Le processus de coupe des roches

La connaissance du processus de coupe des roches par les taillants PDC doit beaucoup aux nombreuses études conduites dans les domaines de la coupe des métaux et de l’abattage minier. Mais, le forage pétrolier s’en démarque par la nature du matériau à abattre, la géométrie des outils de coupe et la présence d’un fluide de forage sous pression. Dans ce chapitre, on dresse un aperçu des connaissances acquises sur le processus de coupe dans ces différents domaines. On montre qu’ils présentent de fortes similarités et que celles-ci aident à mieux définir la problématique du forage pétrolier. On concentre cette analyse bibliographique sur : Dans le domaine minier, les profondeurs de passe abattues sont de l’ordre du centimètre, les vitesses de coupe de l’ordre du mètre par seconde et l’abattage est généralement conduit à pression atmosphérique. Dans le domaine pétrolier, les profondeurs de passe abattues sont de l’ordre du millimètre, les vitesses de coupe de l’ordre du mètre par seconde et le forage se déroule sous des pressions de boue de l’ordre de 10-100 MPa. La boue de forage permet de remonter les débris de coupe, de limiter les venues de fluides interstitiels provenant de la roche forée, de stabiliser les parois du puits et de refroidir l’outil. Les taillants des outils PDC sont constitués d’un support en carbure de tungstène (WC-Co) sur lequel est déposée une fine couche diamantée (le PDC, Polycrystalline Diamond Compact, à proprement parler), destinée à les protéger de l’usure et des chocs (Fig. 3.1). La recherche de matériaux permettant d’améliorer la « durabilité » des taillants PDC constitue un enjeu important de la recherche en forage pétrolier. SORLIER (2009) propose une synthèse détaillée des avancées technologiques dans ce domaine.

Comme la pression de boue confine la roche et conduit à une augmentation significative de sa résistance apparente, les efforts de coupe dans le forage pétrolier sont du même ordre que dans l’abattage minier, c’est-à-dire de l’ordre du kilonewton. Du fait des différences de profondeur de passe, les contraintes sur les taillants PDC sont beaucoup plus élevées que sur les pics miniers. On minimise ainsi l’usure et les risques d’écaillage des taillants PDC en les concevant avec des angles de coupe Du fait de la nature géologique et de la localisation des réservoirs pétroliers, les roches forées sont essentiellement sédimentaires et souvent, faiblement minéralisées. Les argilites représentent 75 % des mètres forés en exploration (KOLLE, 1996 ; DETOURNAY & TAN, 2002). Sous pression de boue, elles ont un comportement à la rupture de type plastique qui se rapproche du comportement des métaux mous comme le plomb. Les autres roches forées sont principalement des grès et des roches carbonatées dont le comportement à la rupture est de type fragile. Certaines roches sont hétérogènes (conglomérats, roches à inclusions, roches fracturées) et/ou anisotropes (roches litées et alternées), ce qui complique la description du problème car il devient dépendant des conditions géométriques de forage. Comme ces problèmes ne sont pas abordés dans la présente thèse, on renvoie le lecteur à BOUALLEG (2006) pour l’étude du forage des roches anisotropes.

Différents dispositifs expérimentaux

Bien que l’essai soit réalisé à vitesse constante, les efforts de coupe mesurés peuvent varier significativement au cours du temps, du fait des cycles de chargement-rupture des copeaux de roche générés par la coupe (Fig. 3.3). Pour un essai de coupe donné, on calcule la moyenne temporelle des efforts de coupe. Le premier niveau d’analyse du processus de coupe consiste à étudier la dépendance de ces efforts aux paramètres opératoires. Ces paramètres sont liés aux conditions cinématiques de l’essai, à la géométrie des taillants utilisés, aux roches abattues et s’il y a lieu, aux conditions de pression. Définie à l’échelle de l’outil de forage au § 1.3.2.4, l’énergie spécifique de coupe peut être définie à l’échelle du taillant comme le travail de l’effort requis pour abattre un volume unitaire de roche. La rupture est quand même étudiée dans un cadre bi-dimensionnel et on prend en compte la troisième direction de l’espace en introduisant des facteurs correctifs. GLOWKA (1989) calcule par exemple une profondeur de passe équivalente en ramenant une section de coupe de géométrie complexe à une section de coupe de même valeur mais de géométrie rectangulaire. GERBAUD (1999) utilise la longueur de contact entre l’arête du taillant et la saignée.