Structure de Forage

Le procédé essentiel de l’exploration et de l’exploitation des gisements pétrolifères reste le forage rotary qui permet d’atteindre de grandes profondeurs dans de bonnes conditions techniques et de sécurité. Cette technique consiste à utiliser un outil de forage vissé à l’extrémité basse d’un train de tiges (garniture de forage) et sur lequel sont appliquées une force et une rotation. La force, appelée poids sur l’outil (WOB1) et la rotation, combinées, permettent de couper la roche. La rotation est appliquée le plus souvent en surface. Le poids est assuré par un ensemble de tiges lourdes (masses-tiges) qui constituent la partie inférieure de la garniture (Figure 1.1). Les tiges permettent aussi d’acheminer sous pression du fluide de forage (la boue). Celle-ci refroidit l’outil et assure l’évacuation des débris de roche. Pour assurer la solidité à long terme du puits et le préserver contre les venues d’eau, des tubages sont descendus et cimentés à la paroi du puits. 

Eléments d’une Garniture de Forage

La profondeur des forages est généralement comprise entre 2000 m et 4000 m. Dans certains cas extrêmes, la profondeur forée peut atteindre 10000 m. Le diamètre du trou foré est compris entre 10 et 50 cm. Sur toute sa longueur, la garniture de forage est constituée par des tiges d’acier de 9 m de long chacune raccordées entre-elles par des joints filetés (Figure 1.2). La partie inférieure de la garniture constitue la BHA2 dont les éléments sont : – Masse-tiges : ce sont des tiges lourdes et de plus grand diamètre qui assurent non seulement la transmission du poids sur l’outil mais aussi l’encaissement des chocs. – Stabilisateurs (Figure 1.3) : ils servent à centrer la tige dans le trou et permettent également de contrôler le comportement directionnel de la garniture suivant leurs nombre et position. Les stabilisateurs continuent à jouer ce rôle malgré l’utilisation croissante des nouveaux systèmes de plus en plus sophistiqués de contrôle de la direction du forage.  – Equipements de mesure (MWD3) : ils sont placés au fond (à quelques mètres au-dessus de l’outil de forage) ou bien en surface. Ces équipements contiennent des instruments sophistiqués pour la mesure des différents paramètres, en particulier les paramètres de la direction du forage (inclinaison, azimut du puits au point de mesure). Les données mesurées au fond sont transmises à la surface sous forme de pulse de pression. Figure 1.1: Structure de Forage Pétrolier Figure 1.2: Tige de Forage Figure 1.3: Stabilisateurs (gauche: lames spirales, droite: lames droites) – Equipements d’amortissement des chocs : ils amortissent les vibrations axiales pour protéger les tiges et l’outil contre des chocs violents (Cobern et al., 2007). 3 Measurement While Drilling CONFIDENTIEL © 18 – Moteur fond de trou : c’est un moteur de type moineau qui utilise la puissance hydraulique de la boue de forage pour fournir à l’outil de forage plus de couple en rotation. C’est un élément indispensable du forage directionnel mais il peut entrainer des vibrations latérales à l’outil (Warren et al., 1990). – Outil de forage (Figure 1.4) : il existe deux classes principales d’outils; les outils tricônes et les outils PDC4. Les outils tricônes (RC5) possèdent trois molettes coniques qui tournent librement autour de leurs axes qui détruisent la roche suite à son poinçonnement par les dents du tricône. L’outil PDC est un monobloc constitué par des taillants fixés sur le corps de l’outil. L’outil tricône est utilisé essentiellement pour forer les roches dures et abrasives (Judzis et al., 2007). Jusqu’à 1985, 95% des longueurs forées l’ont été avec des outils tricônes (Spanos et al., 2003). Depuis, les outils PDC sont de plus en plus utilisés ; environ 60% des longueurs forées en 2004 ont été réalisées avec des outils PDC (Francis, 2006).

Contrôle de la Structure

Le poids sur l’outil qu’il faut fournir pour forer la roche peut atteindre 25 tonnes, sachant que le poids total de la garniture peut atteindre 300 tonnes. Il faut alors ajuster la force de tension en surface pour assurer un poids sur l’outil convenable (Jansen, 1993). Ce poids, et donc cette force de compression, ne doit pas dépasser une certaine limite pour éviter le phénomène de flambage des tiges (Akgun et al., 1996) et la force de tension en surface doit rester en dessous de la résistance à la traction des tiges (Stall et al., 1962). La partie inférieure de la garniture de forage est donc en compression alors que la partie supérieure est en traction (Figure 1.5). Typiquement, la longueur des masse-tiges est calculée de telle sorte que le point neutre soit toujours situé au niveau des masses tiges qui  ont une résistance plus importante au flambage que les tiges (Blick et al., 1989). Les fluctuations du poids sur l’outil entrainent des fluctuations de la position du point neutre. On parle donc plutôt de « zone de transition » dans laquelle la tige est soumise à des cycles de traction/compression ce qui peut induire un phénomène de fatigue. Bien évidemment, la détermination de cette zone doit prendre en compte les interactions et les frottements de la garniture de forage avec la paroi du puits en particulier pour les forages déviés.