydrauliques……………………………………………………………………….. 36 7. Le top drive………………………………………………………………………………………………………….. 37 LE MATERIEL DE MANŒUVRE……………………………………………………………………………………. 38 1. Les clés du matériel tubulaire………………………………………………………………………………. 38 2. Les cales ou coins de retenue………………………………………………………………………………. 42 3. Les colliers de sécurité…………………………………………………………………………………………. 42 4. Les élévateurs……………………………………………………………………………………………………….. 43 5. Elevateurs a coins………………………………………………………………….. …………………………… 44 LES OUTILS DE FORAGE……………………………………………………………………………………………. 45 1. Les outils a molettes…………………………………………………………………………………………….. 45 2. Les outils diamant…………………………………………………………………………………………………. 50 LES TUBAGES……………………………………………………………………………………………………………… 52 1. Rôle des tubages…………………………………………………………………………………………………… 52 2. Les différentes colonnes de tubage………………………………………………………………………. 52 LA CIMENTATION………………………………………………………………………………………………………… 54 1. Objectifs de la cimentation……………………………………………………………………………………. 54 2. Calcul du volume de laitier de ciment…………………………………………………………………… 54
  3. 3. - 3 - MMMoooddduuullleee MMM111 3. Calcul du volume de chasse………………………………………………………………………………….. 55 4. Préparation du trou avant l'injection……………………………………………………………………..55 5. Utilisation des ciments…………………………………………………………………………………………… 55 6. Réalisation de la cimentation………………………………………………………………………………… 57 7. Equipements de la colonne cimentation simple étage…………………………………………. 58 8. Cimentations à étages multiples…………………………………………………………………………… 65 9. Les unités de cimentation……………………………………………………………………………………… 67 10. Les silos……………………………………………………………………………………………………………..68 11. Les lignes……………………………………………………………………………………………………………69 12. Les têtes de cimentation………………………………………………………………………………….. 69 LA TÊTE DE PUITS………………………………………………………………………………………………………. 70 1. Tête de tubage de base…………………………………………………………………………………………. 70 2. Tête de tubage intermédiaire………………………………………………………………………………… 70 3. Tête de tubing………………………………………………………………………………………………………… 70 LES EQUIPEMENTS DE POMPAGE………………………………………………………………………………..72 1. Partie mécanique des pompes de forage……………………………………………………………… 72 2. Partie hydraulique des pompes de forage …………………………………………………………….74 3. Principe de fonctionnement des pompes……………………………………………………………… 74 4. Evolution du débit instantané…………………………………………………………………………………76 5. Avantages et inconvénients des pompes……………………………………………………………… 77 6. Composants des pompes duplex………………………………………………………………………….. 78 7. Composants des pompes triplex…………………………………………………………………………… 80 8. Maintenance des pompes de forage……………………………………………………………………… 81 9. Anomalies de fonctionnement………………………………………………………………………………..81 LE CIRCUIT HAUTE PRESSION…………………………………………………………………………………….84 1. Les conduites et le manifold de refoulement…………………………………………………………84 2. Le manifold de plancher………………………………………………………………………………………… 85 3. La colonne montante…………………………………………………………………………………………….. 85 4. Le flexible d'injection…………………………………………………………………………………………….. 85 5. Le col de cygne……………………………………………………………………………………………………….86 6. Les raccords…………………………………………………………………………………………………………… 86 7. Les vannes……………………………………………………………………………………………………………… 87 LES MESURES……………………………………………………………………………………………………………… 88 1. Nature des mesures……………………………………………………………………………………………… 88 2. Buts des mesures………………………………………………………………………………………………….. 88 3. Utilisateurs des mesures………………………………………………………………………………………..89 4. Présentation des mesures……………………………………………………………………………………… 90 5. Les différentes mesures………………………………………………………………………………………… 91 CONTROLE DE VENUES………………………………………………………………………………………………. 94 1. Les pressions…………………………………………………………………………………………………………. 94 2. Causes des venues……………………………………………………………………………………………….. 96 3. Détection d'une venue en cours de forage…………………………………………………………… 96 4. Principe de contrôle d'une venue…………………………………………………………………………..98 5. Equipement d'obturation………………………………………………………………………………………. 99 FLUIDES DE FORAGE………………………………………………………………………………………………….. 103 1. Rôles de la boue……………………………………………………………………………………………………..103
  4. 4. - 4 - MMMoooddduuullleee MMM111 2. Boues à l’eau et à l’huile………………………………………………………………………………………..105 3. Principaux produits a boue……………………………………………………………………………………. 106 4. Boues à phase continue eau ………………………………………………………………………………….112 5. Contaminations……………………………………………………………………………………………………….117 6. Conversions et changements de boue……………………………………………………………………119 7. Fabrication des boues……………………………………………………………………………………………. 120 8. Barytage ………………………………………………………………………………………………………………… 122 9. Bouchons de colmatants……………………………………………………………………………………….. 123 APPAREILS DE MESURES SUR LA BOUE……………………………..……………………………………..128 1. Viscosimètre Marsh……………………………..……………………………………..………………………… 128 2. Densimètre……………………………..……………………………………..…………………………………….. 130 3. Le viscosimètre fann ……………………………………………………………………………………………..132 4. Filtre presse API……………………………………………………………………………………………………..133 5. Sable………………………………………………………………………………………………………………………. 135 6. Mesure du Ph…………………………………………………………………………………………………………. 136 7. Mesure des niveaux………………………………………………………………………………………………..137 8. Rapport journalier accrocheur………………………………………………………………………………. 140 LE CIRCUIT BASSE PRESSION…………………………………………………………………………………….142 1. Fonctions du circuit basse pression……………………………………………………………………….142 2. Tamisage……………………………………………………………………………………………………………….. 143 3. Décantation……………………………………………………………………………………………………………. 145 4. Dégazage……………………………………………………………………………………………………………….. 145 5. Hydrocyclonage……………………………………………………………………………………………………… 148 6. Traitements particuliers d'élimination des solides…………………………………………………151 7. Fabrication - brassage – stockage……………………………………………………………………….. 155 8. Transfert –suralimentation……………………………………………………………………………………. 159
  5. 5. - 5 - MMMoooddduuullleee MMM111 MATS DE FORAGE Le mât de forage [mast] (figure 1) sert aux manœuvres des garnitures de forage ou des tubages. Il a remplacé la tour [derrick] grâce à la rapidité de son montage et démontage. Il peut être du type qui ne se démonte pas pour le déménagement [moving], ou de celui qui se démonte en un petit nombre d'éléments. Il est dressé tout monté sur la plate-forme de forage. Il est composé de deux montants reliés par des entretoises et des croisillons qui reposent sur une substructure. Une plate-forme (figure 2) installée au sommet, comportant des traverses de forte capacité, supporte le moufle fixe [crown block]. Une passerelle d'accrochage [monkey board] (figure 3) est installée à une hauteur de 26 mètres du plancher [rig floor] pour permettre l'accrochage des longueurs de tiges [stands]. Elle est accrochée au mât par deux attaches, repose sur deux jambes de force, et est maintenue en haut par deux câbles. Elle comprend deux rangées pour le stockage des tiges [drill pipes] et masse-tiges [drill collars] de part et d’autre d’une partie rabattable réservée à l’accrocheur [derrick man]. Les rangées de stockage sont divisées en plusieurs autres rangées séparées par des traverses munies chacune d’un dispositif de sécurité pour empêcher les tiges d’en sortir. La longueur maximale d'une longueur de tiges à stocker dans le mât ne doit pas dépasser 30 mètres, sinon les tiges risquent de se déformer de façon permanente. A environ 9 mètres du plancher est montée une passerelle de tubages (figure 4) qui permet le guidage de ces derniers lors de leur vissage. La hauteur de cette passerelle est ajustable entre 6 et 12 mètres à l’aide d’un treuil à air. Figure 1 : Mât de forage Figure 2 : Plateforme du moufle fixe
  6. 6. - 6 - MMMoooddduuullleee MMM111 Des échelles ou des escaliers permettent l'accès aux passerelles et au sommet. Les tiges et tubages [casings] sont préparés sur des traîteaux (figure 5) situés de part et d’autre d’un plan horizontal appelé walk-way. Ces tiges et tubages sont roulés sur ces traîteaux jusqu’à atteindre le walk-way, puis ils sont remontés sur le plancher à l’aide du treuil à air. Ils glissent le long du walk-way, puis sur le plan incliné [catwalk] jusqu’à atteindre le plancher. 7. Les mâts libres Les différents types de mâts libres sont : 7.1. Les mâts ouverts (type Lee C. Moore) ont une chèvre utilisée pour le levage [raising] du mât et participe à la résistance de l'ensemble. Ces mâts comprennent deux poutres minces composées d’éléments en treillis soudés, réunis entre eux Figure 3 : Passerelle d’accrochage Figure 4 : Passerelle de tubage Figure 5 Plan incliné Walk-way Traîteaux Tiges
  7. 7. - 7 - MMMoooddduuullleee MMM111 par des broches goupillées. Ces poutres sont réunies à l ’arrière par des traverses. La face avant est ouverte. Les pieds de ces poutres pivotent autour d’un axe fixé sur la substructure. La partie inférieure arrière des poutres repose sur la chèvre tandis que la partie avant comporte les gerbiers pour supporter les longueurs de tiges stockées. Le montage du mât se fait complètement au sol, puis il est ripé sur des glissières inclinées jusqu’à ce que ses pieds atteignent les axes sur les substructures. La chèvre est mise en place, et on dresse le mât grâce au treuil, au mouflage et à une élingue qui passe sur la chèvre et est attachée sur la face arrière du mât. 7.2. Les mâts fermés ou ouverts ayant une chèvre utilisée uniquement au levage du mât et ne participe pas ensuite à la résistance de l'ensemble (type EMSCO). Ces mâts comprennent deux poutres minces composées d’éléments en treillis soudés, réunis entre eux par des broches goupillées. Ces poutres sont réunies par des traverses à l’arrière et même à l ’avant pour les mâts de grande capacité. Chaque poutre est terminée par deux pieds, dont celui arrière est monté sur un axe pour permettre à la poutre de pivoter. Le calage des pieds sert à régler la verticalité du mât. Le mât, après être totalement monté au sol, est dressé directement à l ’aide d’une élingue et du mouflage, sans qu’il arrive au niveau de la substructure. 7.3. Les mâts ouverts reposant sur des jambes de force longues de 12 mètres qui servent au levage du mât et participent à la résistance de l'ensemble (type IDECO). Ces mâts sont constitués de deux poutres à section rectangulaire, en treillis, reliées par deux articulations au niveau du moufle fixe, et des croisillons amovibles à la partie supérieure. Sur une dizaine de mètres du moufle fixe, ces poutres ne sont entretoisées que sur trois faces, augmentant ainsi l ’espace disponible en laissant libre la face intérieure. Les éléments du mâts, entre 3 et 5, sont réunis par des broches goupillées. Chaque poutre repose et pivote sur un axe solidaire du plancher. Le mât est maintenu en position verticale par des jambes de force qui prennent appui, d’un côté, sur des axes situés à l’avant et en bas de la substructure, et de l ’autre, sur le mât à une dizaine de mètres du plancher. Les paliers des axes de l’extrémité basse sont fixes mais permettent un léger mouvement latéral, tandis qu’à l’autre extrémité, ils peuvent se déplacer sur des glissières aménagées dans les poutres. Le mât, après son montage au sol, est dressé grâce au mouflage et à une élingue fixée au crochet. On commence par amener les pieds du mât au niveau de leurs axes sur le plancher, le palier de l ’extrémité haute des jambes de force étant en position haute des glissières. Le mât est ensuite mis en position horizontale, puis il est soulevé. L ’extrémité supérieure des jambes de force glisse dans les glissières et arrive, lorsque le mât est en position verticale, à la partie inférieure. Elle est alors bloquée par un système d’enclenchement automatique secondé par un dispositif de sécurité. 8. Les mâts haubanés Les mâts haubanés (figure 6) sont utilisés pour les forages de faible et moyenne profondeur. Ils ne se démontent pas, mais se rabattent sur des camions ou des remorques. On distingue : - les mâts télescopiques, constitués de deux poutres minces en treillis ou tubulaires, - les mâts non télescopiques.
  8. 8. - 8 - MMMoooddduuullleee MMM111 Ces mâts sont haubanés pour résister aux vents. Les haubans, au nombre de 8 ou 12, sont inclinés de 45° et sont placés dans les plans diagonaux du mât. Ils sont reliés au mât par des goussets et, au sol, à des points fixes, situés à une distance du puits égale à la hauteur du mât. Leur tension est de l'ordre de 0.5 à 1 tonne. Les tensions des haubans opposés doivent être identiques 9. Caractéristiques des mâts 9.1. Hauteur : mesurée entre le plancher et le bas de la passerelle du moufle fixe. 9.2. Capacité API : c'est la capacité maximale au crochet, pour un mouflage donné, en l'absence de gerbage et du vent. La relation entre la capacité API et celle au crochet est donnée par la formule suivante : Cc = ( CAPI - P ) x N / ( N + 4 ) Avec : Cc = capacité au crochet, CAPI = capacité API N = nombre de brins P = poids du mât + moufle fixe La capacité réduite au crochet, elle, tient compte du gerbage et du vent et s'exprime en pourcentage de la capacité API. L'effort sous lequel s'effondrerait le mât est égal au double de sa capacité maximale au crochet. Le calcul du croisillonnement tient compte de la vitesse du vent et de la composante horizontale de la garniture de forage stockée dans le gerbier. Figure 6 : Mât haubané
  9. 9. - 9 - MMMoooddduuullleee MMM111 10. Les substructures Le mât repose sur une substructure [substructure] (figure 7) afin de disposer, sous le plancher de travail, d'une hauteur suffisante pour installer les obturateurs. La substructure est constituée de deux poutres horizontales en treillis de fers en I soudés, placées suivant le sens de la longueur et réunies par des traverses assemblées par des broches goupillées. En plus du mât, la substructure supporte la table de rotation, le treuil [drawworks] et la garniture de forage [drilling string]. Pendant la descente de tubage, elle supporte le poids du tubage posé sur la table et celui de la garniture de forage stockée dans le gerbier. Pour la substructure, le constructeur donne la capacité de stockage des gerbiers en fonction de la vitesse du vent et la capacité de l’assise de la table de rotation. Il existe plusieurs types de substructures : - substructures à piliers intermédiaires, différentes par la disposition des poutres qui supportent la table de rotation, - substructures compactes, composées d’un ou de deux parties et sont utilisées dans les appareils mobiles sur roues. Une fois sur place, elles sont surélevées à l’aide de vérins manuels ou hydrauliques, - substructures à caissons, hautes de 5 à 6 mètres, elles sont très pratiques pour la manutention du matériel tubulaire, mais présentent un problème pour la mise en place de la tête de puits. Les caissons servent aussi au stockage d'eau ou du matériel, - substructures surélevées ou dépliables, hautes de 8 à 12 m pour faciliter la mise en place d’un haut empilage d’obturateurs. Figure 7 : Substructure
  10. 10. - 10 - MMMoooddduuullleee MMM111 Il existe également des substructures permettant le déménagement sans démonter le mât. Pour cela, on soulève la substructure, avec le mât dressé, et on la pose sur des chariots à chenilles ou à roues, tirés ensuite par des tracteurs. 11. Les plates-formes La substructure est posée sur une plate-forme [platform] en béton construite en fonction de la résistance des terrains, afin d'assurer sa stabilité. Des rigoles sont aménagées autour de la plate-forme pour drainer efficacement les eaux qui peuvent s’infiltrer sous la plate-forme et la déstabiliser. Si le terrain est assez résistant, on peut poser la substructure sur un platelage formé de madriers en bois ou en métal posé sur le sol préalablement nivelé. Ces platelages sont déménagés avec l’appareil à la fin du forage. Si le terrain est peu résistant, ces platelages sont posés sur une couche de ballast. 12. Précautions et entretiens Durant le montage ou démontage du mât et afin de ne pas compromettre sa résistance, il faut : - éviter de tordre ou de monter tordus des éléments, - tous les écrous doivent être munis de rondelles grower, - éviter de monter le mât incomplet, et si un élément manque ou est détérioré, il doit être remplacé, - afin d’égaliser les tension internes, les écrous sont bloqués lorsque le montage est terminé, - lorsqu’une cornière est endommagée, il est nécessaire de changer l’élément complet, - il faut éviter de percer des trous dans les éléments du mât ou de la substructure afin de ne pas compromettre leur résistance. Durant le forage et suite aux vibrations engendrées, les écrous peuvent se desserrer et les goupilles sortir de leur emplacement.
  11. 11. - 11 - MMMoooddduuullleee MMM111 PUISSANCE INSTALLEE 5. Force motrice Sur un appareil de forage, la force motrice assure les fonctions levage, rotation, pompage, éclairage et auxiliaires. 6. Sources d’énergie sur les appareils de forage Les premières sources de puissance sur les appareils de forage provenaient des machines à vapeur. La sondeuse du Colonel DRAKE se composait d'une chaudière de 10 ch, fonctionnant au bois, qui alimentait une machine à vapeur de 6 ch. Les moteurs diesel (appelés moteurs à combustion interne) (figure 1) ont succédé aux machines à vapeur, et se sont généralisés sur la plupart des appareils de forage, soit en entraînant directement le treuil ou la transmission, soit par l’intermédiaire d’installation électrique. 7. Les appareils à transmission mécanique La force motrice [power] est fournie par des moteurs diesel [diesel engines] pouvant être couplés les uns aux autres et reliés au treuil par l'intermédiaire d'un ensemble de transmission à chaînes [compound] (figure 2). Leur manque de souplesse relatif, leur mauvais rendement lorsqu'on s'éloigne de la pleine charge sont compensés par l'utilisation de convertisseurs de couple. Figure 1 : Moteur diesel
  12. 12. - 12 - MMMoooddduuullleee MMM111 8. Les appareils diesel électrique L’ensemble des équipements de forage sont entraînés par des moteurs à courant continu (figure 3). Ce type de moteur est préféré aux moteurs asynchrones (figure 4). La force motrice est constituée d'un ensemble de génératrices ou d’alternateurs entraînés par des moteurs diesel. Dans ce dernier cas, le courant alternatif produit est redressé avant alimentation des moteurs à courant continu. La transmission diesel électrique apporte plusieurs avantages tels que souplesse, simplicité (élimination de nombreux embrayages, pignons, chaînes, etc...) et meilleure utilisation de l'espace disponible. Figure 2 : Transmission mécanique Figure 3 : Moteur à courant continu Figure 4 : Moteur asynchrone
  13. 13. - 13 - MMMoooddduuullleee MMM111 LA GARNITURE DE FORAGE Le forage rotary exige l'utilisation d'un arbre de forage creux appelé garniture, qui a pour principales fonctions : - d'entraîner l’outil en rotation, - d'y appliquer un certain effort, - d'y apporter l’énergie hydraulique nécessaire à l'évacuation des déblais. Une garniture de forage est constituée des principaux éléments suivants : - les tiges [drill pipes], - les tiges lourdes [heavy weight drill pipes], - les masse-tiges [drill collars]. 6. Les tiges 6.1. Rôles Les tiges de forage (figure 1) permettent la transmission de la rotation de la table à l’outil et le passage du fluide de forage jusqu’à ce dernier. Elles doivent travailler en tension pour éviter leur frottement contre les parois du puits, qui peuvent causer leur usure et les éboulements des parois, et la déviation. Figure 1 : Tiges de forage Joint femelle Corps Joint mâle
  14. 14. - 14 - MMMoooddduuullleee MMM111 6.2. Caractéristiques 6.2.1. Le diamètre nominal C’est le diamètre extérieur du corps de la tige, exprimé en pouces. 6.2.2. Le grade Détermine la qualité de l'acier et donne la résistance de la tige à la traction et la torsion. Lorsqu'une tige subit un effort de traction, elle s'allonge (figures 2) ; si on ne dépasse pas une certaine valeur et si on relâche la force, la tige revient à sa position initiale : on dit que l'acier a travaillé dans le domaine élastique. La limite élastique (contrainte maximale admissible) est le rapport de la traction maximale (au delà de laquelle on sort du domaine élastique) sur la section du corps de la tige. Les grades [grades] d'acier normalisés sont : D55 - E75 - X95 - G105 - S135. 6.2.3. La gamme Caractérise la longueur des tiges. Il existe 3 gammes [ranges] de longueur de tige : - gamme 1 : 5,50 m à 6,70 m (18' à 22'), - gamme 2 : 8,25 m à 9,15 m (27' à 30'), - gamme 3 : 11,60 m à 13,70 m (38' à 45'). 6.2.4. Le poids nominal Exprimé en livres par pied, il indique le poids [weight] du corps de la tige sans les tool- joints.
  15. 15. - 15 - MMMoooddduuullleee MMM111 Figure 2 : Limite élastique Contrainte % allongement Limite élastique 80% de la limite élastique Zone conseillée Domaine d’utilisation Allongement permanent Contrainte % allongement Limite élastique 80% de la limite élastique Zone conseillée Domaine d’utilisation Allongement permanent Contrainte(1000psi) % allongement S135 G105 X95 E75 D55 135 105 95 75 55 Contrainte(1000psi) % allongement S135 G105 X95 E75 D55 135 105 95 75 55
  16. 16. - 16 - MMMoooddduuullleee MMM111 6.3. Fabrication Les tiges de forage sont des tubes d'acier au carbone étirés sans soudure. Leurs extrémités sont refoulées (figure 4) : - soit intérieurement (internal upset ou IU) - soit extérieurement (external upset ou EU) - soit de manière mixte (internal - external upset ou IEU). Des joints sont raccordés à ces extrémités soit par vissage, soit par soudage. 6.4. Classification La classe d'une tige définit son degré d'usure après utilisation, donc la diminution de sa section qui entraîne celle de ses caractéristiques mécaniques. L'API a défini les classes de tiges comme suit : 6.4.1. Classe 1 Marquée d’une bande blanche. Les tiges de cette classe sont neuves (aucune trace d’usure). 6.4.2. Classe supérieure (premium) Marquée de deux bandes blanches. L'usure est caractérisée par : - réduction uniforme de l'épaisseur de 20%, - réduction excentrique de l'épaisseur de 20%, - la section est calculée en fonction de la réduction uniforme de l'épaisseur de 20%. 6.4.3. Classe 2 Marquée d’une bande jaune. L'usure est caractérisée par : - réduction uniforme de l'épaisseur de 20%, - réduction excentrique de l'épaisseur de 35%, - la section est calculée en fonction de la réduction uniforme de l'épaisseur de 20%. 6.4.4. Classe 3 Marquée d’une bande orange. L'usure est caractérisée par : - réduction uniforme de l'épaisseur de 37.5%, - réduction excentrique de l'épaisseur de 45%, - la section est calculée en fonction de la réduction uniforme de l'épaisseur de 37.5%. Figure 4 : Limite élastique IU EU IEU
  17. 17. - 17 - MMMoooddduuullleee MMM111 6.4.5. Classe 4 Marquée d’une bande verte. Plus usée que la classe 3. Une tige rebutée est marquée d'une bande rouge. Remarques : Une tige fissurée doit être marquée d'une bande rouge et ne peut plus être utilisée. Une usure excentrique est une usure donnant une surface externe cylindrique dont l'axe est excentré par rapport à l'axe du cylindre intérieur. 6.5. Les tool-joints Ce sont des joints (figure 5) qui assurent la liaison entre les tiges. Ils sont soudés et/ou vissés au corps de tiges. Ils sont caractérisés par leur diamètre extérieur, leur filetage [thread] et le diamètre nominal de leur filetage. Ils peuvent être rechargés extérieurement pour être protégés contre l'usure excessive. Remarque : c'est sur les tool-joints que sont placées les clés de forage pour les opérations de vissage et de dévissage. Il existe plusieurs types de tool-joints : Regular (Reg) : se monte généralement sur des tiges IU (ou IEU pour les dimensions les plus élevées). Le passage intérieur est inférieur à celui du refoulement intérieur. Les tool-joints regular qui ne permettaient pas le passage de certains instruments, ont pratiquement été abandonnés pour les tiges. Seul le filetage regular a été conservé pour les masse tiges ou les outils de forage. Full Hole (FH) : se monte sur des tiges IU (ou IEU pour les dimensions les plus élevées). Le passage intérieur est sensiblement égal à celui du refoulement intérieur. Les tool-joints FH ont été pratiquement abandonnés pour les tiges depuis l'apparition des tool-joints internal flush (IF), sauf en dimension nominale 4" qui est apparu en dernier et où le filetage a le même profil, même conicité et même pas que le filetage IF. Figure 5 : Tool-joints Tool-joint mâle Tool-joint femelle
  18. 18. - 18 - MMMoooddduuullleee MMM111 Par contre, le filetage FH a été conservé pour les masse tiges et les outils de forage. Internal Flush (IF) : le plus utilisé actuellement, il se monte sur des tiges EU (ou IEU pour les dimensions les plus élevées). Le passage intérieur des tool-joints est sensiblement égal à celui des tiges. Tool-joint API à connexion numérotée (API numbered rotary shouldered connections) : ce filetage est utilisé pour les tool-joints et les masse tiges. Il a été adopté par l’API pour remplacer graduellement les autres types de filetages. La désignation de la dimension est un nombre de deux chiffres indiquant le diamètre exprimé en dixièmes de pouce (arrondi au dixième inférieur) de la connexion mâle au point de calibrage (gage point). Les connexions numérotées utilisent un filet en V ayant un sommet plat de 1,65 mm (0,065") et un fond arrondi de 0,96 mm (0,038"). Cette forme est désignée comme forme V-0,038 R. Elle s'accouple avec la forme V-0,065 qui est employée sur toutes les connexions IF et sur la connexion FH 4". Connexions numérotées Correspondance 26 2"3/8 IF 31 2"7/8 IF 38 3"1/2 IF 40 43 FH 46 4" IF 50 4"1/2 IF La seule différence entre le filetage des connexions numérotées et celui de l’IF réside dans le fait que les fonds des filets du premier ne sont pas tronqués mais arrondis d’un rayon de 0,038 pouce. Tool-joints spéciaux non API : tels que les tool-joints frettés seal grip (de Hughes), super shrink grip (de Reed), et straight grip (de American Iron). 6.6. Identification des tiges et tool-joints Les tiges et tool-joints sont identifiés par les bandes de classification et celles de marquage de l'état du tool-joint Bandes de classification des tiges : Classe 1 : 1 bande blanche Classe premium : 2 bandes blanches Classe 2 : 1 bande jaune Classe 3 : 1 bande orange Classe 4 : 1 bande verte Rebut : 1 bande rouge Bande de marquage de l'état du tool-joint : Rebut ou réparation en atelier : 1 bande rouge Réparation sur chantier : 1 bande verte 6.7. Usure des tool-joints Les tool-joints s'usent par frottement à l'intérieur des colonnes de tubage et dans le terrain. Quand leur diamètre extérieur atteint une cote d'alerte, ils doivent être changés.
  19. 19. - 19 - MMMoooddduuullleee MMM111 Pour retarder le rebut des tool-joints dû à l'usure extérieure, différents procédés sont utilisés. 6.7.1. Tool-joints surdimensionnés Leur épaisseur étant supérieure à celle des tool-joints classiques, ils permettent de retarder l'apparition de la cote d'alerte. Les tool-joints extra-hole (XH) et les nouveaux tool-joints API, appartiennent à cette catégorie. A filetage correspondant, leur diamètre extérieur est légèrement supérieur à celui d'un tool-joint IF classique. Nota : Un tool-joint 4"1/2 XH possède le même filetage qu'un tool-joint 4" IF. Un tool-joint 5" XH possède le même filetage qu'un tool-joint 4"1/2 IF. 6.7.2. Durcissement de la surface externe des tool-joints Tool-joints stellités : Le procédé consiste à déposer un ou plusieurs anneaux de carbure de tungstène à la base du tool-joint femelle, hors de la prise des clés de serrage (figure 6). Si des tiges à tool-joints stellités sont utilisées dans une colonne de tubage, elles doivent être munies de protecteurs de tubage en caoutchouc (figure 8). Tool-joints traités à haute fréquence : La surface externe des tool-joints est durcie par le passage d'un courant à haute fréquence. Ce procédé est moins onéreux que le stellitage et présente moins de risque d'abîmer le tubage. 6.8. Recommandations pour l’utilisation des tiges Un certain nombre de ruptures des tiges pourrait être évité par l'application de certains contrôles et précautions : - utiliser un poids de masse-tiges suffisant pour éviter que les tiges ne travaillent en compression ; Figure 6 : Tool-joint stellité Anneaux de stellite
  20. 20. - 20 - MMMoooddduuullleee MMM111 - utiliser des tiges droites, surtout au-dessus des masse-tiges ; - établir une rotation périodique des tiges situées au-dessus des masse-tiges ; - éviter de débloquer les tiges à la table de rotation (surtout si le poids de la garniture de forage est faible) ; - éviter de créer des amorces de rupture en faisant des entailles avec les cales et les clés ; - placer les tool-joints à débloquer à une hauteur correcte au-dessus de la table de rotation pour éviter de tordre la tige au-dessus des cales ; - examiner les tiges périodiquement ou après une instrumentation au sonoscope ; - utiliser un raccord d'usure de tige d'entraînement en bon état ; - nettoyer et graisser soigneusement les filetages et les portées planes d'étanchéité avec une graisse contenant en suspension un métal malléable (plomb, zinc, cuivre) qui s'interpose entre les filets et les portées en contact pour éviter le grippage ; - éliminer les bavures sur les portées des tool-joints avec un outil adapté ; - bloquer les filetages au couple recommandé ; - au cours des manœuvres, éviter le choc du bas du filetage mâle contre la portée du tool-joint femelle ; - rompre régulièrement les longueurs formées (sinon, risque d'ennuis pour débloquer les joints qui n'ont pas été débloqués depuis longtemps) ; - ne pas déplacer une tige stockée dans le mât en tapant sur la portée du tool-joint mâle ; - éviter, lors du rangement d’une longueur dans le gerbier, de cogner le filetage du tool-joint de la longueur à stocker contre la portée d’une autre déjà stockée ; - mettre systématiquement des protecteurs de filetage (figure 7) pour le transport et le stockage ; - éliminer les tiges dont les tool-joints ont atteint la cote d'alerte ; - les tiges à joints stellitées au droit du tubage doivent être munies de protecteurs de tubage en caoutchouc (figure 8) ; - ne pas tirer sur les tiges au-delà de la limite élastique en utilisant un coefficient de sécurité qui tient compte de l'état des tiges ; - les filetages des tool-joints doivent être nettoyés intérieurement et extérieurement au moyen du jet d'eau ; - le filetage femelle doit être nettoyé et graissé au moment de la remontée pendant la descente de l'élévateur à vide, le filetage mâle est nettoyé avec le jet d'eau une fois la tige gerbée. Au cours de la descente, on a ainsi un filetage femelle déjà nettoyé et graissé et un filetage mâle nettoyé qu'il faut graisser à nouveau à la descente. Tous les membres de l’équipe doivent inspecter les tiges durant la remontée, pour détecter une éventuelle anomalie. Cette opération exige que les tiges soient propres, ce qui nécessite leur nettoyage durant la remontée. Ce nettoyage se fait soit à l’eau, soit en utilisant un essuie tiges. Parfois, l'eau est interdite parce qu’elle agit sur les caractéristiques de la boue. La graisse pour filetages de tool-joints est un matériau d'entretien et de protection essentiel. Elle doit être conservée à l'abri de la boue, des poussières, etc..., dans des récipients munis de couvercles. Elle doit être bien répartie sur le filetage et en quantité suffisante, mais sans exagération.
  21. 21. - 21 - MMMoooddduuullleee MMM111 7. Les tiges lourdes Les tiges lourdes ont une flexibilité plus grande que celle des masse tiges et plus petite que celle des tiges normales. Dans les forages verticaux, les tiges lourdes sont fréquemment utilisées comme intermédiaires entre les masse-tiges et les tiges. Il y a à ce niveau une variation de section occasionnant des contraintes plus élevées (flexion plus grande, vibrations). On utilise donc avantageusement une, deux ou trois longueurs de tiges lourdes, entre les masse-tiges et les tiges, chaque fois que les conditions de forage sont difficiles. Dans les forages dirigés, les tiges lourdes sont utilisées soit au sommet des masse-tiges, soit parfois en les remplaçant totalement. Dans ce dernier cas la flexibilité sera suffisante pour que l'outil continue dans la direction donnée par l'amorce de déviation. Avant les tiges lourdes, on utilisait des tiges de forage normales. Malheureusement, ces dernières ont une résistance au flambage insuffisante. Comme elles travaillaient en compression, les ruptures étaient fréquentes et nombreuses. L'utilisation des tiges lourdes a grandement amélioré les opérations, surtout en forage dirigé. 7.1. Formes Les diamètres extérieurs des tool-joints sont surdimensionnés par rapport à ceux des tool-joints des tiges (figure 9). Elles comportent en plus un renflement central dont le diamètre est généralement égal à celui des tool-joints diminué de 3/4 à 1". Comme pour les tiges, l'épaulement du tool-joint femelle est carré ou conique à 18°. Le diamètre intérieur est généralement intermédiaire entre le diamètre des tool-joints et celui des masse-tiges. 7.2. Fabrication Les tiges lourdes peuvent être obtenues par usinage d'une masse-tige, ou à partir d'un ou deux éléments tubulaires laminés à chaud qui constitueront la partie centrale. Les tool-joints sont soudés aux extrémités. L'acier utilisé est le même que celui des masse-tiges et des tool-joints. La partie centrale peut être un acier à plus bas carbone traité pour obtenir une résistance comparable à celle des masse-tiges. Figure 7 : Protecteurs de filetage Figure 8 : Protecteurs de tubages Figure 9 : Tige lourde
  22. 22. - 22 - MMMoooddduuullleee MMM111 Les tool-joints et le renflement central sont généralement protégés contre l'usure par le dépôt de plusieurs bandes de rechargement dur (hard facing). 8. Les masse - tiges 8.1. Rôles Les masse-tiges (figure 10) permettent de : mettre du poids sur l'outil pour éviter de faire travailler les tiges de forage en compression. Le poids utilisable des masse-tiges ne devra pas excéder 80% de leur poids total dans la boue ; jouer le rôle du plomb du fil à plomb pour forer un trou aussi droit et vertical que possible. Elles ne rempliront pleinement ces conditions que si elles sont aussi rigides que possible donc aussi largement dimensionnées que possible. 8.2. Caractéristiques Une masse-tige est caractérisée par : - ses diamètres extérieur et intérieur. Le diamètre intérieur est normalisé par l'API en fonction du diamètre extérieur. Lorsqu'il y a un choix possible, il est avantageux de choisir le plus petit diamètre intérieur de façon à augmenter la résistance de la connexion filetée ; - son type et son diamètre de connexion filetée (Reg - FH - IF - NC) ; - son profil : lisse, spiralé ou carré. 8.3. Filetages Les filetages des masse-tiges sont coniques pour deux raisons : - un filetage conique a une plus grande résistance, - un filetage conique offre de grandes facilités et une plus grande rapidité de vissage ou de dévissage (bon alignement non nécessaire, obtention du blocage sans avoir à effectuer autant de tours que le filetage comporte de filets). Par ailleurs ces filetages comportent un épaulement permettant d'assurer l'étanchéité entre les masse-tiges. Les filetages les plus couramment utilisés sont : - Internal Flush (IF), - Regular (Reg), - Full Hole (FH). Ils diffèrent essentiellement par le profil du filet, la conicité et la longueur de la partie filetée. Figure 10 : Masse tiges
  23. 23. - 23 - MMMoooddduuullleee MMM111 Les filetages des masse-tiges sont épaulés et les contraintes qui passent d'une masse- tige à une autre sont transmises pour 60 % environ par les épaulements et 40 % par les filetages. 8.3.1. Profil des filetages Le profil des filets est du type V0.040 jusqu'à 4"1/2 Reg inclus et V0.050 à partir du 5"1/2 Reg. Il est du type V0.040 pour le 3"1/2 et le 4"1/2 FH, V0.050 pour le 5"1/2 et le 5"6/8 FH, et V0.065 pour le 4" FH. Tous les filetages IF sont de type V0.065. Le profil V0.038 R est le profil V0.065 dans lequel le plat dans le creux des filets a été remplacé par une courbure de rayon 0.038". A dimension et conicité égales, un profil V0.065 est interchangeable avec un profil V0.038 R. 8.3.2. Avantages et inconvénients des différents profils Le faible rayon à fond des filets de profils V0.040 et V0.050 crée un effet d'entaille qui diminue la résistance à la fatigue. Le profil V0.065 est meilleur et le profil V0.038 R, est encore meilleur. Le filetage Hughes H90 comporte un filet à 90° au lieu de 60 avec un rayon important dans le creux des filets. L'effet d'entaille est diminué par l'importance du rayon à fond des filets et par l'ouverture de ces filets (angle à 90°). Ces filetages sont surtout utilisés dans les terrains durs (vibrations) et les trous déviés qui étaient à l'origine de nombreuses ruptures de filetages. Actuellement, les filetages NC ont remplacé les H90 dans les forages difficiles. Ils sont utilisés sur des masse-tiges définies par les 2 lettres NC, suivies de 2 groupes de 2 chiffres. Exemple : NC 46-65 : - NC signifie : Numbered Connexion, - 46 est le numéro de la connexion, - 65 signifie 6"1/2 de diamètre extérieur. Il s'agit donc d'une masse-tige de 6"1/2 de diamètre extérieur, filetée NC 46. 8.3.3. Equilibrage des filetages Une masse-tige doit avoir des filetages mâle et femelle équilibrés, c'est-à-dire que la résistance du filetage mâle doit être sensiblement égale à celle du filetage femelle. 8.4. Différents types de masse-tiges 8.4.1. Masse tiges classiques Masse tiges lisses : elles sont lisses sur toute leur longueur (figure 11). L’utilisation du collier de sécurité pour leur manœuvre dans le puits est obligatoire. Masse tiges à rétreints : deux retreints sont usinés dans la partie supérieure (figure 12) pour permettre l’utilisation de la cale et l’élévateur sans collier de sécurité. 8.4.2. Masse tiges à extrémités soudées Les extrémités sont filetés séparément du corps puis reliés à ce dernier par soudure. 8.4.3. Masse tiges à partie centrale surdimensionnée Utilisées dans les grosses dimensions, elles assurent un meilleur guidage et une meilleure rigidité d'où moins de tendance à dévier.
  24. 24. - 24 - MMMoooddduuullleee MMM111 La partie supérieure est réduite pour permettre le repêchage par l'extérieur avec un overshot standard et l'utilisation de filetages courants, donc de couples de serrage acceptables. On peut utiliser trois masse tiges de ce type si la différence entre partie centrale et extrémité réduite est grande et entre six et neuf si la différence est moins importante. 8.4.4. Masse tiges carrées Ayant une rigidité importante et un très bon guidage dans le trou (jeu 1/32" seulement), elles sont utilisées pour supprimer les dog legs et diminuer la déviation. Les angles sont rechargés par un composite carbure-diamant pour éviter leur usure dans les terrains abrasifs. On n'utilise jamais plus d'une masse-tige carrée dans un trou. Cette masse-tige doit être placée au-dessus d'un aléseur, placé lui même directement sur l'outil. La présence de cet aléseur est indispensable car, étant donné le faible jeu de la masse-tige carrée dans le trou, il y aurait coincement en cas de perte de diamètre de l'outil. Cet aléseur devra être du type à rouleaux droits (non inclinés), possédant des picots en carbure de tungstène pour obtenir un parfait calibrage du trou. 8.4.5. Masse tiges spiralées Elles réduisent le risque de coincement par pression différentielle en diminuant la surface de contact masse-tige/trou (figure 13). Leur masse est d'environ 4% inférieure à celle des masse-tiges classiques. Elles existent en deux profils : - Profil SHELL (Sine drill collars) : la section est un triangle curviligne dont les sommets sont tronqués par le cercle du diamètre extérieur. - Profil FOX (No Wall Stick drill collars) : comporte 3 plats pour les diamètres jusqu'à 6" 7/8 et 9 plats groupés 3 par 3 pour les diamètres supérieurs. Ce profil est utilisé dans le monde entier. Figure 11 : Masse tige lisse Figure 12 : Masse tige à rétreints Rétreints pour l’élévateur Rétreints pour la cale
  25. 25. - 25 - MMMoooddduuullleee MMM111 8.4.6. Masse tiges amagnétiques Elles sont utilisées lorsqu'on veut faire des mesures de déviation avec une référence par rapport au nord magnétique. Ces masse-tiges sont de forme cylindriques. On n’en utilise qu’une seule, placée directement au-dessus de l'outil et centrée par un stabilisateur à sa partie supérieure. Les aciers utilisés pour la fabrication de ces masse-tiges sont : - le Monel ou K-Monel, alliage à faible teneur en fer et à très haute teneur en nickel, - acier chrome-manganèse, composé de carbone, chrome et manganèse. Les masse-tiges amagnétiques et leurs filetages ne pourront pas être inspectés par les méthodes classiques utilisant le magnétisme. L'inspection est du type ultrasonique si elle se fait à l’usine, et par ressuage si elle se fait sur le chantier. Le ressuage est la pulvérisation d’un pénétrant sur la pièce après un dégraissage parfait avec un solvant du type trichloréthylène ou acétone. Ce pénétrant s'introduit dans les fissures les plus fines. Un second nettoyage avec le même solvant enlève l'excès de pénétrant. Un révélateur est pulvérisé à son tour sur la pièce. Une faible quantité de pénétrant est exsudée par les fissures les plus fines et marque sur le révélateur l'emplacement des fissures. 8.5. Importance du couple de blocage Les filetages travaillent en flexion alternée. Si le blocage est insuffisant, il y a décollage des portées (perte d'étanchéité, grippage, rupture du filetage mâle). Le couple de blocage doit être suffisant pour permettre une pression de contact assez grande pour éviter le décollage des portées dans le puits. Il dépend du coefficient de frottement des filets les uns sur les autres. Un filetage ou un épaulement rouillé ou légèrement grippé augmente considérablement le coefficient de frottement (de 0,08 à 0,20) et en conséquence, si on passe de 0,08 à 0,16 par exemple, le couple de serrage doit être à peu près doublé pour obtenir la même pression sur les épaulements. Dans le cas contraire, le filetage sera détruit rapidement par insuffisance de couple de serrage. Si le coefficient de frottement passe de 0,08 à 0,20, le couple de serrage doit être multiplié par 2,4 environ. Figure 13 : Masse tige spiralées Profil Shell Profil Fox pour diamètres supérieurs à 6" 7/8 Profil Fox pour diamètres jusqu’à 6" 7/8
  26. 26. - 26 - MMMoooddduuullleee MMM111 Le même raisonnement s'applique également si la graisse est polluée (boue, gravier, limaille, etc...) ou de mauvaise qualité. La meilleure graisse pour masse-tiges est la graisse à base de plomb métallique. La pression des épaulements l'un sur l'autre est de plusieurs milliers de kgf/cm², c’est pourquoi il y a grippage lorsque le lubrifiant n'est pas de bonne qualité. Ainsi apparaît toute l'importance du repolissage des épaulements qui enlève la rouille et les irrégularités. On sera ainsi certain que le couple de serrage appliqué se traduira bien par une pression suffisante des épaulements l'un sur l'autre et ne se perdra pas en frottements parasites. 8.6. Entretien des masse-tiges Les précautions suivantes permettent de limiter les risques de rupture : - les filetages et les épaulements doivent être nettoyés, graissés puis équipés de protecteurs avant manutention, stockage ou transport, - repolir si nécessaire les épaulements, - meuler les bavures sur les épaulements, - appliquer les couples de serrage corrects, - utiliser une graisse adaptée à base de plomb, - mesurer régulièrement le diamètre des masse-tiges pour choisir, en cas de rupture, les coins de repêchage, - réaliser périodiquement un magnafluxage : première inspection après 2000 heures de service ensuite à 3000 heures et après toutes les 500 heures pour déceler les éventuelles fêlures de fatigue au droit des filetages mâles et femelles où se produisent les ruptures, - il est conseillé de rebloquer tous les joints aux deux premières remontées. Si au blocage : - la rotation est importante avec expulsion de boue ou d'eau : dévisser, nettoyer, graisser et rebloquer au couple, - la rotation est faible avec ou sans expulsion de graisse : rebloquer au couple sans dévisser. 9. La poussée d’Archimède Tout corps plongé dans un liquide subit une poussée de bas vers le haut, égale au poids du liquide déplacé. Dans le cas d'un tube creux comme la garniture de forage dans le puits, la poussée d'Archimède est : Pa = x (D² - d²) x h x /4 Dans le cas d'un tube bouché comme la colonne de tubage descendue dans le puits sans remplissage, la poussée d'Archimède est : Pa = x Dc² x h x / 4 L'indicateur de poids indique le poids de la garniture de forage ou la colonne de tubage réel augmenté du poids du moufle et ses accessoires et diminué de la poussée d'Archimède. Afin d'éviter de calculer le poids de la boue déplacée pendant la descente de la garniture de forage ou la colonne de tubage, il a été introduit la notion de facteur de flottabilité qui est : Ff = (7.85 - d)/7.85 Avec : Pa = poussée d'Archimède D = diamètre extérieur de la tige d = diamètre intérieur de la tige Dc = diamètre extérieur du tubage r = masse volumique de la boue Ff = facteur de flottabilité 7.85 = densité de l'acier d = densité de la boue
  27. 27. - 27 - MMMoooddduuullleee MMM111 10. Les stabilisateurs On appelle forage vertical, par opposition au forage dirigé, tout forage implanté à la verticale de son objectif, la déviation maximale admissible étant limitée pour atteindre la cible. C'est le cas de la plupart des forage d'exploration. Un outil n'a pas normalement tendance à forer verticalement. Afin de limiter et de contrôler la déviation d'un puits, on intègre dans la garniture de forage des stabilisateurs dont on choisit le nombre, le dimensionnement et la position pour répondre au mieux aux problèmes posés. 10.1. Technologie Un stabilisateur [stabilizer] (figure 14) est une pièce comportant un corps cylindrique équipé de trois lames à sa périphérie. Dans le puits, les lames prennent appui sur les parois et permettent ainsi d'assurer un meilleur guidage et un meilleur centrage de la garniture. Il existe de nombreux types de stabilisateurs dont l'efficacité dépend de la nature des terrains plus ou moins tendres sur lesquels les lames doivent prendre appui et de la surface de contact de ces lames avec les parois. Les constructeurs proposent toute une gamme de stabilisateurs qui diffèrent essentiellement par la forme des lames et leur mode d'assemblage sur le corps : - ces lames peuvent être droites et verticales, droites et obliques ou hélicoïdes, - elles peuvent être soit directement fraisées (intégral blades), soit soudées (welded), soit solidaires d'une chemise amovible (interchangeable sleeve). - les surfaces extérieures peuvent être soit rechargées avec un alliage au carbure de tungstène, soit munies de pastilles (inserts) de carbures de tungstène, soit dans certains cas comporter des patins d'usure vissés. Il existe également : - des stabilisateurs à chemise en caoutchouc non rotative utilisés dans les terrains durs, - des stabilisateurs à surfaces de contact importantes utilisés en stabilisateur d'outil (near bit), - des stabilisateurs sous dimensionnés utilisés en forage dirigé, présentant un recouvrement maximal des lames. Stabilisateur à chemise en caoutchouc non rotative Figure 14 : Stabilisateurs Stabilisateur à lames droites et obliques Stabilisateur à lames hélicoïdales
  28. 28. - 28 - MMMoooddduuullleee MMM111 10.2. Stabilisation en trou vertical Le but d'une bonne stabilisation en trou vertical est de : - maintenir un angle de déviation le plus faible possible, - permettre un certain poids sur l'outil, - garantir un diamètre correct du trou, - éviter le collage par pression différentielle des masse-tiges. Trois types de garnitures sont utilisés : - la garniture packed hole (figure 15) : comporte un stabilisateur sur l'outil, un deuxième à environ 3 m au-dessus (masse-tige courte) et deux ou trois autres intégrés dans le train de masse-tiges. C’est une garniture très rigide permettant de forer avec des poids élevés et des inclinaisons ou des risques d'augmentation de la déviation réduits. - la garniture pendulaire (figure 16) : comporte un seul stabilisateur situé à deux ou trois masse-tiges au-dessus de l'outil. Cette garniture est plus souple et permet, en choisissant judicieusement la position du stabilisateur au-dessus de l'outil, de combattre la tendance à la déviation ou même de diminuer l'inclinaison. Des modèles de simulation de comportement de la garniture permettent d'optimiser le positionnement des stabilisateurs et d'améliorer l'efficacité du contrôle de la déviation. - la garniture lisse (sans stabilisateur) (figure 17) : elle n'est utilisée que dans le cas de reforage à l'intérieur des tubages, car son emploi dans des puits avec tendance de déviation nécessite un poids sur l'outil limité, au détriment de l'avancement, et crée un trou en hélice mal calibré, donc des risques de reforage et de coincement. Figure 15 : Garniture packed hole Figure 16 : Garniture pendulaire Figure 17 : Garniture lisse
  29. 29. - 29 - MMMoooddduuullleee MMM111 10.3. Stabilisation en forage dirigé Dans le cas du forage dirigé, les stabilisateurs en plus de leur rôle de centrage et de guidage supportent le poids de la garniture. Puisqu'on ne dispose pas de stabilisateurs non rotatifs mécaniquement satisfaisants, on choisira en forage dirigé des stabilisateurs qui soient aussi peu agressifs que possible, afin d'éviter l'érosion des parois. Les stabilisateurs utilisés présentent donc en général de grandes surfaces de contact (recouvrement ou élargissement des lames). La position des stabilisateurs dans le train de masse-tiges ainsi que leurs diamètres est prépondérant. Il existe toute une série d'assemblages de fond choisis en fonction du résultat que l'on veut obtenir, c'est à dire : - soit augmenter l'angle de déviation (build up), - soit le maintenir (lock up), - soit le diminuer (drop off). - Les modèles de simulations permettent d'aider à définir les assemblages de fond les mieux adaptés.
  30. 30. - 30 - MMMoooddduuullleee MMM111 EQUIPEMENT D’ENTRAINEMENT DE LA GARNITURE DE FORAGE 1. La table de rotation En cours de forage, la table de rotation [rotary table] (figure 1) transmet le mouvement de rotation à la garniture de forage, par l'intermédiaire de fourrures [bushings] et de la tige d'entraînement [kelly], et, en cours de manœuvre [trip], supporte le poids de la garniture de forage, par l'intermédiaire de coins de retenue. 1.1. Principe de fonctionnement la table de rotation se compose de 3 parties (figure 2) : - le bâti, - la partie tournante, - l'arbre d'entraînement. Le corps repose sur la substructure à laquelle il est solidement fixé. La partie tournante repose sur le bâti par l'intermédiaire d'un roulement à billes ou à rouleaux qui assure en même temps sa rotation. Figure 1 : Table de rotation Paliers à roulementPignon coniqueCorps ou bâti Partie tournante Roulement à billes ou à rouleaux Plaques de garde et carters Cliquet Ouverture centrale Fourrures Coins de retenue Pignon d’attaque Arbre d’entraînement Figure 2 : Table de rotation
  31. 31. - 31 - MMMoooddduuullleee MMM111 L'arbre d'entraînement muni à une extrémité d'un pignon est entraîné, soit à partir du treuil de forage, soit par un moteur indépendant ; l'arbre est monté sur des paliers à roulements à billes ou à rouleaux. A son autre extrémité, un pignon conique engrène sur une couronne dentée taillée ou rapportée sur la partie tournante et entraîne celle-ci en rotation. Le tout est entièrement recouvert de plaques de garde et des carters qui empêchent l'entrée de la boue et de l'eau dans le bâti et protègent le personnel. Le bâti fait également fonction de carter pour l'huile de graissage, qui se fait par barbotage. Un système de cliquets permet d'immobiliser la table quand on le désire. L'ouverture au centre de la partie tournante permet le passage des outils, et par un jeu de fourrures appropriées et de coins de retenue, de supporter la garniture de forage. C'est le diamètre en pouces de cette ouverture qui désigne la dimension de la table (exemple : table de 27.5 signifie ouverture de 27"1/2). 1.2. Caractéristiques 1.2.1. Dimension nominale La dimension nominale d'une table de rotation est le diamètre intérieur de l'ouverture centrale de la plaque tournante (fourrure enlevée). Cette dimension détermine le diamètre maximal des outils ou tubages pouvant être introduits au travers. Les tables les plus courantes ont les diamètres nominaux suivants : 49"1/2 - 37"1/2 -27"1/2 - 20"1/2 - l7"1/2 - 12"1/2. La distance entre le centre de la table et le pignon d'entraînement de l'axe a été normalisée pour permettre l'interchangeabilité entre treuils et tables. Cette dimension est de 1,38 m (54"1/4) pour les tables 20"1/2 et 27"1/2 et de 1,22 m (44") pour les tables de l7"1/2 et 12"1/2. 1.2.2. Rapport de vitesses Le rapport de vitesse entre le pignon et la table de rotation varie suivant les constructeurs, mais il est en général compris entre 3 et 4. 1.2.3. Capacités La capacité de la table de rotation est définie par la capacité de la butée principale. Certains constructeurs indiquent une capacité à l'arrêt et une capacité à une certaine vitesse (125 tr/mn par exemple). 1.2.4. Entraînement Généralement les tables de rotation sont commandées (figure 3) par chaîne à partir du treuil. La commande par arbre à cardans est plus coûteuse et demande plus d'entretien parce qu'elle possède des roulements et des engrenages à angle droit, mais elle est plus robuste et plus basse et peut souvent être encastrée sous le plancher. La table de rotation peut être à commande indépendante, ce qui a l'avantage d'arrêter le treuil pendant la rotation et d'utiliser les moteurs de la transmission uniquement pour l'entraînement des pompes à boue. L'entraînement de la table de rotation peut être obtenu par un moteur électrique encastré sous le plancher et relié par cardan à la table.
  32. 32. - 32 - MMMoooddduuullleee MMM111 2. Le carré d'entraînement et les fourrures Le mouvement de rotation est transmis par la table à la tige d'entraînement par le biais d’un carré d'entraînement [kelly bushing] (figure 4) rendu solidaire en rotation de la table par l'intermédiaire d'une fourrure principale [master bushing]. Pendant les manœuvres, des fourrures intermédiaires [adapter bushings] sont mises en place à l'intérieur des fourrures principales pour pouvoir caler la garniture de forage. 2.1. Le carré d'entraînement Monté sur la tige d'entraînement, c'est lui qui en assure la rotation. Il est constitué d'un corps en acier dans lequel sont montés 4 rouleaux de profil cylindrique ou en V selon que l'on utilise une tige d'entraînement carrée ou hexagonale. Les rouleaux en acier (figure 5) tournent sur des axes horizontaux, ce qui permet à la tige d'entraînement de se mouvoir librement dans le sens vertical, tout en étant entraînée en rotation par les génératrices des rouleaux qui sont en contact avec elle. Un même corps de carré d'entraînement peut recevoir des cages à rouleaux de divers diamètres, permettant de s'en servir pour différentes dimensions de tiges d'entraînement. Le mode d'entraînement peut être un profil de forme carrée à la base du carré d'entraînement qui s'adapte exactement au profil intérieur de la fourrure qui en assure la rotation, ou un dispositif de centrage et quatre broches engagées avant la mise en rotation dans quatre trous correspondants à la périphérie de la fourrure principale (figure 6). Figure 3 : Entraînement de la table de rotation Entraînement par arbre à cardan Entraînement par chaîne Commande indépendant
  33. 33. - 33 - MMMoooddduuullleee MMM111 Figure 4 : Le carré d’entraînement Figure 5 : Les rouleaux Figure 6 : Entraînement des carrés d’entraînement Tige d’entraînement Carré d’entraînement Rouleau cylindrique Rouleau en V Axe Cage Entraînement par broches Entraînement par profil carré
  34. 34. - 34 - MMMoooddduuullleee MMM111 2.2. Les fourrures principales [master bushing] Engagées dans la table de rotation, elles entraînent le carré d'entraînement et servent de support aux fourrures intermédiaires utilisées pour le calage du train de tiges. Leur configuration dépend de la dimension nominale de la table de rotation utilisée et du mode d'entraînement choisi (figure 7). Pour l'entraînement par broches les fourrures disposent de quatre alésages à leur périphérie dans lesquels sont engagées les broches du carré d'entraînement. Pour toutes ces fourrures un système de verrouillage permet de les bloquer dans la table de rotation, et d'éviter leur éjection lors des manoeuvres de remontée de la tige d'entraînement. Leur choix dépend de la dimension nominale de la table de rotation : - pour les tables 20"1/2, elles sont d'une seule pièce et comportent 4 alésages ou un profil intérieur carré selon le mode d'entraînement, - pour les tables 27"1/2, des fourrures intermédiaires sont nécessaires pour le guidage et l'entraînement du carré, - pour les tables 37"1/2, elles sont articulées (figure 8) et comportent une fourrure intermédiaire pour l'entraînement ou le guidage du carré. Les fourrures pour table 27"1/2 peuvent être utilisées en intercalant un adaptateur 27"1/2 - 37"1/2 pour les adapter à l'ouverture centrale de la table, - pour les tables 49"1/2, les fourrures utilisées sont articulées et requièrent l'utilisation d'une fourrure intermédiaire. 2.3. Les fourrures intermédiaires Elles sont utilisées pour le calage d'une gamme de diamètres très grande de matériel tubulaire. Il existe donc pour chaque fourrure principale, un ensemble de fourrures intermédiaires [adapter bushing] correspondant chacune à un ensemble de diamètres. Figure 7 : Fourrures principales Figure 8 : Fourrures articulées
  35. 35. - 35 - MMMoooddduuullleee MMM111 Pour une table 27"1/2 par exemple, il est nécessaire de prévoir un ensemble de fourrures intermédiaires pour le calage des diamètres suivants : - de 2"3/8 à 8"5/8 - de 9"5/8 à 10"3/4 - de ll"3/4 à 13"3/8 - 16" - de 18"5/8 à 20". En pratique, les gros diamètres correspondent en général aux diamètres des tubages pour lesquels on utilise un dispositif de calage spécifique. 2.4. Usure de la table et des fourrures Pendant les manoeuvres, les cales et les fourrures sont fréquemment enlevées et mises en place ; ces mouvements répétés produisent une usure de l'intérieur de la table et des parties intérieures et extérieures des fourrures. L'utilisation prolongée d'une table ou de fourrures usagées peut provoquer à la longue la rupture des cales ou l'écrasement du matériel tubulaire. Les cales qui ont été faites pour s'ajuster sur une fourrure aux dimensions API, se trouvent maintenant plus bas dans la fourrure et s'en écartent au fond. Ils ne soutiennent plus la tige à leur extrémité, ce qui réduit d'autant la surface effective d'appui. Cette réduction de la surface de contact de la cale peut causer un étranglement sur la tige à l'endroit où elle s'appuie sur l'extrémité supérieure. Quand on éprouve des difficultés pour mettre les cales en place, il faut vérifier les dimensions de la fourrure et de l'ouverture de la table pour se rendre compte s'il n'y a pas d'usure excessive. 3. La tige d'entraînement [kelly] Elle assure la liaison entre la garniture de forage et la tête d'injection et communique le mouvement de rotation de la table à la garniture de forage par l'intermédiaire du carré d'entraînement. 3.1. Caractéristiques géométriques 3.1.1. Profils Les tiges d'entraînement (figure 9) peuvent être de section carrée ou hexagonale_; elles sont désignées par leur dimension nominale (distance en pouces séparant deux faces opposées du carré ou de l'hexagone). Figure 9 : Tige d’entraînement Tige hexagonale Tige carrée
  36. 36. - 36 - MMMoooddduuullleee MMM111 A dimension nominale égale, une tige hexagonale a un diamètre d'encombrement extérieur plus petit que celui d'une tige carrée (une tige d'entraînement hexagonale 5"1/4 a un diamètre d'encombrement 6"1/8 ou 6"3/8 contre 7" pour une tige carrée). Elle est par contre plus vulnérable sur ses angles qu'une tige carrée, sa durée de vie est en général plus courte (usure entraînant la rotation de la tige dans les rouleaux du carré d'entraînement). 3.1.2. Longueur Une tige d'entraînement est caractérisée par sa longueur utile (longueur occupée par le profil carré ou hexagonal). Cette longueur doit être suffisante pour permettre de forer entre chaque ajout, une tige complète. Les tiges d'entraînement normalisées par l'API ont une longueur utile de 11,28 m et une longueur totale de 12,19 m. 3.1.3. Filetages Les tiges d'entraînement comportent en général un filetage 6"5/8 femelle à gauche à leur partie supérieure pour le raccordement sur la tête d'injection (le filetage situé toujours au-dessus de la table de rotation est à gauche pour éviter le dévissage à droite pendant le forage), un filetage mâle à droite à leur partie inférieure dont le type (IF ou FH) et la dimension nominale sont choisis pour faciliter la liaison avec la garniture de forage. 3.2. Caractéristiques mécaniques La tige carrée a de meilleures caractéristiques mécaniques que la tige hexagonale. Dans les deux cas, ces caractéristiques sont supérieures à celles des tiges de forage de grade le plus élevé (S135). 4. Equipements annexes de la tige d'entraînement 4.1. Raccord d'usure [kelly saver sub] En cours de forage les ajouts de simples nécessitent de fréquents vissages et dévissages de la tige d'entraînement sur la garniture de forage. Pour éviter que le filetage inférieur de la tige d'entraînement ne s'endommage, on l'équipe d'un raccord d'usure amovible. Lorsque le filetage inférieur du raccord d'usure est usé ou endommagé, il suffit de le remplacer par un raccord neuf et de l'envoyer en réparation. Les raccords d'usure comportent souvent un rétreint en leur partie centrale recevant un protecteur en caoutchouc, pour limiter l'usure de la tête de puits et de la partie du tubage située immédiatement au dessous pendant le forage. Il y a également entre le filetage fin de la tête d'injection et le filetage supérieur de la tige d'entraînement (ou du kelly cock) un raccord qui est surtout un raccord de réduction et d'usure en même temps. 4.2. Vannes de sécurité [safety valves] Les tiges d'entraînement sont toujours équipées d'une vanne de fermeture à leur partie supérieure [upper safety valve] (figure 10), entre la tête d'injection et son filetage femelle supérieur. C'est un dispositif de sécurité destiné à fermer l'intérieur du train de tiges en cas de venue et de protéger ainsi l'ensemble du circuit de refoulement. Par mesure de sécurité complémentaire, on équipe aussi la partie inférieure de la tige d'entraînement d'une deuxième vanne de fermeture [lower safety valve] (figure 11). Située immédiatement au-dessus du raccord d'usure, elle est plus accessible au personnel de plancher et permet après fermeture de déconnecter la tige d'entraînement malgré la pression.
  37. 37. - 37 - MMMoooddduuullleee MMM111 La vanne inférieure peut par ailleurs être fermée pendant les ajouts pour éviter les écoulements de boue de la tige d'entraînement. Le principe de ces vannes est simple : un boisseau sphérique ou cylindrique comportant un orifice central est commandé extérieurement par une clé à profil hexagonal ; un quart de tour est suffisant pour en assurer la fermeture ou l'ouverture. 4.3. Kelly spinner Le kelly spinner (figure 12) est un dispositif particulier destiné à faciliter les opérations de vissage de la tige d'entraînement lors des ajouts de simples ; il permet d'éliminer l'utilisation de la chaîne de vissage lors des vissages dans le trou de souris et d'améliorer ainsi la rapidité et la sécurité. Situé entre la tête d'injection et la tige d'entraînement, il est actionné par un moteur pneumatique ou hydraulique. Figure 10 : Vanne supérieure Figure 11 : Vanne inférieure Figure 12 : Kelly spinner
  38. 38. - 38 - MMMoooddduuullleee MMM111 5. La tête d'injection [swivell] Dans une installation de forage, la tête d'injection (figure 13) supporte la garniture de forage et permet d'y injecter la boue en rotation ou à l’arrêt. 5.1. Principe de fonctionnement Une tête d'injection comprend les parties suivantes : 5.1.1. Suspension Elle est assurée par un arbre d'injection creux fileté à sa partie inférieure pour être raccordé à la tige d'entraînement. Cet arbre possède une partie plus large en forme de plateau qui, par l'intermédiaire d'un roulement à billes ou à rouleaux, repose sur un autre plateau support, support du corps, à travers lequel il passe. Le corps est suspendu au moyen d'une anse au crochet du moufle mobile. L’ensemble constitue le dispositif qui assure la suspension du train de tiges, aussi bien en rotation qu'à l'arrêt. 5.1.2. Injection La boue arrive dans l'arbre d'injection par un tube coudé appelé col de cygne relié au corps. Entre le col de cygne fixe et l'arbre d'injection tournant, qui sont dans le prolongement l'un de l'autre, il y a un raccord tournant faisant joint, qui assure l'étanchéité à la boue. L'étanchéité peut être obtenue soit sur l'arbre d'injection (l'arbre tourne et le joint est fixe), soit sur le col de cygne (le joint tourne et l'arbre autour du col de cygne est fixe). La tête d’injection comporte par ailleurs un roulement à sa partie supérieure pour éviter que l'arbre d'injection ne se déplace vers le haut lorsqu'on appuie sur le train de tiges et deux roulements latéraux de part et d'autre du roulement principal pour assurer le guidage de l'arbre d'injection. Les roulements sont enfermés dans un carter (le corps de la tête d'injection), qui comporte des joints d'huile à ses parties inférieure et supérieure. Figure 13 : Tête d’injection Arbre d’injection Roulements de guidage Corps Roulements principaux Tube d’usure Joints Col de cygne Anse
  39. 39. - 39 - MMMoooddduuullleee MMM111 Au niveau du joint tournant qui assure l'étanchéité entre le col de cygne et l'arbre d'injection, il se produit une usure due à la rotation des pièces les unes par rapport aux autres et à l'abrasivité de la boue. On prolonge donc le col de cygne par un tube d'usure court [wash pipe] (figure 14), vissé à son extrémité. L'étanchéité est alors assurée par le joint tournant (presse-étoupe) solidaire de l'arbre d'injection. D'autres modèles prévoient un joint fixé au col de cygne, le tube d'usure étant solidaire de l'arbre d'injection. 5.2. Caractéristiques Les têtes d'injection sont caractérisées par : - leur capacité : certains constructeurs indiquent la capacité à l'arrêt, d'autres la capacité pour une certaine vitesse de rotation (très souvent 100 ou 125 tr/mn). Cette capacité est définie par la capacité de la butée, - les dimensions et caractéristiques des filetages du col de cygne et du raccord à gauche de la partie tournante, - le diamètre intérieur de passage, - la pression maximale de service, - la contenance approximative en huile. Le bouchon de remplissage comporte un petit robinet, appelé reniflard. Il permet l'échappement des vapeurs d'huile dues à l'échauffement, pour ne pas créer à l'intérieur du carter une surpression qui pousse l'huile à s'écouler par les joints. 6. Les têtes d'injection hydrauliques [power swivells] En plus de la suspension et l'injection, les têtes d'injection hydrauliques permettent d'assurer la rotation de la garniture de forage sans utiliser la table de rotation. Elles sont équipées d'un moteur hydraulique. En modifiant la vitesse du moteur donc le débit de fluide ou en inversant le sens d'injection de l'huile dans la tête, on peut en régler la vitesse et le sens de rotation. Elle constitue un groupe indépendant composé de : - un moteur à essence, diesel ou électrique, Figure 14 : Tube d’usure « O » ring et son logement Corps du presse étoupe Ecrou Anneau de retenue des garnitures Circlips Bague et garniture Tube d’usure Bague et garniture
  40. 40. - 40 - MMMoooddduuullleee MMM111 - une pompe et un réservoir, - la tête d'injection avec son moteur hydraulique incorporé, - les flexibles de raccordement. Les commandes peuvent se trouver sur un panneau placé sur l'installation ou bien constituer un ensemble séparé que l'on peut monter à distance. La tête d'injection hydraulique comporte comme les têtes d'injection conventionnelles un col de cygne à sa partie supérieure pour le raccordement du flexible d'injection, un raccord fileté mâle à sa partie inférieure pour y connecter la garniture. Pendant le forage, elles sont en général suspendues au crochet ; l'appareil de forage peut dans certains cas être muni de rails verticaux pour en assurer le guidage. Ces têtes sont caractérisées par : - leur capacité statique ou dynamique, - leur pression maximale de service (en général 5000 psi), - les débits et pressions requis pour obtenir les vitesses de rotation et couples voulus, - la vitesse minimum de rotation (en général 150 à 160 tr/mn), - le couple maximum pouvant être fourni en rotation. 7. Le top drive Le top drive (figure 15) est une tête d’injection motorisée qui, en plus de l’injection, assure la rotation de la garniture de forage. Ainsi, on n’a besoin ni de la tige d’entraînement ni de la table de rotation pour faire tourner la garniture, c’est le top drive qui s’en charge. En plus, pendant le forage, au lieu de faire les ajouts simple par simple, on peut les faire longueur par longueur. Plusieurs autres options existent dans cet équipement : les bras de l’élévateur sont articulés hydrauliquement pour faciliter le travail de l’accrocheur et il possède une clé automatique et même une coulisse intégrées. Des rails placés tout le long du mât le guident dans ses déplacements. Figure 15 : Le top drive
  41. 41. - 41 - MMMoooddduuullleee MMM111 LE MATERIEL DE MANŒUVRE Pour les manoeuvres de changement d'outils, de descente de tubage, ainsi que pour les ajouts de tiges en cours de forage, on utilise du matériel de plancher que l'on appelle matériel de manoeuvre, ce sont : - les clés, - les cales ou coins de retenue, - les élévateurs, - les colliers de sécurité. 6. Les clés du matériel tubulaire [tongs] Pour le vissage et le dévissage des tiges et des masse-tiges, de certains outils et des tubages, on emploie des clés spéciales à mâchoires (figure 1). 6.1. Les clés de tiges [pipe tongs] Elles se composent de plusieurs parties articulées (figure 2) : - le levier ou manche auquel sont fixées la grande et la petite mâchoire au moyen d'axes, - une troisième mâchoire de verrouillage est articulée sur la petite mâchoire par un axe, - la grande mâchoire porte une pièce articulée, appelée verrou, qui s'accroche sur la dent portée par la mâchoire de verrouillage ; elle est maintenue fermée dans cette position par un ressort, - la grande mâchoire et la mâchoire de verrouillage sont munies de poignées au moyen desquelles on peut saisir la clé qui est normalement suspendue à plat en équilibre au bout d'un câble. Il suffit de rapprocher les deux mâchoires pour que le verrou fonctionne. On n'agit sur lui que pour ouvrir la clé. On tire alors sur la poignée du verrou. Figure 1 : Clé à mâchoires
  42. 42. - 42 - MMMoooddduuullleee MMM111 Une clé de ce modèle peut être placée et faire prise sur un grand nombre de dimensions de tiges grâce à : - la possibilité de changer la mâchoire de verrouillage, les autres mâchoires et le manche restant les mêmes. Les diamètres d'utilisation sont indiqués sur la mâchoire, - l'adaptation, dans certaines limites, de l'ensemble des mâchoires au diamètre de la tige par suite du déplacement des axes quand on agit sur le manche. La clé fait prise sur la tige ou le tube par l'intermédiaire de peignes insérés dans les rainures des mâchoires et retenus par des goupilles. Les axes qui retiennent les mâchoires sont retenus en place par des ressorts circulaires et sont munis de graisseurs. Ces axes ne dépassent pas le plan des mâchoires, de sorte que deux clés superposées ne peuvent pas s'accrocher par les axes, ce qui risquerait de les casser. Le verrou possède deux ressorts, pour le cas où l'un casse, l'autre garde le verrou en place. La clé est pourvue d'un support de suspension, muni de deux poignées, qui se fixe au manche par des boulons et qui est réglable de façon à permettre l'équilibrage de la clé. L'extrémité du manche est munie de deux crochets dans lesquels on peut placer la boucle du câble ou du cordage de traction qu'un boulon empêche de sortir. Il existe des clés de puissances différentes, pour exercer des couples de serrage différents. Elles se distinguent les unes des autres par la longueur de leur manche et la résistance (donc les dimensions) de leurs parties constituantes et par la qualité de l'acier dont elles sont constituées. Les Clés H : permettent de saisir de 3"1/2 à 11"3/4 grâce à 6 mâchoires de verrouillage différentes. Les Clés AAX : permettent de saisir de 2"7/8 à 11"3/4 au moyen de 7 mâchoires de verrouillage différentes. Les Clés B : permettent de saisir de 2"3/8 à 10"3/4 avec six mâchoires de verrouillage différentes. Les Clés C : permettent de saisir de 2"3/8 à 10"3/4 également, mais comme elles sont plus faibles il est préférable de ne les utiliser que pour des tiges de plus de 3"1/2. Figure 2 : Clé de tiges Poignée Verrou Mâchoire de verrouillage Grande mâchoire Petite mâchoire Levier ou manche Traction Poignée
  43. 43. - 43 - MMMoooddduuullleee MMM111 Les Clés D : permettent de saisir de 2"3/8 à 6"1/4 (avec la même remarque). Les types H, AAX et B peuvent être munis d'un manche court. 6.2. Les clés de tubage [casing tongs] Les clés des tiges peuvent être utilisées pour les tubages de petits diamètres. Il existe des clés spéciales (type ADF) pour les tubages de diamètres plus grands à mâchoires plus épaisses qui permettent d'utiliser des peignes plus nombreux et plus longs (4 jeux de 2 peignes superposés) de façon à réduire la pression sur les tubages et éviter de les abîmer ce qui pourrait arriver avec les clés ordinaires sur les tubages minces. La clé ADF peut utiliser 5 mâchoires de verrouillage différentes, ce qui lui permet de saisir des tubages de 9"5/8 à 17". Chaque mâchoire permet de saisir aussi bien le tube que le manchon de tubage correspondant. On peut aussi utiliser la clé à tiges du type AAX avec des mâchoires du modèle H. Le modèle AAX remplace le type ADF pour la descente des tubages et couvre les diamètres de 9"5/8 à 21". 6.3. Suspension des clés Pour faciliter la manipulation des clés on les suspend à un câble assez long qui passe par une poulie placée dans le mat au niveau de la passerelle d'accrochage ou du moufle fixe. A l'autre extrémité de ce câble est fixé un contrepoids qui équilibre le poids de la clé. Pour des raisons de sécurité ce contrepoids est placé sous le plancher et se déplace à l'intérieur d'une crinoline de protection pour ne pas tomber sur le personnel. Grâce à ce mode de suspension et à son équilibrage, on peut déplacer la clé horizontalement et verticalement sans effort. Il faut aussi que la clé soit horizontale, avec une légère inclinaison du côté de la mâchoire longue qui reste alors ouverte quand on déplace la clé pour l'engager sur la tige. Ce réglage se fait en agissant sur les écrous des boulons de fixation du bras de suspension. La clé doit être ouverte et non en prise sur la tige. Les clés sont reliées par un autre câble de sécurité à un point fixe à un mètre environ au-dessus du plancher pour ne pas être projetées horizontalement dans le mât lorsqu'on les lâche durant la manoeuvre. Pendant le forage, elles sont amarrées à un point fixe pour ne pas gêner le travail sur le plancher. 6.4. Entretien des clés - Les câbles de rappel de suspension et de sécurité doivent être vérifiés ainsi que leurs attaches qui sont réalisées au moyen de serre câbles. Les serre câbles en doivent être placés de telle sorte que le fond de l'U appuie sur le brin court. - Les poulies des contrepoids doivent être solidement fixées à leurs supports, être en bon état, leurs axes et roulements régulièrement graissés. Leur dispositif de sûreté doit être en place. - Les peignes doivent être remplacés dès qu'ils sont émoussés car ils ont tendance à glisser sur le tool-joint et à abîmer sa surface. Les peignes cassés, ébréchés ou fêlés, doivent être remplacés. - Le remplacement des peignes doit être fait avec des chasse peignes qui évitent la projection de métal et nettoient et reconditionnent les rainures. L'utilisation des lunettes est indispensable.
  44. 44. - 44 - MMMoooddduuullleee MMM111 - La table de rotation doit être couverte pour éviter la chute d'un peigne dans le puits. - Les axes des mâchoires doivent être graissés à la graisse consistante. - Les axes sont retenus dans la clé par des goupilles fendues dont les extrémités doivent être ouvertes et repliées. 6.5. Les clés automatiques [power tongs] Ce sont des clés qui fonctionnent grâce à un moteur hydropneumatique (figure 3). Elles possèdent deux rouleaux moteurs à l’arrière qui font tourner la tige, et deux autres au devant, non motorisés, qui ferment sur la tige. Ces clés servent uniquement à visser les tiges. Le serrage, qui demande un couple plus important, se fait par les clés ordinaires. 6.6. La clé à chaîne [chain tongs] La clé à chaîne est un outil couramment utilisé sur les chantiers de forage. Elle comprend un manche à l'extrémité duquel sont fixées deux flasques parallèles qui portent des dents sur leurs tranches. Une chaîne spéciale est fixée par une articulation à un axe qui traverse les deux flasques. Une fois passée autour de la pièce à saisir, (tube, tige, etc...), cette chaîne est placée entre les flasques et est retenue par les dents pour ne pas glisser. Les flasques comportent deux secteurs dentés. D'autres en comportent quatre : deux pour l'utilisation, et deux autres de rechange. Il suffit de démonter les flasques et de les retourner. Certaines clés sont conçues pour visser et dévisser la pièce sans décrocher la chaîne et retourner la clé. On ne doit pas placer une rallonge sur le manche d'une clé pour augmenter la longueur du bras de levier. Si une clé ne suffit pas, il faut en utiliser deux à la fois à côté l'une de l'autre ou une plus puissante, donc à manche plus long. Ceci évite la rupture de la chaîne qui peut provoquer un accident. Si on utilise une clé trop puissante sur une pièce à parois minces, donc peu résistante, elle risque de se déformer. Figure 3 : Clé automatique
  45. 45. - 45 - MMMoooddduuullleee MMM111 7. Les cales ou coins de retenue [slips] Les cales ou coins de retenue servent à retenir les tiges (figure 4) ou les tubages (figure 5) dans la table de rotation pendant la manœuvre. Elles sont au nombre de 3 ou 4 fixés à un support unique ou assemblés par des charnières de façon à s'engager entre tige et cône de la table de rotation en restant tous à la même hauteur. Des bras articulés permettent leur manipulation par les sondeurs. La partie intérieure qui agrippe la tige est composée de plusieurs peignes interchangeables, enfilées dans une rainure en queue d'aronde, et bloquées vers le haut par une plaque fixée au corps du coin par une vis. 8. Les colliers de sécurité [safety clamp] Ils sont utilisés dans le cas où on utilise un matériel tubulaire lisse (comme les masse- tiges lisses) ou ayant un poids faible, qui risquent de glisser à travers les coins de retenue et tomber dans le puits (figures 6 et 7). Il est constitué de plusieurs éléments assemblés par des charnières qui portent de petits coins poussés normalement vers le haut par un ressort intérieur. Figure 4 : Coins pour tiges Figure 5 : Coins pour masse - tiges ou tubages Figure 6 : Collier de sécurité Figure 7 : Collier de sécurité en prise sur une masse – tige lisse
  46. 46. - 46 - MMMoooddduuullleee MMM111 Ils sont placés sur le tube à retenir à quelques centimètres au-dessus des coins de retenue avant de décrocher l'élévateur. Si les coins de retenue cèdent, la tige descend de quelques centimètres puis le collier vient poser avec force sur les coins ce qui les fait serrer plus fort ; d'autre part, sous l'effet de ce choc, les petits coins du collier se déplacent légèrement sur leur rampe et serrent plus fort le tube. Ce collier peut également servir à la manutention de toute pièce cylindrique en la saisissant au moyen d'élingues passées dans ses poignées. 9. Les élévateurs [elevators] Les élévateurs sont utilisés pour saisir rapidement le matériel tubulaire pendant la manoeuvre. Ils peuvent être à ouverture centrale ou à ouverture latérale. L'élévateur à ouvertures centrale [center-latch elevator] (figure 8) est constitué de deux parties symétriques assemblées par un axe incliné sur lequel est enfilé un ressort assez puissant, afin que l'élévateur soit maintenu normalement ouvert. S'il est fermé, il suffit de tirer sur le loquet pour qu'il s'ouvre et se dégage automatiquement sans aucun effort. Le dispositif de verrouillage qui maintient l'élévateur fermé comprend le loquet, poussé par un ressort, et le verrou de sécurité muni d'une poignée. Il suffit de tirer sur la poignée pour ouvrir l'élévateur. L'élévateur à ouverture latérale [side-door elevator] (figure 9) est constitué d'un corps muni d'une porte latérale à charnière portant une poignée et un loquet. Cette porte peut être munie intérieurement d'un doigt qui provoque automatiquement la fermeture de l'élévateur lorsqu'on lance la tige dedans. Un ressort tend à maintenir la porte ouverte. Tous ces élévateurs sont construits en acier très résistant (au chrome molybdène) et les portées, sur lesquelles vient reposer le tool-joint ou le manchon, sont spécialement durcies pour réduire leur usure. Figure 8 : Elévateur à ouverture centrale Figure 9 : Elévateur à ouverture latérale
  47. 47. - 47 - MMMoooddduuullleee MMM111 10. Elevateurs a coins [spider] Lors de descente de tubages (figure 10) ou de tubings et pour éviter des efforts de tractions risquant d'endommager les manchons avec des élévateurs classiques, on utilise des élévateurs à coins qui prennent directement sur le corps du tube. Les coins sont actionnés par un jeu de biellettes sur lesquelles on agit soit manuellement avec un levier, soit à l'aide d'un vérin pneumatique. L'ouverture est centrale pour les élévateurs à tiges ou à tubings et latérale pour ceux à tubages. L'avantage de ces élévateurs réside dans l'emploi d'un seul corps sur lequel on peut ajuster n'importe quelle dimension de coins de prise voulue. Figure 10 : Elévateur à coins pour tubage
  48. 48. - 48 - MMMoooddduuullleee MMM111 LES OUTILS DE FORAGE 3. Les outils a molettes [roller bits] Les outils à molettes ont été introduits dans le forage rotary par H.R. HUGUES en 1909. Ils peuvent être des bi-cônes (utilisés actuellement dans les déviations par pression), des tricônes (les plus utilisés dans les forages actuels) ou des quadri-cônes (actuellement disparus). Un tricône (figure 1) est constitué de 3 bras forgés (figure 2), usinés avec leurs tourillons, qui subissent ensuite un traitement thermique et sont assemblés par soudure. Les molettes [cone] (figure 3), usinées et traitées thermiquement à part, sont montées sur les tourillons après la mise en place des galets avec leur cage. Elles sont maintenues sur les tourillons par une rangé de billes, glissés par un canal percé dans le bras, qui sera bouché et soudé une fois toutes les billes en place, ou par une bague à ressort. Les molettes d'un outil ne sont pas identiques : la molette n°1 possède une pointe (nez) qui occupe le centre, et les molettes n° 2 et 3 sont celles qui viennent après, dans le sens des aiguilles d'une montre, en leur faisant face. Les dents [teeth] peuvent être usinées directement dans la molette ou des pastilles en carbure de tungstène serties dans des trous percés sur la molette. Dans les formations dures, les outils à pastilles en carbure de tungstène [carbide bits] et à paliers de friction (figure 4) ont une durée de vie plus longue que les outils à dents fraisées et roulements à rouleaux. Figure 1 : Outil tricône Figure 2 : Molette Figure 3 : Bras de l’outil Molette Tourillon Billes Galets Bras Duse
  49. 49. - 49 - MMMoooddduuullleee MMM111 3.1. Mode de travail d'un tricône Sous l’effet de la compression, la dent pénètre dans la roche et l’éclate (figure 5). En tournant sur elle-même sous l’effet de la rotation, la molette ripe la roche et arrache le copeau. L’effet d’éclatement et de ripage sont complémentaires et varient en fonction du terrain : le ripage dans le cas d’un terrain tendre est plus important que dans un terrain dur, tandis que l’éclatement dans un terrain dur est plus grand que dans un terrain tendre. Pour cela, les axes des molettes sont décalés par rapport à l'axe de l’outil [offset], favorisant ainsi le ripage (figure 6). Ce décalage diminue en fonction de l’outil jusqu’à devenir nul pour ceux pour terrains durs. Figure 4 : Outil à pastilles en carbure de tungstène Figure 5 : Travail d’un outil Figure 6 : Décalage des axes d’un outil
  50. 50. - 50 - MMMoooddduuullleee MMM111 3.2. Principe général Plus le terrain à forer est tendre et plus le décalage des axes des molettes est important. Mais la forme de la denture et l'espacement des dents dans chaque rangée joue également un rôle important. Plus les dents sont hautes et espacées et plus il est facile de dégager les éléments de roche détruits par l'action des dents. En outre, le grand espacement des dents diminue le nombre d'arêtes en contact avec le fond du trou et par conséquent, augmente la pénétration dans la roche. Dans ces terrains, le décalage des axes aide à déchirer la roche et à rejeter les déblais hors de la denture. Pour un terrain dur et compact on n'a pas intérêt à obtenir pour chaque dent une pénétration importante, qui pourrait provoquer, du fait de la grande résistance de la roche, des ruptures des dents. On prévoit donc dans ce cas des molettes munies d'un grand nombre de dents, petites et peu espacées. Dans certains terrains extrêmement durs, il est impossible d'y faire pénétrer les dents d'un outil. Pour forer ces terrains, on a remplacé les dents par des pastilles de carbure de tungstène serties dans les molettes (figure 7). Ce type d'outil travaille par percussion et surtout écrasement qui fracture la roche sans qu'il y ait pénétration importante. On notera également que le trou est calibré par le talon des molettes. Plus la formation est abrasive, plus la surface du talon doit être importante, et dans certains cas, les outils à dents sont renforcés sur le talon par des pastilles de carbure de tungstène. 3.3. Equilibrage géométrique Pour un diamètre donné, il existe un rapport entre la grandeur des dents et le diamètre des chemins de roulement (galets et billes). Dans les outils pour terrains tendres, la grande hauteur des dents entraîne la diminution des diamètres des chemins de roulement et par suite la taille des billes et des galets. Par contre, sur les outils pour terrains durs, les dents sont plus petites, les chemins de roulement seront plus résistants. A diamètre égal, un outil pour terrain dur supportera plus de poids qu'un outil pour terrain tendre. Figure 7 : Outil à pastilles en carbure de tungstène
  51. 51. - 51 - MMMoooddduuullleee MMM111 3.4. Outils à pastilles en carbure de tungstène [carbite bits] Ces outils sont utilisés pour les terrains durs et abrasifs. L'outil travaille par broyage. Pour les terrains tendres et moyennement durs, les pastilles sont longues et de forme tronconiques. Pour les terrains extrêmement durs, elles sont de forme hémisphérique. Dans les terrains abrasifs, les pastilles de carbure de tungstène sont disposées sur la partie arrière des molettes et protègent son diamètre. 3.5. Différents types de roulements [bearings] 3.5.1. Standard Ce sont des roulements standard à billes et galets, graissés par la boue de forage (figure 8). 3.5.2. Roller seal bearing Ce sont des roulements standard à billes et galets, graissés à l’aide d’une réserve de graisse dans le dos du bras de l’outil (figure 9). Un joint d'étanchéité isole le roulement de la boue. 3.5.3. Friction bearing Les galets sont remplacés par un palier lisse (figure 10) rendant l'ensemble plus robuste et plus apte à encaisser les chocs. Ce type de roulement est surtout utilisé dans les outils à pastilles. Figure 8 : Roulements standards Figure 9 : Roller seal bearing Galets Billes Réserve de graisse Joint d’étanchéité

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