Forage

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Un forage est un trou creusé dans la Terre et l'équipement du trou tels les tubages. On fore pour mieux connaître le sous-sol et pour l'exploiter. Par exemple des forages sont réalisés pour

• trouver et exploiter des ressources naturelles enfouies (eau, pétrole),
• étudier la composition et la géotechnique des terrains.

Le forage sg3 en Russie est le forage le plus profond jamais réalisé (12 km).

Sommaire 1 Les systèmes principaux 1.1 Alimentation 1.2 Transmission mécanique 1.3 Le système rotary 1.4 Colonne de forage 1.5 Connexion des tiges de forage 1.6 Outils forants 1.7 levage 1.8 mat et derrick 1.9 fluide et système de circulation du fluide 1.9.1 fluides 1.9.2 circulation des fluides 1.10 personnel présent sur un chantier de forage 2 systèmes auxiliaires 2.1 bloc d'obturation pour la maîtrise des venues 2.2 système de chauffage 3 tubages, crépines, sabots 3.1 tube guide ou cuvelage 3.2 tubage intermédiaire 3.3 tubage de production 3.4 crépines 3.5 sabot 4 ciments 5 considérations environnementales 5.1 sol 5.2 sous-sol 5.3 bruit 5.4 réhabilitation du site 6 sécurité du personnel 7 problèmes liés aux opérations de forage 7.1 pertes de fluide 7.2 blocage des tiges 7.3 déviation 7.4 éboulement 7.5 sur-pression 7.6 détachement d'une partie de la colonne de forage 8 forage horizontal et forage dirigé 9 forage en mer (offshore) 10 méthodes de tubages à l'avancement 10.1 pose de tiges simultanées à la foration (méthode Odex) 10.2 tubage enroulé (coil tubing) 11 évaluation des sites de forage 12 Forages les plus profonds 13 Bibliographie 14 Notes et références 15 Voir aussi

[modifier] Les systèmes principaux

[modifier] Alimentation

Dans pratiquement tous les cas un moteur diesel fournit la puissance nécessaire aux forages. La puissance est alors délivrée soit par électricité soit par mécanique. Dans le cas de forages profonds des générateurs électriques alimentés par un moteur diesel sont le plus souvent utilisés. L'option "électrique" possède de nombreux avantages dont entre autres la réduction du bruit, organisation du chantier plus simple.

[modifier] Transmission mécanique

[modifier] Le système rotary

Le système de rotation comprend habituellement une tête d'injection, une tige d'entraînement qui passe à travers une table de rotation et qui est reliée à un train de tiges et en bout de train un outil creusant le sol. La tige d'entraînement et de fait le train de tiges et l'outil en bout de train, tous subissent une rotation via la table de rotation et une section angulaire de la colonne qui se trouve au niveau de la table, ou bien si la table n'est pas le moyen de rotation de la machine de forage, via la tête d'injection qui sert également à l'entraînement de la colonne. La garniture peut être définie par l'"ensemble des matériels tubulaires descendus dans le puits, à l'exception des cuvelages"^[1].

[modifier] Colonne de forage

La colonne de forage est la suite constituée par des tiges vissées entre elles et habituellement de tailles standard.

[modifier] Connexion des tiges de forage

[modifier] Outils forants

Pour le foreur, l'outil qui se trouve au bout des tiges qui forent le sol est une des clés de son activité. L'outil doit être choisi dans un catalogue aussi varié que peut être la lithologie rencontrée. Si un outil de type marteau peut briser une roche compacte, il aura du mal à creuser une argile comme le ferait beaucoup mieux une tarrière et les outils de type trilame. Selon son diamètre, l'outil peut peser de quelques kilogrammes à plusieurs centaines de kilogrammes. On distingue différents types d'outils de forage :

• couronnes qui sont des tiges, améliorées ou non, munies de dents ou de picots renforcés.
• forages au diamant (diamant synthétique polycristallin), qui sont des outils de formes très variées (y compris les formes de type tricones et trilames) dont l'utilisation est restreinte à l'industrie pétrolière et minière du fait du coût d'exploitation élevée. Les diamants ont la forme de pastilles noires prises dans la masse métallique de l'outil.
• tricônes, outils montés par trois cônes rotatifs ou molettes (libres) munis de picots pour les terrains durs (longs picots pour les terrains très compétents, tels les quartzites, et picots courts pour les terrains moins compétents tels les schistes), et de dents pour les terrains durs (calcaires) à argileux (marnes) - les dents étant plus longues lorsque le terrain est plus argileux. On trouve également des tricônes à pastilles faites de matériaux ultra-résistants (diamant et carbure de tungstène par exemple).
• trilames, outils montés par trois "lames" en chevron pour les terrains les plus argileux et en gradin ou escalier pour les terrains plus durs (marnes et calcaires).
• marteaux fond de trou (MFT), qui sont des outils à percussion prédestinés aux sols durs et cassants.

Les aléseurs ne sont pas à proprement dit des outils de tête, puisqu'ils peuvent être montés en complément de l'outil principal. Le but des aléseurs est d'agrandir un trou, ou simplement d'en racler les bords et parfois de compacter le fond du forage. On distingue donc les aléseurs compacteurs, en forme de pointe, ouverts à lames ou cylindriques, étagés, etc.

Forage dirigé pour trouver de l'eau

photo légendée d'un tricone	coupe schématique d'un marteau fond de trou	photo d'un trilame	Tricones
Tricone	Tricone	Tricone	Tricone
Tricone	Tricone

[modifier] levage

[modifier] mat et derrick

[modifier] fluide et système de circulation du fluide

[modifier] fluides

Le fluide dans un forage est un autre élément clé, car c'est lui qui évacue les débris qui s'accumulent au fond du trou, lui qui stabilise les parois du trou lorsqu'il est encore "nu" (sans cuvelage) et qui peut aussi, d'une certaine manière, lubrifier l'outil en activité. Le choix d'un fluide ne s'arrête pas là : les eaux souterraines (parfois potables) peuvent être contaminées par certains fluides utilisés. Pour évacuer les débris soit le fluide doit circuler très vite (air comprimé) soit le fluide, alors liquide, doit posséder une densité et une viscosité qui est contrôlée régulièrement par le foreur. L'ajustement de ces paramètres se fait par ajout de bentonite et polymères pour la viscosité.

Les divers fluides de forage sont:

• L'air comprimé
• L'eau
• La bentonite
• Les gels de polymères

[modifier] circulation des fluides

La circulation de l'air se fera au moyen d'un compresseur pour l'air comprimé, et de la puissance du compresseur dépendra la capacité du forage à descendre plus profond. La boue est quant à elle circulée au moyen de pompes spécifiques. On appelle le fluide en circulation directe celui qui descend par le train de tiges, et la circulation inverse celui qui descend par l'espace annulaire. La circulation inverse possède plusieurs avantages :

• si lors de la circulation du fluide les parois nues du forage s'éboulent, l'éboulis est repris directement par la circulation. Dans le cas contraire l'éboulis pourrait s'accumuler plus facilement.
• les échantillons de sol et d'eau prélevés pour analyse ne sont pas contaminés par les parois nues du forage.

Une "perte de fluide" indique habituellement la présence des fractures ou autres vides dans les terrains traversés. La perte de fluide mène habituellement à une diminution de la pression, ce qui peut poser des problèmes majeurs au foreur.

schéma d'un forage en circulation directe

schéma d'un forage en circulation inverse

[modifier] personnel présent sur un chantier de forage

• deux sondeurs ;
• un accrocheur ;
• un ouvrier ;
• un electromecanicien soudeur ;
• un chef de poste ;
• un superviseur ;
• un a deux chauffeurs ;
• un chef de chantier ;

[modifier] systèmes auxiliaires

[modifier] bloc d'obturation pour la maîtrise des venues

La maîtrise des éruptions provenant d'un puits nécessite un bloc d'obturation consistant en un système de vannes. Cette maîtrise peut se faire en contenant les venues dans le puits (coiffage) ou en évacuant ces dernières. Dans le cas de forages pétroliers le bloc d'obturation doit permettre de réaliser les points suivants^[2] : 1 - Le cisaillement du train de tiges, 2 - La suspension du train de tige, obturation ferme, 3 - la maîtrise du puits avant sa réouverture.

[modifier] système de chauffage

Sous climat très froid, comme par exemple au Québec, les fonctions principales du système de forage ne doivent pas geler et pour cela un système de chauffage est nécessaire. Un système typique comprend un chauffe-eau au diesel et un réseau de tuyaux reliant le chauffe-eau aux différentes unités du forage. Le même système peut être utilisé pour les besoins du personnel du chantier.

[modifier] tubages, crépines, sabots

[modifier] tube guide ou cuvelage

Le tube guide est dans presque tous les cas nécessaire et peut être définit^[3] comme le tube qui isole tout le puits des terrains encaissants et qui durant les opérations contient le fluide de forage.

[modifier] tubage intermédiaire

Le tubage intermédiaire est facultatif et peut être définit^[4] comme "le tubage installé dans un puits après l'installation et à l'intérieur du tubage de surface et dans lequel les opérations de forage ultérieures peuvent être effectuées à l'intérieur du puits".

[modifier] tubage de production

Le tubage de production isole l'encaissant du système d'exploitation (pompe et tiges). Ce tubage est cimenté dans l'encaissant, du moins dans la partie basse du forage si un tubage intermédiaire est utilisé.

[modifier] crépines

Les crépines sont les tubages possédant des espaces laissant passer le fluide de l'encaissant. Il existe une grande variété de matériaux et de modèles de crépines.

[modifier] sabot

Le sabot se trouve à la terminaison du tubage de production ou des crépines. Il permet la sédimentation des particulers contenues dans le liquide exploité.

[modifier] ciments

[modifier] considérations environnementales

Un forage est une opération lourde qui induit la mobilisation d'importants volumes de terres, nécessite de grandes quantités de carburant et parfois d'autres produits tels des acides, et doit être dirigé par un personnel parfois nombreux. Dans le cas d'un forage pour l'alimentation en eau potable il faut s'assurer que l'aquifère qui sera exploité ne soit pas vulnérable à la présence du chantier. Dans le cas de forages pétroliers, il faut s'assurer que le pétrole exploité ne devienne un flot incontrôlé allant polluer les alentours.

[modifier] sol

[modifier] sous-sol

[modifier] bruit

[modifier] réhabilitation du site

[modifier] sécurité du personnel

[modifier] problèmes liés aux opérations de forage

[modifier] pertes de fluide

il existe deux types de pertes:

- les pertes partielles " petite fissure provoquant la perte du fluide de circulation; cette perte peut être maitrisée en ajoutant des additifs à la bentonite pour l'alourdir"

- les pertes totales" grande fissure qui peut dépasser largement les 500m horizontalement, cette perte provoque la perte totale de la boue de forage ce qui nécessite le forage a l'eau claire pour limiter les pertes; on peut aussi envisager une cimentation partielle de la partie fissurée".

Ces pertes proviennent essentiellement des fissures rencontrées au cours de la foration, souvent dès les formations calcaires.

[modifier] blocage des tiges

[modifier] déviation

[modifier] éboulement

[modifier] sur-pression

[modifier] détachement d'une partie de la colonne de forage

Intentionnellement ou non, le foreur peut perdre une partie de la colonne de forage. Les causes peuvent être diverses : une tige peut se ou doit être dévisser ou casser pour être remontée. les outils de repechage servent à accrocher et remonter des trains de tiges ou autres morceaux qui se sont décrochés et sont tombés ou coincés dans le trou de forage.

[modifier] forage horizontal et forage dirigé

Le forage horizontal est une technique de génie civil permettant de faire passer des canalisations et des câbles sous des obstacles (chaussées, bâtiments, cours d'eau...) sans intervenir directement sur ces obstacles. Ainsi, on pourra réaliser un forage horizontal perpendiculaire à l'axe d'une chaussée, sous la structure de celle-ci, afin d'y faire passer des canalisations sans avoir à réaliser de tranchée qui endommagerait la structure de la chaussée. Le forage dirigé est une application récente nécessitant de puissants moyens informatiques. Grâce au forage dirigé, des ressources qu'il était difficile d'atteindre en forage classique du fait d'obstacles géologiques (lithologies rebelles), deviennent accessibles. Le secteur pétrolier est très demandeur de forages dirigés ou bien sinon de forages dont on estime par modélisation ou suivi la direction empruntée.

[modifier] forage en mer (offshore)

[modifier] méthodes de tubages à l'avancement

technique dite DRILLIG CASING développée et breuveté pas la compagnie canadienne TESCO DRILLING TECHNOLOGY Co et qui a été employer en Algérie en collaboration avec l'entreprise algérienne EPE STEPPE FORAGE LAGHOUAT dans la région de BATNA "Amdoukel"sur une machine pétrolière GD 3000 "en mode TOP DRIVE"de l'ENAFOR Algérie. Le forage réalisé avec cette technique sur une profondeur de 650m

[modifier] pose de tiges simultanées à la foration (méthode Odex)

Initialement développée par Atlas Copco, la méthode Odex suit la méthode du marteau fond de trou et comprend en plus un tube acier qui repose par dessus un aléseur excentrique^[5] ou sabot un peu plus large que le tube. Ce tube forme le tubage externe du forage. L'énergie de la percussion du marteau et le propre poids du tube enfonce ce dernier dans le trou.

[modifier] tubage enroulé (coil tubing)

Cette technique permet de dérouler un tube continu (futur tube externe de l'ouvrage) avec l'avancement du forage en profondeur. Le tube continu est enroulé sur un cylindre et est injecté ou tiré par une structure en arc de cercle (arche) plongeant dans le puits et sur laquelle sont montées des chaînes à très gros maillons permettant d'appliquer une pression, contrôlée par des cylindres hydrauliques, sur le tube. Le passage du tube continu dans l'arche et les pressions exercées sur ce dernier pour l'injecter ou le retirer du trou accélèrent son vieillissement. Ce vieillissement est, entre autre, influencé par le rayon de l'arche d'injection. La technique du tubage enroulé possède de nombreux avantages, notamment dans la réalisation de forages déséquilibrés et de forages dirigés. Toutefois cette technique s'avère parfois couteuse, notamment si le matériel reste inactif, tandis que la mise en place du tubage peut (contre toute attente) être plus lente comparée à une installation traditionnelle.

[modifier] évaluation des sites de forage

[modifier] Forages les plus profonds

L’objectif des forages profonds tels celui du programme KTB (Kontinental Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik) qui a atteint 9 800 mètres sous l’Allemagne ou du trou sg3 de 12 kilomètres dans la péninsule de Kola (Russie), est de mieux connaître la lithosphère et d’atteindre la zone de transition entre celle-ci et le manteau supérieur : le Moho.

Si ces forages ont permis de confirmer la structure et la composition de la croûte, ou de tracer des profils sismiques régionaux, elles n’ont malheureusement pas permis d’atteindre à ce jour la couche sous-jacente tant convoitée. On a pu ainsi mesurer par exemple que la température des roches atteint environ 300 °C à 10 kilomètres de profondeur.

Comme la croûte océanique est plus mince que les plaques continentales, plusieurs projets ont vu le jour pour tenter une percée à ce niveau : MOHOLE puis JOIDES aux États-Unis, et programmes internationaux IPOD ou ODP / DSDP. Hélas, aucun navire n’a encore réussi à forer jusqu’à la discontinuité de Mohorovicic.

[modifier] Bibliographie

• Albert Mabillot, Le forage d'eau : guide pratique, éditions Lavoisier, 1989.
• Magdeleine Moureau, Gerald Brace, Dictionnaire du forage et des puits, éditions Technip, 2000.
• Jean-Paul Nguyen, Techniques d'exploitation pétrolière. Le forage (Relié), éditions Technip, 1993

[modifier] Notes et références

[modifier] Voir aussi

• Navire de forage
• fonçage

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