DOBBI-Equipements Forage [PDF]

Zitiervorschau

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SUPERIEURE

Université KASDI Merbah Ouargla

Faculté des Hydrocarbures, des Energies Renouvelables et des Sciences de la Terre et de l’Univers Domaine Sciences Techniques

Equipements de Forage Pétrolier Cours et exercices résolus Spécialité : Forage et Mécanique des Chantiers Pétroliers Niveau : Licence et Master Hydrocarbures

Dr DOBBI Abdelmadjid Année Universitaire : 2019/ 2020

Préambule

Le présent ouvrage s’adresse aux étudiants de la filière hydrocarbures. Il est constitué en grande partie des chapitres des cours et exercices dispensés au courant des années écoulées. Les différents chapitres avec beaucoup de détails vont certainement permettre aux étudiants d’acquérir, en peu de temps, la connaissance nécessaire des techniques traitées et d’acquérir les clés et les outils d’une formation dans l’exploitation pétrolière. Après un bref rappel des caractéristiques petro-physiques d’un gisement pétrolier, le document traite les équipements de trois fonctions principales de forage, garniture de forage et les tubages. De plus, ce document constitue une modeste contribution d’une première version. IL sera complété de nouveaux chapitres enfermant la quasi-totalité des techniques relatives à l’exploitation pétrolière. Espérant que ce document puisse atteindre l’objectif qui lui est assigné, et que les étudiants trouvent dans ce document toutes les informations dont ils ont besoin. Dr DOBBI Abdelmadjid Maitre de conférences A Faculté des Hydrocarbures, des Energies Renouvelables et des Sciences de la Terres et de l’Univers Université KASDI Merbah - Ouargla

Sommaire Introduction Chapitre I : Généralité Rôle d’un appareil de forage Choix d’un appareil de forage Equipements de surface Equipements de fond Appareils selon le type de source d'énergie Caractéristiques technique d’un appareil lourd

06 06 06 06 07 08

Chapitre II : Procèdes de forage Procède de forage par battage Forage Rotary Différents types de colonnes Rôle des tubages Techniques de forage rotary Chapitre III

09 09-10 10-11 11-12 13

Equipements de surface

Introduction Fonction levage Introduction Moufle mobile (traveling block) Moufle fixe (crown block) Réa Dynamique et caractéristiques du mouflage Calcul des charges Calcul des puissances Câble de forage Puissance entrée treuil Treuil de forage Principaux éléments du treuil de forage Différents types de freins au niveau du treuil Système de sécurité et de régulation de fonction levage Contrôle technique du treuil

14 14-15 15-16 16 16-17 17-18 19 20 20-21 21-24 24-25 25 27-29 29-30 30-31 31

Exercices d’application

32-36

Organes de rotation Table de rotation Caractéristiques de la table de rotation Entraînement de la table et les rapports de vitesses

37-41 38-39 39 39-41

Fonction circulation Rôle des organes de la fonction circulation Parties principales d’une pompe à boue Evolution du débit instantané Paramètres de fonctionnement Calcul des débits et puissances Calcul des pertes de charge dans les circuits de forage pétroliers Avantages et inconvénients des pompes

42-61 42 42-45 45-46 46 46-47 47-51 51-52

Amortisseurs de pulsation Tête d'injection Traitement mécanique de la boue Tamisage Dégazage Hydrocyclonage Dessableurs (desanders) et Désilteurs (desilters) Mud-cleaner Centrifugeuses

52-53 53-54 55-57 57 57-58 58-59 59 60 61

Exercices d’application

62-82

Puissance installée Les appareils à transmission mécanique Les appareils diesel électriques Les avantages des appareils diesels électriques

83-85 83 83 84-85

Chapitre IV Garniture de forage

86-102

Introduction garniture de forage Tige de forage Caractéristiques des tiges de forage Tool-joints (Raccords des tiges) Masse-tiges Dimensionnement Désignation d’une masse-tige Profil des masse-tiges Les stabilisateurs Les outils de forage Paramètres de forage Outils à molettes Mode de travail d'un tricône Décalage des axes d’un outil tricônes Outil conventionnel Outil à jet Outils diamant

86-87 87-92 87-91 91-92 92-95 93 93-94 94-95 95 95-100 95-96 96-98 96-97 97-98 98 98-99 99-100

Exercices d’application

100-102

Chapitre V Tubages

103-113

Introduction Rôle des tubages Choix des tubages Technologie et gamme des tubes La géométrie du corps du tube Gamme des trépans Géométrie du raccord Nuance de l’acier Poids nominal du tubage Jeux entre le trépan et l’intérieur du tubage Choix du diamètre nominal de la colonne de production

103 103 103 103 104 104 105 106-107 107 107 108-110

Exercices d’application

111-113

Introduction Générale

Le forage pétrolier est l'opération la plus délicate et la plus coûteuse du processus d'exploitation pétrolière. Durant les opérations de forage on se retrouve souvent confronté aux plusieurs problèmes et contraintes liés au mauvais choix des équipements et par conséquent à des paramètres de forage loin des valeurs optimales. Des nombreuses études ont montré que l’optimisation du choix des paramètres de forage a permis d’enregistrer une amélioration moyenne de 30% de la vitesse d’avancement, et une réduction aux environ de 35% du prix de mètre foré, d’où la nécessité d’analyser correctement le choix des équipements de forage, la garniture de forage. Dans cet état d’esprit le présent document comporte quatre chapitres qui sont le résultat des cours et exercices dispensés au courant des années écoulées. Chaque exercice traite un problème d’application particulier relatif aux équipements de trois fonctions principales de forage, aux équipements de fonds et aux différentes techniques de forage. Le contenu du document est subdivisé en cinq chapitres suivants : Le premier chapitre donne des généralités sur le gisement pétrolier : les conditions d’existence d’un gisement des hydrocarbures, les caractéristiques petro-physique d’un gisement et les différents mécanismes de récupération. Le second chapitre est consacré à l'analyse de deux procèdes de forage par battage et rotary, parallèlement, il décrit l'évolution des techniques de ces deux procèdes et les progrès enregistrés dans le domaine de forage. Dans cet état esprit, il tente d’analyser les différents types de colonnes d’un puits pétrolier. Aussi, le même chapitre détaille les différentes techniques de forage conventionnel forage en Balance, forage en overbalance et forage en underbalance. Le troisième chapitre examine les différents équipements de trois fonctions principales de forage : équipements de la fonction levage, équipements de la fonction pompage et équipements de la fonction rotation, aussi, il donne un aperçu sur le principe de production de l’énergie électrique au niveau du chantier forage. Le quatrième chapitre est consacré à l’étude des caractéristiques géométriques et mécaniques de la garniture de forage, 5

Le cinquième chapitre traite les rôles et les caractéristiques mécaniques des tubages.

Chapitre I

Généralité

Appareil de forage pétrolier Le rôle d’un appareil de forage est de réaliser dans les meilleures conditions techniques, économiques et sécuritaires une connexion entre un réservoir des hydrocarbures et la surface. Le Choix d’un appareil de forage : le choix optimal d’un appareil conforme aux besoins de puissance requis par le programme de forage constitue un souci permanant afin d’obtenir un rapport qualité/prix le plus élevé possible tout en respectant les exigences sécuritaires. Puisque, un appareil surdimensionné entraîne des couts supplémentaires, tandis qu'un appareil sous-dimensionné constitue un risque permanent et peut limiter les possibilités de traction en cas de coincement de la garniture. L’appareil de forage est constitué de deux parties à savoir: I.1 .Equipements de surface, ils sont repartis comme suit: 

Equipements de levage,



Equipements de puissance,



Equipements de rotation,



Equipements de circulation,



Equipements de sécurité.

Les équipements de puissance : La force motrice sur un appareil de forage fournit l’énergie nécessaire au fonctionnement de différentes fonctions de l’appareil de forage (levage, rotation, Pompage, équipements de traitement de la boue, éclairage et autres) I.2 .Equipements de fond : Ces équipements constituent l’ensemble de la garniture de forage (drill stem) : 

Tiges de forage (drill pipes)



Masses tiges (drill collars)



Équipements auxiliaires



Raccords divers



Outil de forage (rock bit) 6

II- Les appareils selon le type de source d'énergie Les appareils de forage sont généralement selon le type de source d’énergie 

Appareil à transmission mécanique



Appareil diesel électrique

II.1 Appareil à transmission mécanique La force motrice pour les trois fonctions principales à travers des organes de transmission (chaînes, cardans et autres types de transmission) est assurée par des moteurs thermiques (moteurs diesel) II.2 Appareils diesel électrique Les moteurs électriques de trois fonctions principales fonctionnent en courant continu II.2.1-Appareil diesel électrique ordinaire Moteurs avec génératrices: la force motrice est constituée d'un ensemble de génératrices entraînées par des moteurs thermique, le courant produit est continu II.2.2-Appareil diesel électrique équipé d’un SCR Moteurs avec Alternateurs: la force motrice est constituée d'un ensemble des alternateurs entraînés par des moteurs thermique, les alternateurs produisent un courant alternatif, une partie de l’énergie produite sera redressée en énergie continue pour alimenter les moteurs à courant continu. L'ensemble des moteurs thermiques (Diesel) et alternateurs sont gérés par un système s'appelle SCR. Caractéristiques technique d’un appareil lourd: Appareil Oil Well 840 E Mat Constructeur : Pyramide Type Cantilever Charge API 1000 000 lbs Charge statique au crochet 750 000 lbs Hauteur 144 pieds (43.90 m) Capacité de gerbage 5000 m de tiges 5’’ et 6200 m des tiges 3’’1/2 Substructure : Constructeur : Pyramide Hauteur 22 pieds (6.70 m) Treuil de forage : constructeur Oil Well Puissance 1400 CV 7

Câble de forage Diamètre : 1’’3/8 Capacité de forage 4800 m (16000 pieds). Moufle fixe 07 poulies diamètre 60’’ (152 cm). Capacité 600 T Moufle mobile 06 poulies diamètre 60’’ (152 cm). Capacité 500 T. Crochet National Capacité 500 T Réa National Type E, câble 1’’3/8, capacité 40.8 T

8

Chapitre II

Procèdes de forage

Le forage pétrolier est une technique qui assure la connexion du gisement au sol pour extraire les hydrocarbures avec un rapport qualité/prix le plus élevé possible tout en respectant les aspects sécuritaires. En août 1859, à Titusville en U.S.A. le colonel DRAKE a foré son premier puits de pétrole à 69.5 pieds (21 mètres) de profondeur, le forage le plus profond par battage atteignait 2250 m en 1918 Lorsque les sociétés pétrolières ont été confrontées à des terrains plus difficiles, elles ont fait recours au procédé de forage rotary. Les premiers essais de cette technique ont été faits sur le champ de Corsicana (Texas), au début du XXème siècle. En 1901 J.F. LUCAS, a utilisé un appareil de forage rotary le premier puits dans le champ de Spindletop près de Beaumont (Texas) [4] II.1 Le procède de forage par battage : Fonction levage et battage : Un outil très lourd ayant la forme d’un ciseau des sculpteurs fixé à l’extrémité d’une tige très lourde, cette tige suspendue par un fil à un balancier, l’outil tombe de son propre poids en attaquant les roches, l’entrainement du balancier se fait manuellement, par un animal ou une machine à vapeur. Fonction circulation : L’évacuation des déblais du fond du puits se fait par un cylindre muni d’un clapet ouvert à la descente fermé lors de remontée. II.2 Forage Rotary On applique une force sur l’outil de forage (trépan) par un poids (masse tige), en entraînant un outil en rotation puis on injecte en contenu une boue au niveau de l’outil afin d’évacuer les déblais en surface. L’opération de forage nécessite l’exécution de trois fonctions principales par un appareil de forage (figure II.03) 

Poids sur l’outil 9



Rotation de l’outil



Injection de la boue (circulation sous pression)

La garniture de forage est constituée des tiges et des masses tiges, les tiges (drill pipe) supportent les masses-tiges (drill collar) qui exercent un poids sur l’outil, la garniture se met en rotation à partir de la table de rotation par l’intermédiaire d’une tige d’entraînement (Kelly), la boue circule à l’intérieur de la garniture pour arriver à l’outil afin d’évacuer les déblais à travers l’espace annulaire en dehors du puits. Pour compléter le circuit boue l’appareil de forage doit être équipé d’une installation de traitement mécanique de la boue. L’énergie électrique est assurée par un ensemble des moteurs thermiques avec alternateurs équipé d’un système de conversion d’énergie (redresseur commandé au silicium) pour convertir une partie de l’énergie alternative en contenu pour alimenter les moteurs électriques des trois fonctions principale Le nombre de phases (de colonnes) et leurs profondeurs sont fonction de la nature des terrains traversés. En Algérie généralement le nombre des phases varie entre 03 à 06 phases (fig II.1) et

(figure II.2).

Figure II.1: Coupe technique d’un puits de forage en 04 phases [4]

10

Phase 1 17" ½ х 13 " 3/8

Colonne de surface 300 m

Colonne technique N°01 Phase 2 12“ ¼ x 9" 5/8

Colonne technique N°02 2100 m

Tubing Phase 3

Paker

8" ½ x 7"

3000Liner m Complétion

Réservoir

6" x 4"1/2

3150 m

Figure II.2: Les différents types de colonnes d’un puits de forage à quatre phases [5]. II.2.1-Les différents types de colonnes. (Figure II.1) 

Tube guide,



Colonne de surface



Colonne technique



Colonne de production,



Colonne perdue (Liner).

Tube guide (conductor pipe) est un tube ancré dans le sol à une profondeur de 5 à 15 mètres, elle assure la canalisation de la boue en dehors du puits vers la goulotte, le guidage l'outil au début de forage et le maintien des formations non consolidées (les sables,……………..) Colonne de surface a pour but de: 

Isoler les eaux douces de surface afin d’éviter leur pollution par la boue de forage.



Maintenir les formations de surface, ces formations sont souvent éboulantes.



Elle supporte la tête de puits avec les colonnes suivantes et aussi elle supporte les équipements d’obturation du puits

11

La longueur de la colonne de surface varie de quelques dizaines à plusieurs centaines de mètres selon les conditions de la région d’implantation du puits. Colonne technique La profondeur et le nombre des colonnes techniques sont variables (le nombre varie de 1 à 4) en fonction des difficultés rencontrées, elle est descendue pour assurer les fonctions suivantes pour permettre le suivi de forage sans risque: 

Elle permet l’isolation des formations présentant des risques (éboulements)



Elle assure l'isolation les formations à des fortes ou des faibles pressions,



Eviter la rupture des terrains autour du sabot de la colonne de surface.

Colonne de production La colonne de production est suspendue en surface (dans la tête de puits) soit en profondeur (dans la dernière colonne technique) dans ce cas elle est appelée colonne perdue ou LINER. La colonne de production est indispensable dans le cas d'un puits producteur et doit assurer une bonne étanchéité et longévité. Elle permet d’isoler la formation productrice des autres formations et mettre en œuvre le matériel de production. Colonne perdue (liner) Suspendue à la base de la dernière colonne technique, elle a le même rôle qu'une colonne de production. La descente de cette colonne est beaucoup plus économique que celle d’une colonne complète, mais cette solution n'est pas réalisable dans tous les cas, en particulier dans les puits à forte pression. II.2.2 -Rôle des tubages Après le forage d’une phase on doit la tuber par des tubes « casing » dont le but d’assurer les fonctions suivantes: 

Séparer les couches incompatibles traversées.



Maintenir en place des parois du puits afin du pouvoir continuer le forage dans des bonnes conditions techniques.



Couvrir les zones à perte.



Séparer les couches à faible pression.



Sécuriser et mettre en place de l’équipement de production tout le long du puits.

En résumé le tubage du puits permet l’avancement de forage dans un découvert présentant des risques (éboulements), et d’entamer la phase suivante avec succès. Le choix des tubages (diamètres et résistances) dépend des paramètres suivants: 

La profondeur prévue, 12



Le type de fluide contenu dans les différentes formations (huile ou gaz)



problème de corrosion.



Les pressions au niveau de différentes formations

II.2.3 Techniques de forage rotary Forage conventionnel En forage conventionnel les fluides de forage assurent les taches suivantes:  La stabilité des parois de puits.  L’avancement de l’outil de forage.  Le contrôle des fluides de formation (par un équilibre de pression). Forage en Balance Le puits est dit en Balance s’il n’y a pas d’écoulement à l’intérieur ou vers l’extérieur de la formation (la pression de fond et la pression de gisement sont égales) Forage en Overbalance (figure II.3) En cours de forage en Overbalance, les propriétés physico-chimiques des fluides de forage devront être choisies de telle manière que la pression de fluide de forage à l’intérieur du puits soit légèrement supérieure à la pression du gisement (Overbalance). Pendant le forage en Overbalance, des additifs contiennent des particules forment un film imperméable (Cake) qui se dépose sur les parois de puits (dans les pores et dans les fractures du puits) afin d’arrêter la perte de fluide de forage. Forage en Underbalance (figure II.3) Le forage en Under balance (UBD) la pression des fluides sur tout le long du découvert (Open Hole) doit être maintenue au-dessous de la pression de gisement, si la formation est poreuse et perméable le fluide s’écoule vers le puits. Le forage en Underbalance est une technique qui s’applique pour éviter l'invasion des fluides et des solides externes dans la formation productrice

Cake de la boue

13

Figure II.3 : forage en Underbalance

Chapitre III

forage en Overderbalance

Equipements de surface

La classification d'un appareil de forage se fait par la capacité de la profondeur maximale de forage pour des tiges de 4 ½’’ [4]: Appareils légers: jusqu'au

2000 m

Appareils moyens:

2000 - 3000 m

Appareils lourds:

3000- 5000 m

Appareils super lourds: plus de

5000 m

La capacité de la profondeur maximale peut se traduire par un poids au crochet de levage, aussi, on peut évaluer la capacité maximale que devra fournir le treuil de forage par la profondeur maximale à forer, c'est pourquoi l'appareil de forage peut être classé aussi en fonction de la puissance développée par le treuil (100 pieds de forage demande une puissance de 10 hp environ. Appareils légers:

650 hp

Appareils moyens:

1300 hp

Appareils lourds:

2000 hp

Appareils super lourds:

3000 hp

L’appareil de forage est composé de deux grandes parties qui sont: III-Equipements de surface (figure III.01): IV-Equipements de fond III-Les équipements de surface assurent les trois fonctions principales suivantes: 

Fonction levage



Fonction circulation



Fonction rotation

Les équipements de surface sont repartis comme suit: 

Equipements de puissance.



Equipements de circulation.



Equipements de levage. 14



Equipements de rotation.



Equipements de sécurité

Le Mat

Câble de forage

Moufle Mobile Tête d’injection Tige d’entrainement Plancher Table de rotation

Substructure Garniture de forage

Outil de forage Figure III 01 : Vue schématisée d’un appareil de forage [6] III.1 -Fonction levage La fonction levage est assurée par les équipements suivants : 

Le mouflage



Le treuil de forage (Drawworks)



Le freinage



Outils de levage

III.1.1 Le mouflage 15

Le mouflage est un organe de démultiplication des efforts de levage pour lever des charges très lourdes et de répartir sur plusieurs brins de câble ces charges, il permet aussi de: 

Réduire l'effort exercé sur le brin actif



Repartir sur plusieurs brins du câble la charge suspendue ce qui permet la réduction des dimensions du câble de forage)



Démultiplier la vitesse du moufle mobile.

Le mouflage comprend a -Câble: le câble de forage s'enroule sur le tambour du treuil puis il passe par les poulies du moufle fixe (crown block) et en fin passe sur les poulies du moufle mobile (traveling block). L'autre extrémité du câble est fixée à un point fixe sur le réa.





Le nombre de brins du mouflage peut varier de 4 à 14 brins.



Le brin actif est la portion du câble qui relie le tambour du treuil avec le moufle fixe.



Le brin mort est la portion de câble qui relie le moufle fixe au point fixe.

Sur le brin mort qu'on peut mesurer la tension du câble pour connaître le poids suspendu au crochet.

b- Moufle mobile (traveling block): Le moufle mobile est l’organe sur lequel est suspendu la charge, il peut être indépendant ou intégré, ses poulies sont montées sur le même axe au moyen des roulements à rouleaux coniques (figure III.2), l’axe des poulies est supporté par des paliers logés sur des flasques, pour assurer le graissage des différents roulements des poulies, le moufle mobile comporte des perforations de graissage

Figure III.2 : Moufle mobile (traveling block) c- Moufle fixe (crown block) C'est un ensemble des poulies (figure III.3) supportées sur la plateforme supérieure du mat (berceau) figure III.4 16

Les poulies sont alignées sur le même axe. L'axe des poulies comporte des perforations pour assurer le graissage des différents roulements des poulies. L'axe est supporté à ses extrémités par deux paliers montés sur des poutrelles fixées au sommet du mât. Afin de prolonger la durée de vie des poulies et assurer une usure uniforme, il est recommandé d’interchanger la position des poulies (en interchangeant brin actif et le brin mort) une fois par an, le moufle fixe comporte une poulie de plus que le moufle mobile

Figure III.3: Poulies du Moufle fixe (crown block)

Figure III.4 : berceau du moufle fixe

d- Réa (figure III.5) et (figure III.6) L'ancrage du câble de forage se fait sur le Réa, la portion reliant le moufle fixe avec le Réa s'appelle le brin mort, sur ce brin qu'on peut mesurer la tension du câble qui permet de connaître le poids suspendu au crochet, au niveau du Réa on peut introduire également une 17

certaine longueur du câble neuf pour remplacer la partie usée du câble cette opération s'appelle le filage 1-Réa 2-Cellule hydraulique (mesure de tension) 3-Cable de forage

Figure III.5 : Réa [4] et [6]

Figure III.6 : Principe de la Mesure du poids total au câble

18

Figure III.7 : Système de mouflage [4] Dynamique du mouflage Les travaux de forage se réalisent avec des charges extérieures importantes et variables agissantes sur le mouflage pendant les différentes phases d’un cycle de forage de puits, ces charges sont :  Le poids au crochet  L’effort nécessaire pour lever et mettre en position le mat.  Le couple dû à l’entrainement de la table de rotation si elle est entrainée par le treuil.  L’effort dû aux travaux de manœuvre des cabestans. Caractéristiques du mouflage : Le mlouflage (figure III.7) est caractérisé par les capacités de charge nominale, la charge maximale, le nombre de brin, le diamètre du câble, l’effort de la traction du treuil, le nombre des couches enroulées du câble et la vitesse d’entrainement du câble. Les symboles utilisés n : nombre des brins du mouflage V : vitesse du moufle mobile v : vitesse du brin actif PC : charge au crochet F : Effort sur le moufle fixe W : puissance au crochet 19

w : puissance au câble de forage η : rendement global. t: tension dans chaque brin (câble au repos) ta : tension du brin actif tm : tension du brin mort III.1.1.2 Calcul des charges a -Câble au repos Charge au crochet PC (Câble au repos) t = t1= t2 = t3= …….= tn Pc= t1+ t2 + t3+ …….+tn=n.t Pc= n.t

III.01

Charge sur le moufle fixe (Câble au repos) F= Pc + ta + tm= Pc + t.cosβa + t.cosβm En pratique βa , βm sont voisins de zéro

cosβa = cosβm= 1

F = Pc + t.cosβa + t.cosβm= n.t+ 2.t= (n + 2).t F = (n + 2).t, F= (n + 2). Pc / n

III.02

b -Câble en mouvement. Charge au crochet PC (Câble en mouvement) Pc= t1+ t2 + t3+ …….+tn k : rendement des poulies, t1= k.ta, t2= k2 .ta, ……..,tn= kn.ta, tm= kn +1.ta Pc= k.ta +. K2 .ta + k3 .ta +……….. +kn.ta Pc= k.ta( 1 +. K + k2 +……….. + kn-1 ) Pc=k.ta(1 – kn) /(1 - k ) ta = Pc( 1 - k) / k.( 1 – kn)

III.03

Charge sur le moufle fixe (Câble en mouvement) F= ta + t1+ t2 + t3+ …….+tn + tm F= ta+ k.ta+k2 .ta+ ……..,+kn.ta+kn +1.ta F= ta (1+ k+k2 + ……..,+kn+kn +1) F= ta(1 – kn+2)./(1 - k )

III.04

II.1.1.2 Calcul des puissances Puissance au crochet : W = PC.V

III.05 20

V : vitesse du moufle mobile, PC : charge au crochet

Puissance au câble de forage : w = ta.v ta : tension du brin actif v : vitesse du câble actif, v = n.V n : nombre des brins du câble III.1.1.3 Calcul du rendement global du mouflage η = W/w = PC.V / ta.v η =.k.(1 – kn)./n.(1 - k )

III.06

Puissance entrée treuil Pr = (Pc + P0) x 1000 x V / 75 Ch

III.07

Pc : poids au crochet en tonnes Po: poids du crochet, moufle mobiles et ses accessoires en tonnes V:vitesse de remonté ou descente m/s Puissance entrée treuil Pt = Pr / (m x t)

III.08

t = Tm .Cha.Pal Tm : rendement du tambour= 0.97 Pal : rendement des paliers= 0.97 Cha: rendement des chaines et pignon = 0.97 Pt est la puissance entrée treuil (ch), m le rendement du mouflage, tle rendement du treuil, Pr puissance au crochet (la puissance requise au levage. m mouflage : 0,841 pour 8 brins (valeur API, t = 0,973. III.1.1.4 Le Câble de forage a. Constitution Un câble est constitué de plusieurs torons disposés en hélice autour d’une âme. Aussi, chaque toron est composé de plusieurs fils disposés en hélice de plusieurs couches. b. L’âme du câble

21

L’âme sert comme support aux torons du câble, elle peut être en textile, métallique ou mixte (métal et textile). L’âme en textile n’a aucun rôle dans la résistance de rupture du câble mais, elle retient bien la graisse et donne au câble une bonne élasticité longitudinale. L'âme métallique, contrairement à l’âme en textile elle contribue à la charge de rupture du câble mais elle est moins souple que l'âme textile elle donne une meilleure résistance à la déformation après passage sur des poulies de faible diamètre, L’âme mixte : elle possède des caractéristiques moyennes, elle est moins résistante que l’âme métallique et plus résistante que l’âme en textile, aussi elle est moins souple que l’âme en textile et plus souple que l’âme métallique. c- Différents types des torons (figure III.8 et III.9) Toron ordinaire : tous les fils des torons ont le même diamètre et chaque couche à 06 fils de plus que la couche précédente (1+6 +12 +18 +…) Toron Seale Lay : les deux couches extérieures ont le même nombre des fils et ils sont toronnés au même pas, les fils n’ont pas le même diamètre afin faciliter le jointement (1+9+9) Toron Filler (Seal Lay à fils de remplissage ou Seal Lay-filler) Les couches internes ont des fils de remplissage, il est recommandé lorsque l'utilisation demande un nombre important de fils par toron (1+6+12..)+ fils de remplissage. Le toronnage dans les différentes couches se fait au même pas. Toron Warrington La couche extérieure est constituée de fils de deux diamètres différents (1 +6, 6 + 6)

Seale lay 25 fils

Seale lay 6x19

Filler 25 fils

Figure III.8 : Différents types des torons

22

Seale Lay 6 x19

Seale Lay 6 x25

Figure III.9 : Disposition des torons autour d’une âme d- Sens du câblage Sens du câblage à droite : les torons sont enroulés de la gauche vers la droite Sens du câblage à gauche : les torons sont enroulés de la droite vers la gauche. 

Seal Lay 19 fils Seal Lay 25 fils



Filler 25 fils

e- Type de câblage Câblage normal (ou croisé) : le sens d'enroulement des fils est contraire à celui des torons. Avantages: Il est équilibré. Inconvénients: Le câblage normal (ou croisé) donne moins de souplesse au câble que le câblage inverse. Câblage inverse: le sens d’enroulement des fils est le même à celui des torons. Avantages: Le câblage inverse donne plus de souplesse au câble que le câblage normal. Inconvénients: Il ne peut donc être utilisé que s'il est solidement maintenu à ses deux extrémités. Il n'est pas équilibré et a tendance à se détordre. Remarque: En forage on utilise uniquement les deux types de câblages suivants : Câble normal à droite : torons enroulés à droite, fils enroulés à gauche, Câble normal à gauche : torons enroulés à gauche, fils enroulés à droite Travail du câble de forage Le travail (Tm) transmis par un câble pour une manœuvre complète (Montée et descente) peut s’écrire sous la forme suivante : Tm = 0.981 x [pt.L(L + l) + 4L(Pm + 0.5d)]x 10-6 (103 daN.km),

III.09 23

L = profondeur au début de la manœuvre (m), l = longueur d'une "longueur" (m), d = supplément de poids dans la boue du aux masse – tiges (kg), pt= poids moyen au mètre des tiges (tool – joints compris) dans la boue (kg/m), Pm = poids du moufle, crochet et accessoires (kg), 1 .Travail de remonté Longueur N° 01 :

T1 = 9.81 x [Pm .l + pt .l .l + Pm .l +d.l] (N.m),

+Longueur N° 02 : T2 = 9.81 x [Pm .l +2. pt .l .l + Pm .l +d.l] (N.m), +Longueur N° 03 : T3 = 9.81 x [Pm .l + 3.pt .l .l + Pm .l +d.l] (N.m), +……………………………………………………………………………. +Longueur N° n :

Tn = 0.981 x [Pm .l + n.pt .l .l + Pm .l +d.l] (N.m),

= TMonté=9.81 x [n.Pm .l +.pt .l .l .n(n+1)/2+ n.Pm .l +n.d.l] (N.m) 2 .Travail de descente De la même manière le travail (TDescente) transmis par un câble durant une manœuvre descente peut s’écrire sous la forme suivante : Tdescente =0.981 x [pt .L( L+ l )/2+2.L(Pm + 0.5.d] .10-6 (103daN.km) Finalement le travail (Tm) transmis par le câble durant une manœuvre complète peut s’écrire sous la forme suivante : Tm =TMonté +TDescente= 2.TMonté = 2.Tmonté Tm=0.981 x [pt .L( L+ l ) +4.L(Pm + 0.5.d] .10-6 (103daN.km) Puissance entrée treuil Pr = (Pc + P0) x 1000 x V / 75 Ch Pc : poids au crochet en tonnes Po: poids du crochet, moufle mobiles et ses accessoires en tonnes V:vitesse de remonté ou descente m/s Puissance entrée treuil Pt = Pr / (m x t) t = Tm .Cha.Pal Tm : rendement du tambour= 0.97 Pal : rendement des paliers= 0.97 Cha: rendement des chaines et pignon = 0.97 Pt est la puissance entrée treuil (ch), m : le rendement du mouflage, 24

t : le rendement du treuil, Pr : puissance au crochet (la puissance requise au levage). m :mouflage : 0,841 pour 8 brins (valeur API), t = 0,973. III.1.2-Le treuil de forage

Figure III.10 : Treuil de forage

25

Figure III.11 : Chaine cinématique du Treuil de forage 840E Oil Well [6] Tableau III.1 : Caractéristiques du Treuil de forage 840E Oil Well Nombre des vitesses Dimensions du tambour Dimensions des jantes du drum Type des embrayages Canneler de Lebus

4 28’’ x 52’’ 50’’ x 10’’ A friction 1 1/2"

Le treuil de forage (figure III.10) et (figure III.11) est un organe destiné à assurer la suspension de la garniture en cours forage et la suspension du tubage lors de la cimentation. L’entraînement de la table de rotation sur certains appareils, par l'intermédiaire des cardans, des chaînes et pignons (figure III.12) 26

Entraînement par Arbre et cardan à partir du treuil

Entraînement par chaîne à partir du treuil

Entraînement par indépendant du treuil

Figure III.12 : Type d’entraînement de la table de rotation [6] Le treuil entraîne aussi l’arbre du cabestan (cat head) pour assurer le vissage et le dévissage des tiges et les tubages (figure III.13)

Figure III.13: Cabestan III.1.2.1-Les principaux éléments du treuil de forage Châssis, Skid et la carcasse. Le châssis, Skid et la carcasse doivent être rigides afin éviter le décentrage et le mauvais alignement des paliers à roulements. Le tambour de manœuvre (figure III.14). Le tambour de manœuvre est la partie active du treuil, sur cet élément le câble de forage s’enroule. Il y a deux types de tambour de manœuvre : Lisse ou cannelé. Pour un enroulement correct afin d’éviter l'écrasement du câble durant la suspension des lourdes charges le tambour cannelé figure ci-dessous est fortement recommandé. 27

Dimensions du tambour : Le diamètre d'un tambour doit être supérieur ou égale à 20 fois le diamètre du câble D ≥ 20.d. (D: diamètre du tambour, d diamètre du câble) [6]

Figure III.14 : Tambour de frein cannulé Angle de déflexion La longueur minimale du fût d'un tambour est fonction de l'angle déflexion du brin actif doit être compris entre 1° à 1.5° (figure III.15), ces valeurs permettent d’éviter l’usure prématurée du câble par frottement et par flexion latérale.

Moufle fixe

Tambour Figure III.15: Angle de déflexion Les arbres du treuil de forage Le treuil de forage possède quatre(04) arbres sont placés comme suit (figure III.11): 28

a. Arbre d’entrée (input shaft) L’arbre d’entrée comporte deux (02) roues dentées 19 dents et 20 dents, un frein d’inertie est placé à son extrémité pour absorber le couple résistant inverse durant l’arrêt de deux moteurs électriques d’entrainement. b.

Arbre secondaire (output shaft)

L’arbre secondaire comporte deux (02) roues dentés 25 dents et 42 dents avec deux (02) pignons à ses extrémités 37 dents et 19 dents. L’arbre secondaire comporte aussi un embrayage à crabot permet la sélection des vitesses. Les deux arbres input et output sont reliés par un système d’engrenage de deux (02) roues 85 et 101 dents. c. Arbre de tambour de manœuvre L’arbre de tambour de manœuvre comporte : 

Quatre (04) pignons (43,83) dents et (43, 39) dents.



Deux (02) embrayages (High et Low)



Frein auxiliaire.

Le pignon 43 assure la transmission le mouvement du treuil à la table de rotation. Le pignon 39 assure la transmission le mouvement du treuil au cabestan. III.1.2.2-Les différents types de freins au niveau du treuil a- Le frein mécanique à bandes Le frein mécanique à bandes (figure III.16) est utilisé pour maîtriser l’avancement de l’outil durant le forage, pour la monté et la descente de la garniture. Aussi, le frein mécanique à bandes comprend deux bandes métalliques équipées de garnitures de frein qui sont fixées par des boulons ou des rivets. Afin de réduire l'usure des patins les bandes métalliques sont reliées par une barre d'équilibrage (pour équilibrer la force de freinage entre les deux bandes) Les jantes sont creuses et équipées d'un système de refroidissement à eau sous pression à circuit fermé afin d’évacuer la chaleur dégagée par le freinage.

29

Eléments de frein mécanique Patins de frein

Bandes de frein

Levier de frein Barre d’équilibrage

Bande de frein

Figure III.16: Eléments de frein mécanique III.1.2.3-Le frein auxiliaire (ralentisseur) Le frein auxiliaire assure le ralentissement du mouvement du moufle mobile afin d’obtenir une vitesse maitrisée de la garniture durant sa descente (création d’un mouvement inverse à celui du tambour) Il existe deux types de frein auxiliaire: 1- Ralentisseur hydraulique 2- Ralentisseur électromagnétique (El Mago) III.1.2.4-Système de sécurité et de régulation de fonction levage Twi Stop Le twin stop protège le plancher et les deux moufles par un engagement automatique du frein mécanique du treuil. Le Twin stop freine automatiquement le mouvement du moufle mobile à deux positions présélectionnées basse et haute dans les deux sens coté plancher et coté moufle fixe. Entrainement du twin stop:  Le twin stop est composé de:  Système de commande mécanique  Système de commande pneumatique Le twin stop est entrainé par une chaine de transmission à partir du tambour du treuil. L’arbre de sortie du système entrainé par la chaine actionne un embrayage pour faire tourner le disque à cames, l’épaulement de la came engage le bras de commande de la soupape pilote, 30

la soupape pilote à son tour actionne la soupape de commande à quatre voies, l’air comprimé sort et se dirige vers le cylindre pneumatique placé sur le frein mécanique du treuil, et par la suite le frein mécanique fonctionne automatiquement arrêtant le moufle mobile. Crown-O-Matic Le Crown-O-Matic protège les deux moufles, il arrête le moufle mobile dans son mouvement ascendant pour éviter le bloc à bloc (évite la percussion du moufle mobile sur le mofle fixe), limitation de mouvement vers le haut, le capteur du Crown-O-matic est placé au niveau du tambour. III.1.2.5- Contrôle technique du treuil a- Contrôle à l’état statique  Contrôle visuel de tous les boulons de fixation  Contrôle visuel des bandes de frein mécanique.  Contrôler;  Les vis de réglage  L’usure des patins des garnitures  Les rivets de fixation des patins  Les cannelures du tambour  L’état de la surface de freinage des jantes.  La tension des chaines.  Le jeu de roulement chaque 06 mois du travail.  Le fonctionnement du crabot  Le centrage des bandes de frein mécanique b .Contrôle technique à l’état dynamique Faire bouger le moufle mobile en mouvement ascendant et vérifier:  Le fonctionnement du frein mécanique.  L’efficacité de twin stop.  L’état de l’embrayage à crabot. En mouvement descendant en high vérifier les éléments suivants :  L’efficacité de twin stop.  L’état de l’embrayage à crabot  Le fonctionnement du frein mécanique  L’efficacité le frein auxiliaire.  La pression d’huile de graissage

31

Exercices d’application Exercice 01 En Phase de 8"1/2 à 1600 m de profondeur, la densité de la boue d=1.33, le travail réalisé par le câble de forage durant une descente est égale à 97 (103 daN .Km). On donne : Longueur d’une longueur l=27 m Masse du moufle et ses accessoires P = 8.5 tonnes Masse totale des masses-tiges (tool – joint compris) dans la boue d=24 tonnes Calculer : Masse linéaire des tiges dans la boue (pt) Masse linéaire des tiges en dehors du puits ( p) Masse totale des tiges dans la boue Solution Tm = 0.981 x [pt.L(L + l) + 4L(Pm + 0.5d)]x 10-6 (103 daN.km), L = profondeur au début de la manœuvre (m), l = longueur d'une "longueur" (m), d = supplément de poids dans la boue du aux masse – tiges (kg), pt= poids moyen au mètre des tiges (tool – joints compris) dans la boue (kg/m), Pm = poids du moufle, crochet et accessoires (kg), Le travail (Tm) transmis par un câble pour une manœuvre complète (Montée et descente) Tm= 97 x 2= 194 tonnes 1 -La masse linéaire des tiges de forage dans la boue pt Tm=0.981x [ptb x 1600(1600+27) + 4 x 1600(8500+ 0.5 x24000)] x 10-6

(103 daN.km)

194 x 10+6 /= 0.981 x 2 603 200 x ptb + 0.981 x131 200 000) 194 x 10+6 /= 2 553 739.20.ptb + 128 707 200) (194 000-128 707.2) x 10+3 =2 553 739.20.ptb pt= 25.57 kg/m 2 -La masse linéaire des tiges de forage en dehors du puits p p = Pt/f

kg/m

Coefficient de flottabilité

f=1-db/da

db : densité de la boue=1.33, da : densité de la boue de l’acier=7.8 Coefficient de flottabilité f= 0.83 La masse linéaire des tiges de forage en dehors du puits p= pt/f

25.57/0.83=30.81 kg/m

3 -Masse totale des tiges dans la boue : 25.57x1600= 40912 kg 32

Exercice 02 1 -Considérons un mouflage de 10 brins, la charge sur le moufle fixe en statique est égale à 192 tonnes, calculer la tension de 9eme brin. Réponse : En statique

n : nombre des brins

F = (2 + n).t, t= F/(2+n),

t= 192/12 = 16 tonnes

t = t1=t2=………. =t9 = t10 = 192/12= 16 tonnes 2 -Considérons un mouflage 08 brins, Pr = 908 CV, V=0.55 m/s P0= 10 tonnes et k= 0.98: Pr =(Pc+Po).V.1000/75

Ch

Pr : Puissance requise au levage en chevaux Pc charge au crochet en tonnes, V : Vitesse de remonté du moufle mobile (m/s) Po : Poids des équipements mobiles en tonnes Charge au crochet Pc= Pr. 75/1000.V – Po =908 x 75/(1000 x 0.55) – 10 = 113.8 tonnes Pc= k.ta (1 -kn ) / (1 - k), tension du brin actif ta = (1 - k).Pc/ k.(1 -kn )= 15.56 tonnes Tension de huitième brin (brin n° 08) : t8 = ta xk8 =15.59 x 0.988= 12.76 tonnes Exercice 03 1- Considérons un mouflage de n brins, la tension au niveau de 3eme brin en dynamique est égale à 18 tonnes, la charge sur le moufle fixe est égale à 165 tonnes et rendement des poulies K = 0.98. Calculer le rendement de mouflage. Solution : t3 = 18/(0.98)3 =19.12 tonnes, F= ta(1 – k(n+2))./(1 - k ) , kn+2=1- F(1-k)/ta (n+2)lnk = ln(1- F(1-k)/ta), n = 7 donc on prend 8 brins Rendement η =k.(1 – kn)./n.(1 - k ). =0.98 Pour 08 brins l’API recommande un rendement de 0,841 Exercice 04 Les données d’un treuil Oil Well 840 E sont (figure III.11) : Arbre d’entrée (Input chaft) : Z11=19 dents, Z12= 20 dents Arbre secondaire (Ouput chaft) :Z21=25 dents, Z22=42dents, Z24 =37dents, Z25=19 dents Arbre du tambour (Drum chaft): Z31=43 dents, Z32=83 dents, Z33=43dents, Z34=39 dents, Z35=43dents Table de rotation: Z4 =37dents, Cat head chaft : Z5=21 dents, La grande vitesse de rotation Ncg =195 tr/mn 33

On vous demande de calculer les différentes vitesses de rotation : Solution 1 - Tambour Vitesses Low high : 195xZ5/Z34 = 195x21/39= 105 tr/mn 2 -Arbre secondaire High : 105x Z32/Z25=105x83/19=458 tr/mn 3 -Arbre d’entrée Vitesse d’entrée NE =458x Z21/Z11=458x25/19= 602 tr/mn (conformément au schéma III.11) 4 -Arbre secondaire: Vitesse low : NSL= NE x Z12/Z22=602x20/42=286 tr/mn 5 -Tambour Vitesses tambour Low low : NSLxZ25/Z32 =286x19/83= 65 tr/mn Vitesses tambour high low : 286xZ24/Z33 = 286x37/43= 246 tr/mn Vitesses tambour high high : 458xZ24/Z33 = 458x37/43= 394 tr/mn 6 -Cat head La petite vitesse de: 65xZ34/Z5=65x39/21= 120 tr/mn 8 -Table de rotation La petite vitesse : 246xZ35/Z4= 246x43/37= 286 tr/mn La grande vitesse : 394xZ35/Z4= 394x43/37= 458 tr/mn

34

Exercice 04 Vous avez les données du treuil Oil Well 860 E conformément au schéma suivant

Exercice 04 Vous avez les données du treuil Oil Well 860 E conformément au schéma suivant : 26T

20T T

19T

Les données : Arbre d’entrée (Input chaft) : Z11=19 dents, Z12= 20 dents Z13= 26 dents et 26T Arbre secondaire (Ouput chaft) :Z21=25 Z22=42dents, Z23=22dents, Z24 =37dents, 22T dents,42T

Z25=19 dents. Arbre du tambour (Drum chaft): Z31=43 dents, Z32=83 dents, Z33=43dents, Z34=39 dents, Z35=43dents Table de rotation: Z4 =37dents, La grande vitesse de rotation NTrg =466 tr/mn

Figure 03 : Chaine cinématique du Treuil de forage 860E Oil Well [6]. Cat head chaft (Arbre du Cabestan): Z5=21 dents, On vous demande de calculer les différentes vitesses de rotation Solution 1 - Tambour Vitesses high high : 466xZ2.4/Z3.5 = 466x37/43= 401 tr/mn 2 -Arbre secondaire Grande vitesse: 401x Z3.5/Z2.4=401x43/37=466 tr/mn 35

3 -Arbre d’entrée Vitesse d’entrée NE =466x Z23/Z13=466x22/26= 395 tr/mn (conformément au schéma 03 ) 4 -Arbre secondaire: Petite vitesse : NSL= NE x Z12/Z22=395x20/42=188 tr/mn Vitesse intermédiaire : NSL= NE x Z12/Z22=395x19/25=300 tr/mn 5 –Tambour Coté High : Grande-grande vitesses (high high) = 401 tr/mn Vitesses grande-petite du tambour (high low) : 188xZ24/Z33=188x37/43= 162 tr/mn Vitesses grande-Intermédiaire : high Int : 300xZ24/Z33 = 300 x37/43= 466x37/43= 258 tr/mn Coté low : Petite-grande vitesses (high high) = 466xZ2.5/Z3.2=466x19/83= 107 tr/mn Vitesses petite-petite du tambour (high low) : 188xZ2.5/Z3.2=188x19/83 = 43 tr/mn Vitesses petite-Intermédiaire : high Int : 300xZ2.5/Z3.2=300x19/83 =69 tr/mn 6 -Table de rotation Coté high : La petite vitesse : 162xZ35/Z4= 162x43/37= 188 tr/mn La vitesse intermédiaire:258xZ35/Z4= 258x43/37= 300 tr/mn 7-Cat head La petite vitesse : 162xZ2.5/Z3.2 =43x39/21= 80 tr/mn La grande vitesse : 402xZ2.5/Z3.2 =107x39/21= 199 tr/mn La vitesse intermédiaire: 258xZ2.5/Z3.2 =69x39/21= 128 tr/mn

36

III.2. -Organes de rotation Logements pour les broches Les4d’entraînement logements des broches du kelly drive bushing d’entrainement de kelly drive bushing

Couronne Couronne entraînée en rotation

Arbre d’attaque entrainée par moteur électrique

Table de rotation

Broches

Tige carrée

Tige hexagonale

Kelly drive bushing

Tige d’entrainement

Kelly drive bushing Table de rotation

Figure III.18: Organes de rotation [6] 37

Les organes de rotation (figure III.18) sont composés de:  La table de rotation (rotary table)  Les fourrures  Les fourrures principales (bushings)  Le carré d’entraînements (kelly drive bushing)  Le raccord d’usure de la kelly (kellysaversub)  La tige carrée ou hexagonale d’entraînements (kelly)  La tête d’injection (Swivel) Les organes de rotation assurent la rotation de l’outil de forage par l’intermédiaire du train de sonde. III.2.1 -La table de rotation La table de rotation (figure III.19) assure les taches suivantes: Transmet le mouvement de rotation à la garniture de forage, par l'intermédiaire de carré d’entraînement et de la tige d'entraînement. En cours de manœuvre elle supporte le poids de la garniture de forage, par l'intermédiaire de coins de retenue.

Coins de retenue

Partie tournante

Fourrures

Plaques de garde et Carter

Pignon d’attaque Roulement à billes ou à rouleaux

Corps ou bâti

Ouverture centrale

Pignon conique

Paliers à roulement

Arbre d’entraînement

III.19 : de Tablerotation de rotation [4] et [6] Figure Figure 01: Table 38

La table de rotation est constituée de :  Le bâti.  La partie tournante.  L'arbre d'entraînement. III.2.2 Caractéristiques de la table de rotation Dimension nominale La dimension nominale de la table est exprimée par le diamètre maximal des outils ou tubages pouvant être introduits au niveau de la table, elle est donnée par le diamètre intérieur de l'ouverture centrale de la plaque tournante (fourrure enlevée). Les tables fréquemment utilisées en cours de forage ont les diamètres nominaux sont: 49"1/2 - 37"1/2 -27"1/2 - 20"1/2 - l7"1/2 - 12"1/2 Afin de permettre l'interchangeabilité entre treuils et tables, la distance entre le centre de la table et le pignon d'entraînement de l'axe est normalisée. Les distances normalisées sont comme suit :  Pour les tables 20"1/2 et 27"1/2 la distance est 1,38 m (54"1/4) et  Pour les tables de l7"1/2 et 12"1/2 la distance est1,22 m (44")

.

III.2.3 Entraînement de la table et les rapports de vitesses Rapport de vitesses Le rapport de transmission entre le pignon d’entrainement et la table de rotation compris entre 3 et 4 varie en fonction de type de la table. Entraînement La table de rotation peut être entrainée par arbre à cardant à partir du treuil ou par chaîne. Le plus souvent la table de rotation possède une commande indépendante par un moteur électrique, cette option permet l’arrêt du treuil pendant la rotation Le carré d'entraînement et les fourrures Le mouvement de rotation de la table est transmis à la tige d'entraînement par l’intermédiaire d’un carré d'entraînement, le carré est solidaire à la table de rotation durant la rotation de celle-ci par l'intermédiaire d'une fourrure principale (master bushing) la tige d'entraînement assure la rotation de la garniture de forage. a- Les fourrures principales (master bushing) (figure III.20) Les fourrures principales entraînent le carré d'entraînement et servent comme support aux fourrures intermédiaires utilisées pour le calage de la garniture de forage. Il y a lieu de noter qu’il existe plusieurs types de fourrures, elles se différent en fonction de la dimension nominale de la table de rotation et du mode d'entraînement choisi 39

Figure III.20 : Fourrure principal b- Les fourrures La fourrure possède (04) quatre trous au niveau de sa façade supérieure, les broches du carré d'entraînement se logent dans les trous de la fourrure, le mouvement de rotation se transmis de la table vers la fourrure principale et la fourrure à son tour assure la rotation du carré d'entraînement par l’intermédiaire des trous et les broches. Un système de verrouillage permet de bloquer les fourrures dans la table de rotation, et d'éviter leur éjection lors des manœuvres de remontée de la tige d'entraînement. Leur choix dépend de la dimension nominale de la table de rotation : - Une seule pièce pour les tables 20"1/2 et un profil intérieur carré selon le mode d'entraînement, - Pour le guidage et l'entraînement du carré des tables 27"1/2, des fourrures intermédiaires sont nécessaires, - Des fourrures articulées pour les tables 37"1/2, elles comportent une fourrure intermédiaire pour l'entraînement ou le guidage du carré. c -Les fourrures intermédiaires Chaque fourrure principale doit être utilisée avec un ensemble de fourrures intermédiaires (adapter bushing) correspondant chacune à une série de diamètres. La table 27"1/2: il faut prévoir un ensemble de fourrures intermédiaires pour le calage des diamètres suivants : 2"3/8 à 8"5/8, 9"5/8 à 10"3/4, ll"3/4 à 13"3/8, 16" et 18"5/8 à 20"

40

III.2.4 -La tige d'entraînement La tige d'entraînement est caractérisée par sa longueur occupée par le profil carré ou sa longueur utile. La tige d'entraînement doit avoir une longueur suffisante afin de donner la possibilité de forer entre chaque ajout, (ajout correspond à une tige complète). Aussi, les tiges d'entraînement normalisées par l'API doivent avoir une longueur totale de 12,19 m (longueur utile de 11,28 m. 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 est à gauche pour éviter le dévissage à droite pendant le forage), Caractéristiques mécaniques de la tige d'entraînement La partie inférieure de la tige comporte un filetage mâle à droite à de type (Internal Flush IF Les tool-joints Full Hole (FH) ont été pratiquement abandonnés pour les tiges. On doit noter que les caractéristiques mécaniques de la tige carrée sont meilleures à celles de la tige hexagonale et les caractéristiques mécaniques de la tige carrée ou la tige hexagonale sont toujours supérieures à celles des tiges de forage de grade le plus élevé (S135). Usure de la table et les fourrures L’usure de l'intérieur de la table et les parties intérieures et extérieures des fourrures engendrée par l’enlèvement répétitif des fourrures durant les opérations de manœuvres peut provoquer la rupture des cales ou l'écrasement du matériel tubulaire. Aussi, par l’effet d’usure les cales se positionnent plus bas dans la fourrure et ils ne soutiennent plus la tige à leur extrémité, ce qui va entrainer la diminution de la surface d'appui. Raccord d'usure de la tige d’entrainement Les opérations des ajouts des simples se fassent par vissages et dévissages fréquents de la tige d'entraînement sur la garniture de forage, ces opérations peuvent engendrer l’usure de filetages intérieurs de la tige, afin de protéger ces filetages on équipe la tige d'entraînement d'un raccord d'usure amovible. En cas d’usure du filetage inférieur du raccord, il suffit donc de le remplacer par un raccord neuf. Aussi, un autre raccord de réduction et d’usure doit se monter entre le filetage fin de la tête d'injection et le filetage supérieur de la tige d'entraînement.

41

III.3-Fonction circulation III.3.1Le rôle des organes de la fonction circulation Les organes de la fonction circulation assurent: 1. Une vitesse de remontée capable d’éviter la décantation des solides. 2. Une pression de refoulement capable de surmonter les pertes de charges dans le circuit hydraulique. 3 .Maintenir les déblais en suspension pendant l’arrêt de circulation 4. Le refroidissement et la lubrification de l’outil de forage La pompe boue de forage est l’organe principal de la fonction circulation. Est une pompe alternative, à partir des bacs d’aspiration la pompe aspire la boue de forage et la refoule dans le circuit vers le fond du puits. Les pompes de forage doivent assurer un débit suffisant aux différentes phases de forage, ce besoin doit se faire en fonctions des paramètres suivants :  Vitesse de remonté des déblais  Obtention d’un temps maximum de remonté des déblais  Nettoyage du fond de puits et l’outil de forage  Stabilité des parois  Entraînement de l'outil (forage au moteur de fond)  Type d’écoulement dans l’annulaire Donc il est recommandé d’avoir les débits maximum suivants [4] La phase 17’’1/2 : 3500 l/mn La phase 12’’1/4 : 2500 l/mn La phase 8’’1/2 : 1500 l/mn La phase 6’’1/2 : 600 l/mn III.3.2 Les parties principales d’une pompe à boue La pompe de forage (figure III.21) est constituée de deux parties:  Partie mécanique  Partie hydraulique

42

Partie Mécanique

Partie Hydraulique

Figure III.21: Pompe à boue de forage III.3.3 Partie Mécanique : elle est constituée des organes suivants : Le Bâti : Il est fabriqué en tôles d'acier assemblées par soudage ou bien en acier moulé, Rôle du bâti: est un carter pour l'huile de graissage. Il comporte des lumières pour permettre une inspection et des travaux de réparation rapides en cas des pannes. Le Skid : il supporte le bâti et les autres éléments de la pompe Engrenage de transmission : Arbre d'attaque ou arbre d’entrée (Arbre grande vitesse) Vilebrequin

(Arbre petite vitesse)

L‘embiellage : Il est composé de (figure III.22): Les bielles et les manetons, les crosses, les rallonges crosses, les tiges de pistons et les pistons Pignon arbre Grande Vitesse

Arbre Grande Vitesse

Arbre Petite Vitesse (vilebrequin)

Roue denté arbre Grande Vitesse

Engrenages d’une Pompe à boue

Figure 130 III.22 : Engrenages d’une pompe à boue duplex à double effet [5] 43

III.3.4-Partie Hydraulique Différents types de pompes Soupape de refoulement ouverte

Soupape d’aspiration fermée

Soupape de refoulement fermée

Soupape d’aspiration ouverte

Soupape de refoulement fermée Soupape de refoulement ouverte

Soupape d’aspiration ouverte Soupape d’aspiration fermée

Figure III.23: Pompe duplex à double Effet (2 cylindres par pompe)

Soupape de refoulement fermée

Soupape d’aspiration ouverte Soupape de refoulement ouverte

Soupape d’aspiration fermée

Figure III.24:Triplex à simple Effet (3 cylindres par pompes) La partie Hydraulique assure la conversion la puissance mécanique reçue par les pistons à une puissance hydraulique transmise à la boue de forage (figure III.23) et (figureIII.24). III.3.5Les éléments de la partie Hydraulique 

Pistons et tiges pistons 44



Corps de la pompe : Il est en acier moulé et fixé au carter de la partie mécanique



Chemises : Elles sont des cylindres ont des dimensions normalisées, elles sont interchangeables afin d’éviter l'usure du corps de la pompe (figure III.25).



Sièges de clapets et clapets Chemises de pompe

Siège de clapet Clapet

Siège de clapet

Clapet

Clapets avec sièges

Figure III.25 : Chemises de pompes et Sièges avec clapets [6] III.3.6 Evolution du débit instantané (figure III.26) Les pompes de forage sont des pompes alternatives. Dans chaque cylindre, le piston démarre avec une vitesse nulle, passe par une vitesse maximale au milieu, puis termine sa course avec une vitesse nulle. Il revient alors sur luimême avec une vitesse qui suit la même évolution. Le débit instantané par cylindre suit la même évolution que la vitesse. Le débit instantané par cylindre à l’aller est le même quelle que soit la pompe ; celui de retour est nul pour la pompe triplex, et plus petit que celui de l’aller pour la pompe duplex, puisque le volume de la tige de piston est retranché de celui de la chemise.

45

Q (l/min)

Évolution du débit instantané 1er piston

2er piston

degré

Q (l/min) 1er piston

2er piston

3er piston

Degré

Figure III.26 : Evolution du débit instantané Paramètres de fonctionnement Les pompes à boue sont caractérisées par les paramètres suivants: -Puissance mécanique ou nominale: (Kw) -Course (en pouce) -Diamètre des chemises (en pouce). -Vitesse

(nombre des coups/mn )

-Couple maximal sur l'arbre d'attaque (N.m) -Les Débits

(litres/mn)

-Les pressions maximales (kgf/cm2 ou psi) -La puissance hydraulique (kw, HP ou CV) III.3.7 Calcul des débits et puissances a. Puissance: La puissance mécanique maximale admissible sur l'arbre d’attaque, elle est donnée pour la vitesse nominale (donnée par le constructeur). Pm.a = C.

III.10

b -Calcul des débits: Q : Débit en L/mn n: Nombre de coups L : Course du piston en pouce 46

D : Diamètre du piston en pouce d : diamètre de la tige de piston en pouce Pompe duplex à double effet (figure III.23) Q= n. VT= 0.0515.L.n. (D2 -.d2/2) litres/mn

III.11

Pompe triplex à simple effet (figure III.24) Q= n. VT= 0.0386.L.D2

litres/mn

III.12

C -Pressions maximale de service Elle est calculée à partir de l’effort maximal sur la rallonge de la tige de piston Pmax=Fmax/ Smoy(kgf/cm2 ),

Fmaxen kgf,

Smoyen cm2

L’effort maximal est constant pour une pompe donnée est indépendant de dimensions de chemisage, la section moyenne soumise à la pression maximale pour un chemisage donné par les relations suivantes: Pompe duplex à double effet Smoy=. = 5.06 .(D2 -.d2/2) cm2

III.13

D et d : en pouce Pompe triplex à simple effet Smoy=.π.D2/4 cm2 Smoy= π.D2 /4 cm2 Smoy= 5.06 .D2cm2 D : en pouce d -Puissance hydraulique PH= P.Q/450 en (CV),

III.14

2

P en kgf/cm , Q en litres/mn e -Rendement volumétrique ɳ = Qr/Qt

III.15

Qr : débit réel en litre/mn, Qt: débit théorique en litre/mn Compte tenu des fuites au tour du piston il est impératif de suralimenter l’aspiration par des pompes centrifuges. III.3.8 Calcul des pertes de charge dans les circuits de forage pétroliers Les pertes de charge dans les circuits sont des déperditions d’énergie par dissipation en force de frottement au cours de l’écoulement de la boue: 

Frottement internes au fluide dus à sa viscosité.



Frottement externes dus à la rugosité des parois de la conduite. 47

Elle s’exprime en termes de différence de pression entre deux points de la conduite. La boue de forage en cours de circulation démarre avec une énergie représentée par la pression de refoulement à la sortie des pompes et sort avec une pression nulle au niveau des installations de traitement mécanique, donc la répartition des pertes de charge dans le circuit de forage est comme suit : 

Perte de charge au niveau des équipements de surface(PCS)



Perte de charge à l’intérieur des tiges de forage(PCDP)



Perte de charge à l’intérieur des drills –collars(PCDC)



Perte de charge à travers les duses de l’outil(PCO)



Perte de charge dans l’espace annulaire(PCA)

La pression de refoulement est la somme de toutes les pertes de charge dans le circuit de circulation: PR=PCS+PCDP+PCDC+PCO+PCA

III.16

La pression du fond du puits Circulation arrêtée La pression du fond du puits est égale à la pression hydrostatique: Pf = PH = d.H /10.2 bars

III.17

III.3.8.1- En dynamique La pression du fond du puits est la somme de la pression hydrostatique et les pertes de charge dans l’annulaire, elle est donnée: Pf = PH+PCA Donc la densité équivalente de la circulation est donnée par : deqv=10.2x (PH+PCA)/H

III.18

pR : pression de refoulement en bars, pf : pression de fond en bars, pH : pression hydrostatique en bars, H : hauteur en mètre, deqv : densité équivalente. III.3.8.2- Pertes de charge au niveau de l'outil [7] et [8] Outils à duses : la perte de charge est directement liée au débit du fluide, à la surface des orifices des duses et à la densité du fluide de forage. Elle est calculée par:

Pco 

d .Q 2 2959.41.C 2 A2

III.19

avec : P CO = perte de charge à l'outil en kPa d = masse volumique de la boue en kg/litre Q = débit de la boue en litres/min A = surface totale des orifices des duses en pouce carré (in2) C = Coefficient d'orifice : 48

C= 0.80 pour outil sans jet C = 0.95 pour outil à jets Pour les outils diamants et TSP, la valeur de A devient le TFA (Total Fluid Area) donné par le constructeur ou exigé par le Maître d'œuvre Total Flow Area (TFA) ou Nozzle Area (An) Au niveau des outils PDC, à molettes et les outils diamants TSP, le passage du fluide de forage se fait en convertissant la pression élevée à l'intérieur de la garniture de forage en une pression faible à la sortie de l’outil. Outils à duses: Afin de contrôler le débit de la boue de forage les outils PDC et outils à molettes sont équipés des duses, ces duses ont une grande gamme de dimension. La surface de passage des duses est la somme des surfaces de toutes les duses et est exprimée en pouces carré (in 2). Elle est donnée par : An= 0.000767(d12 + d22 + dn2)

III.20

où d1 , d2, dn sont les diamètres des orifices des duses exprimé en 1/32 de pouce. Les outils PDC peuvent utiliser plus de trois duses. Tableau III.02 : Section de passage en fonction de dimension et nombre des duses [8] Dimension duse 7/32 8/32 9/32 10/32 11/32 12/32 13/32 14/32 15/32 16/32 18/32 20/32 22/32 24/32 26/32 28/32 30/32 32/32

Surface 1 duse .0376 .0491 .0621 .0767 .0928 .1104 .1296 .1503 .1726 .1936 .2485 .3068 .3712 .4418 .5185 .6013 .6903 .7854

Surface 2 duses .0752 .0982 .1242 .1534 .1856 .2209 .2592 .3007 .3451 .3927 .4970 .6136 .7424 .8836 1.0370 1.2026 1.3806 1.5708

Surface 3 duses .1127 .1473 .1864 .2301 .2784 .3313 .3889 .4510 .5177 .5890 .7455 .9204 1.1137 1.3254 1.5555 1.8040 2.0709 2.3562

Surface 4 duses .1504 .1964 .2484 .3068 .3712 .4416 .5184 .6012 .6904 .7852 .9940 1.2272 1.4848 1.7672 2.0740 2.4052 2.7612 3.1416

Surface Surface 5 duses 6 duses .1880 .2256 .2455 .2946 .3105 .3726 .3835 .4602 .4640 .5568 .5520 .6624 .6480 .7776 .7515 .9018 .8630 1.035 .9815 1.177 6 1.2425 1.491 8 1.5340 1.840 0 1.8560 2.227 8 2.2090 2.650 2 2.5925 3.111 8 3.0065 3.607 0 3.4515 4.141 8 3.9270 4.712 8 4

Surface 7 duses .2632 .3437 .4347 .5369 .6496 .7728 .9072 1.0521 1.2082 1.3741 1.7395 2.1476 2.5984 3.0926 3.6295 4.2091 4.8321 5.4978

49

Vitesse aux duses [13] :

V

Q 38.71 A

III.21

Avec V = vitesse en m/s Q = débit en litres/min A = surface totale des duses ou TFA Puissance Hydraulique : Ph kW  

P.Q 60 000

III.22

La puissance hydraulique sur le front de taille est de [7] : Ph(HSI) = Pco.Q / (35140.D2 )

III.23

Avec : Ph(HSI) puissance hydraulique sur le front de taille en HP/pouces2 PCO = perte de charge à l'outil en kPa, Q = débit en litres/min D : diamètre du trou (la phase) en pouce II.3.9- Perte de charge à l’intérieur de la garniture et dans l’espace annulaire [7] Fluide BINGHAMIEN Pertes de charges d’un fluide modèle de BINGHAM dans une conduite cylindrique est donnée par les équations suivantes: Ecoulement turbulent: a -A l’intérieur de la garniture III.22 P : perte de charge en KPa, d : masse volumique du fluide en kg/litre L = longueur de la conduite en mètres, Q= débit en litre par minute (l/mn), D = diamètre de la conduite en mètre, μ : Viscosité dynamique en cP b -Espace annulaire Les pertes de charges dans l'espace annulaire sont généralement inferieures à 10 où 15 kgf/cm². L'influence de la température sur la viscosité, n'est pas prise en compte, la valeur mesurée en surface étant supposée constante dans tout le circuit. Ecoulement turbulent : III.23 D0 : diamètre extérieur espace annulaire en pouces 50

Di : diamètre intérieur espace annulaire (extérieur de la garniture) en pouces III.3.10- Calcul pratique des pertes de charge Afin de pouvoir utiliser les tableaux du formulaire du foreur, les équations précédentes peuvent être simplifiées et prennent les formes suivantes: Pour le fluide BINGHAMIEN en régime turbulent P = N.B avec B = d0.8 .μp0.2 Interieur de la garniture: III.24 Espace annulaire III.25 Il y a lieu de noter que : Les pertes de charge à partir des tableaux sont calculées pour une longueur de 100 m.  N représente les pertes de charge pour l’eau pure.  B : coefficient de correction relatif à la boue en circulation. Ptotale = (N1+ L2.N2+ L3.N3+ L4.N4+ L5.N5).B+ Pd.d en KPa

III.26

Avec, Ptotale: Pression de refoulement des pompes à boue L1, L2, L3, L4, et L5: longueur des différents tronçons de 100m Le coefficient B N1 : coefficient de perte de charge dans les installations de surface N2 : coefficient de perte de charge à l’intérieur des tiges en KPa/100 m N3 : coefficient de perte de charge à l’intérieur des masses-tiges en KPa/100 m N4 : coefficient de perte de charge espace annulaire trou/masses-tiges en KPa/100 m N5 : coefficient de perte de charge espace annulaire trou/tiges en KPa/100 m Pd : pertes de charge aux duses ( KPa) pour d= 1 kg/litre d : masse volumique du fluide en kg/litre III.3.11Avantages et inconvénients des pompes 1- Pompes duplex Avantages Robustes et simples Puissantes Inconvénients 51

-Lourdes -Entretien est difficile. -Le presse-étoupe est délicat. -Domaine d'utilisation de ce type de pompe est limité (déséquilibre dû au cycle double effet) -On ne peut pas utiliser ce type de pompe dans les opérations de carottage dans les phases de forage à faible diamètre, opérations pour lesquelles le débit requis est limité. Pompes triplex Avantages: 1 -Faible poids et encombrement. 2 -Débits très élevé à des pressions relativement faibles, 3 -Débits faibles ou moyens on peut avoir des pressions élevées. 4-Les fuites sont facilement détectées(Les chemises sont apparentes) 5-Absence du presse-étoupe 6- Entretien et surveillance faciles. 7-Les interventions sur la pompe (entretien et réparation) sont rapides et faciles 8 -Utilisation souple Inconvénients : 1-Les chemise et de l'arrière des pistons doivent être refroidies et lubrifiées 2-Mauvais remplissage (sièges et clapets très petits et battements très rapides), le montage d’une pompe centrifuge de suralimentation est indispensable. III.3.12 Amortisseurs de pulsation Le débit instantané d'une pompe alternative est irrégulier, notamment celui des pompes duplex à double effet, ce problème de pression est l’origine des vibrations importantes au niveau de la pompe et sur tout le circuit de refoulement. Afin de minimiser ces anomalies l’installation d’un amortisseur de pulsations (figure III.27) est nécessaire juste à la sortie de refoulement la pompe. L’amortisseur de pulsations est préchargé à l'air ou à l'azote à une pression de 25% de la pression maximale de service. Pendant la phase de refoulement la boue entre à l’intérieur de l’amortisseur sous la membrane et la comprime amortisseur. Suite au travail de compression (lorsque la pression de refoulement augmente) le volume de l'azote diminue et l’azote se détend durant la diminution de la pression, régularisant ainsi le débit et les fluctuations de pression.

52

Figure III.27: Amortisseur de pulsation II.3.13-La tête d'injection La tête d'injection (figure III.28) supporte la garniture de forage, elle assure aussi l’injection de la boue soit à l’arrêt ou en rotation. La tête d’injection se compose de: 1- Suspension -Le corps : sert comme support pour l’arbre d'injection, il est suspendu par une anse au crochet du moufle mobile -Arbre d'injection creux sa partie inférieure est filetée pour assurer le raccordement de la tige d'entraînement. L’arbre d'injection et le corps composent le dispositif qui de suspension de la garniture de forage soit en rotation ou à l'arrêt. 2- Injection L’injection de la boue est assurée par l’intermédiaire d’un tube coudé appelé col de cygne relié au corps. Aussi, un raccord tournant sert comme joint d'étanchéité, cette étanchéité peut être obtenue soit sur l’arbre d’injection. 3-Roulements L’ Durant l’appuie sur la garniture, pour éviter le déplacement de l'arbre d'injection vers le haut. Le corps de la tête est équipé d’un roulement principal à sa partie supérieure. Aussi, pour assurer le guidage de l'arbre d'injection deux roulements latéraux de part et d'autre du roulement principal sont montées sur le corps. 53

Suite à la rotation des pièces mécaniques les unes par rapport aux autres et à l'abrasivité de la boue de forage une usure prématurée peut se produire entre le col de cygne et l'arbre d'injection, pour protéger ces pièces un tube d'usure court (wash pipe) (figure III.29) est vissé à l’extrémité du col de cygne, l'étanchéité est assurée totalement par le joint tournant (presseétoupe) solidaire de l'arbre d'injection.

Anse Tube d’usure Col de cygne Roulements principaux Joints

Roulements de guidage Corps

Arbre d’injection

Figure III.28: Tête d'injection (swivell)

Ecrou

Anneau de retenue des garnitures

Corps du presse étoupe circlips

« O » ring et son logement Bague et garniture

Tube d’usure

Figure III.29 : Tube d’usure [12]

54

III.3.14- Traitement mécanique de la boue Les équipements de traitement mécanique de la boue (figure III.30) font partie intégrante du circuit à basse pression. Ces équipements assurent les opérations suivantes : 

Tamisage et decantation:Eliminer au maximum des solides en suspension dans la boue



Dégazageetbrassage:Dégazer la boue de forage au niveau du séparateur des gaz.



Dessablageetbrassage:Eliminer les particules supérieures à 74 microns.



Désiltage et brassage:Eliminer les particules supérieures à 20 microns



Traitements particuliers et brassage. capacité de séparation de l'ordre 10 microns



La fabrication, le brassage, le stockage et brassage de la boue

Opérations

moyens

Tamisage et decantation

02 Unités tamis vibrant et une sablière 1.5 à 5 m3

Dégazage et brassage

01 dégazeur et une pompe 3 à 5 m3

Dessablage et brassage

Déssiltage et brassage Traitements particuliers des solides et brassage Fabrication, le brassage, le stockage et brassage de la boue

01 unité des cônes 01 pompe 5 à 10 m3 01 unité des cônes 01 pompe 5 à 10 m3 01 Mudcleaner et 01 pompe et / ou une centrifugeuse 5 à 10 m3 Bacs, équipements de mixage

Tableau III.03 :Equipements de traitement mécanique de la boue [12]

55

Equipements de traitements mécaniques spéciaux

Aspiration Réserve

Fabrication

Equipements de traitements mécaniques ordinaires Vers Trip tank

1

Cutting 2

I

II

III

IV

V

VI

IX VII

3

4

5

6

7

Effluent lourd chargé en solides

1-Tamis vibrant, 2-Sablière, 3-Dégazeur et son motopompe, 4-Déssableur et son motopompe, 5- Déssilteur et son motopompe, 6- Centrefugeuse ou Mud-cleaner, 7-pompe mixing et entonnoir, 8-Pompe de forage

VIII

8

I-Bac d’aspiration de boue gazier, II-Bac d’aspiration de déssableur, III-Bac d’aspiration de déssiltuer, IV-Bac d’aspiration de cetrefugeuse ou Mud-Cleaner, V-Bac d’aspiration de centrefugeuse facultatif, VI-Bac d’aspiration principal, VII-Bac de réserve, VIII-Bac de fabrication IX-Bac supplémentaire

Figure III.30 : Equipements de traitement de la boue de forage

56

III.3.14.1- Tamisage Le tamissage est une opération de séparation au maximum des solides en suspension dans la boue de forage afin de soulager les autres équipements de traitement de la boue montées en aval. Pour avoir un débit régulier, la boue sortant de la goulotte avant de passer dans le tamis vibrant passe par un "mud box", le tamis vibrant (figure III.31) possède des toiles rectangulaires plus ou moins inclinées et soumises à des vibrations. Une toile est définie par les dimensions de sa maille (carrée ou rectangulaire), elle est exprimée en mesh, le mesh est le nombre de maille au pouce linéaire. Le débit de forage, le type de la boue,l’avancement de forage et la nature des terrains conditionnent le type de maillage des tamis Décantation : la décantation s’effectue dans un petit bac de 4 à 5 m3 appelé sablière situé audessousdu tamis. Le bac ne comporte pas des éléments de brassage, ni de ligne d'aspiration mais il doit être équipé d'un dispositif de vidange pour l’évacuation des déblais et le nettoyage.

2

3

1

4 9

1. mud box 2. moteur 3. élément vibrant 4. cadre 5. tamis 6 décharge des déblais 7. boue tamisée vers circuit actif 8. bâti 9. amortisseurs

5

8

6 7 Figure III.31. : Tamis vibrant à alimentation arrière III.3.14.2-Dégazage Après l’opération de tamisage et décantation

la boue doit être dégazée au niveau du

séparateur des gaz. Selon l’importance du gaz qui peut exister dans la boue, deux types de séparateurs peuvent être installés.

57

Le Séparateur vertical doit être installé dans le cas de fortes venues, l’opération dégazage de la boue se fait par ruissèlement sur des plateaux ou des chicanes, la boue dégazée sort par le bas du séparateur tandis et les gaz s’échappent de la partie supérieure. Dégazeur horizontal Il est employé dans les venues de gaz faibles (figure III.32), la boue est injectée dans une enceinte à un vide partiel Dégazeur

Système d’agitation Arrivée de la Boue tamisée

Boue gazée Boue faiblement dégazée

Boue faiblement dégazée

Figure III.32 : Dégazeur horizontal III.3.14.3-Hydrocyclonage La boue chargée en solides est injectée tangentiellement dans la partie supérieure du cyclone et par l’effet centrifuge l'effluent lourd chargé en déblais se sépare de la boue épurée et sera éjectés au bourbier passant par le bas du cyclone tandis que la boue épurée et allégée se dirige vers l'axe du corps du cyclone et sort à la partie haute (figure III.33)

58

1 2

3 1. Sortie de la boue dessablée 2. Entrée tangentielle de la boue 3. Diamètre caractéristique du cyclone 4. Sortie des solides. 5. Duse réglable

5 4 Figure 46: Traitement de la boue par l’hydrocyclonage [15] III.3.14.4-Dessableurs (desanders) et Désilteurs (desilters) Dessableurs (figure III.34), cyclones de 8 à 12", une capacité de séparation des particules supérieure à 74 microns. Désilteurs (figure III.35), cyclones de 4", capacité de séparation de l'ordre de 20 microns. Les Clayjectors, cyclones de 2", capacité de séparation de l'ordre 10 microns.

cyclones

Figure III.34:Déssableur [15]

cyclones

Figure III.35: Déssilteur [15]

59

III.3.14.5-Traitements spéciaux de séparation des déblais Le recours aux traitements spéciaux est recommandé dans les cas où le traitement mécanique normal assuré par les équipements le tamis vibrant, le déssableur et le dessilteur n’assure pas un traitement efficace pour les raisons suivantes: 1. La boue trop chargée en déblais 2. La boue doit être maintenue à une densité très faible 3.Vitesse d’avancement de forage très rapide 4. La boue est chère ou polluante. Les opérations de traitement spécial sont assurées par un Mud-cleaner ou/et une centrifugeuses a -Mud-cleaner Le Mud-cleaner (figure III.36) se compose d’un tamis vibrant, une pompe d'alimentation et une batterie de cônes 4" et. Le Mud-cleaner est monté en parallèle sur le circuit normal de la boue, Dans le cas d’une grande perte de boue avec l'effluent lourd au niveau des désilteurs il est fortement recommandé de placer un Mud-cleaner juste à la sortie du désilteur. L’effluent lourd passe à travers un tamis vibrant à toile fine (150 à 200 mesh), les solides sont éliminés au bourbier et la boue épurée sous vibrateurs est remise en circuit Boue traitée par hydrocylonnage Cones 4’’ Boue tamisée et hydrocyclonnée Tamis

Solides évacués

Arrivée déssilteur

Pompe

Boue chargée en solides fins

Boue traitée

Figure III.36) : Mud-cleaner

60

b -Centrifugeuses Les centrifugeuses ont une capacité de traitement meilleure que celle de Mud-cleaner. Deux types de centrifugeuses peuvent être installés au niveau du chantier: Les centrifugeuses semi- continues à axe vertical Elles possèdent un grand taux de récupération de la boue perdue avec les effluents lourds au niveau de dessableurs - désilteurs. Après le traitement de la boue par la centrifugeuse, l’effluent est récupéré dans un petit bac où il se décante et la boue épurée sera remise dans le circuit Avantage : Une excellente capacité de traitement de l’ordre de 10 à 14 m3/heure de boue Inconvénient: La présence d'un opérateur au moins à temps partiel est recommandé afin d’avoir un rendement maximal. Les centrifugeuses continues à axe horizontal. Elles ont une capacité de traitement faible (02 à 05 m3/heure). Avantages: Elles sont montées en parallèle sur le circuit, elles sont plus employées sur chantier que celles à axe vertical car elles fonctionnent en continu et sans surveillance. Inconvénients : Capacité de traitement faible (2 à 5 m3/heure). Maintenance est difficile et coûteuse. Conséquences d’un mauvais traitement de la boue  Modification de caractéristiques physiques de la boue :  La boue devient abrasive.  Sa densité augmente et peut engendrer des problèmes de collage de la garniture par pression différentielle, colmatage des formations productrices en forage et des pertes de circulation.

61

Exercices d’application Exercice 01 En phase 8" ½), on travaille avec une pompe duplex à double effet ayant les caractéristiques suivantes/ P = 150 bars, n = 53 (coups/mn), la course L = 10", le chemisage 6"3/4, le diamètre de la tige 3", le rendement mécanique ηm=0.8 et le rendement des chaines ηch=0.95 Calculer la puissance mécanique à la sortie des moteurs électriques. Calculer la puissance mécanique à la sortie des moteurs électriques

Solution Débit d’une pompe duplex est donné par la relation suivante : Q = 0.0515 n L ( D2 – d2/2 ) (l/mn) n : coups/mn, L : pouces, D en pouces,d en pouces Q =0,0515*53*10*(6,75*6,75 -(3*3)/2)=1121 (l/mn) Puissance hydraulique : Ph= P*Q/450 CV P en bars et Q en (l/mn) Ph=150*1121/450=373.66 CV Puissance mécanique à la sortie des moteurs électriques Pm=Ph/( ηm* ηch) =373.66/(0.8*0.95)=491.66 CV Exercice 02 En phase 8" ½), on travaille avec une pompe triplex à simple effet ayant les caractéristiques suivantes/ Débit réel Qr =1064 l/mn, les différentes pertes du débit représentent 5%, P = 150 bars, la course L = 12", le chemisage 7"1/4, le rendement mécanique ηm=0.8 et le rendement des chaines ηch=0.95 Calculer : Le débit en litres par coup VT, la puissance mécanique à la sortie des moteurs électriques et la puissance mécanique à l’entrée de l’arbre grande vitesse Solution Le débit réel= théorique - 0.05 débit théorique=0.95 théorique Le débit théorique= le débit réel/0.95= 1064/0.95= 1120 (l/mn) Puissance hydraulique : Ph= P*Q/450 CV

P en bars et Q en (l/mn) 62

Ph=150*1120/450=373.33 CV Débit d’une pompe triplex à simple effet est donné par la relation suivante : Q = 0.0386 n L D2 (l/mn) n : coups/mn, L : pouces, D en pouces, d en pouces n=1120/(0.0386*12*7.25*7.25)= 46 coup/mn Le débit en litres par coup VT VT=Q/n=1120/46 = 23.35 (l/coup) Puissance mécanique à la sortie des moteurs électriques Pm=Ph/( ηm* ηch) =373.33/(0.8*0.95)=491.22 CV Puissance mécanique à l’entrée de l’arbre grande vitesse 373.33/0.8=466.66 CV Exercice 03 En phase 8''½, on utilise un outil de forage dusés et une boue de densité d= 1.25 Vous avez les données suivantes : Vitesse de la boue à la sortie des duses : V=130 m/s Débit de circulation Q= 1400 l/mn Calculer les paramètres suivants : Nombre des duses, diamètre des duses et la puissance hydraulique sur le front de taille :Pshi Solution La vitesse aux duses est donnée par la relation suivante V= Q/(38.71*A) Avec V = vitesse en m/s Q = débit en litres/min A = surface totale des duses ou TFA A = surface totale normalisée des duses A= Q/(38.71*V)= 1400/(38.71*130)= 0.2784 pouces2 A partir du tableau III.02: Section de passage en fonction de dimension et nombre des duses on déduit que : Nombre des duses : 03 duses Diamètre des duses 11/32 pouces Pertes de charge au niveau de l'outil est calculée par :

Pco 

d .Q 2 2959.41.C 2 A2 63

avec : P CO = perte de charge à l'outil en kPa d = masse volumique de la boue en kg/litre Q = débit de la boue en litres/min A = surface totale des orifices des duses en pouce carré (in2) C = Coefficient d'orifice : C= 0.80 pour outil sans jet C = 0.95 pour outil à jets L’outil est dusé C=0.95 Pco= 1.25*1400*1400/(2959.41*0.95*0.95*0.2784*0.2784)=11835 KPascal La puissance hydraulique sur le front de taille est de : Ph(HSI) = Pco.Q / (35140.D2 ) Avec : Ph(HSI) : puissance hydraulique sur le front de taille en HP/pouces2 PCO = perte de charge à l'outil en kPa, Q = débit en litres/min D : diamètre du trou (la phase) en pouce Ph(HSI) = 11835*1400/(35140*8.5*8.5) = 6.52 hp/pouces2 Exercice 04 En phase 12''¼, on utilise un outil PDC à 5 duses On donne les paramètres de forage suivants : Densité de boue d= 1.40. Vitesse de remontée des déblais de 40 m/min dans l’espace annulaire trou – tiges Puissance hydraulique sur le front de taille est de 4 hp / in2. La capacité de l’espace annulaire trou–tiges égale à 62.7 l/m. 1-Calculer l'aire totale des duses dans l'outil 2-calculer la perte de charge au niveau de l’outil. Solution : Q= 40 x 62.7= 2508 l/mn Pco = d. Q2/ (2959,41.C2.A2 ) Ph(HSI) = Pco.Q / (35140.D2 ) Pco = d Q2/ (2959,41.C2.A2 ) Ph(HSI) = Pco.Q / (35140.D2 ) Pco= Ph x 35140x (12.25)2 / 2508 = 8410 Kpas A2 = 1.40 x (2508)2/ 8410 x (0.95)2 x 2959.41= A = 0.626 pouce2 64

A partir du tableau 01 l’aire normalisée est égale à: 0.648 pouce2 Exercice 05 Dans la phase 8’’½ à une profondeur de 2300 m. avec une boue de masse volumique 1150 kg/m3 et une viscosité plastique μp = 22 cP, le débit de forage est Q = 1500 litres/ mn. Données: Installation de surface : cas 3. La garniture de forage est constituée de: Masses-tiges 6’’3/4 x 2’’ 13/16 de longueur totale 170 m Tiges de forage 5’’ -19.50-E- NC50(diamètre extérieur des Tools-joints 6’’1/2) de longueur totale 2130 m (Di des tiges 3’’3/4) L’outil est équipé d’une combinaison des duses: 11/11/12

Solution : A partir des tableaux (formulaire du foreur) Page 71 Tableau II.01 : Le coefficient B = 2.08 Les coefficients de perte de charge Ni sont comme suit: Page 72 Tableau II.02: dans les installations de surface N1 = 95 Page 73 Tableau II.03: à l’intérieur des tiges en KPa/100 m N2 =57 Page 75 Tableau II.05: à l’intérieur des masses-tiges en KPa/100 m des tiges en KPa/100 m N3 =404 Page 79 Tableau II.9: espace annulaire trou/masses-tiges en KPa/100 m N4 = 102 Page 81Tableau II.11: espace annulaire trou /tiges en KPa/100 m N5 = 19 Page 77 Tableau II.7: pertes de charge aux duses( KPa) pour d= 1 kg/litre Pd = 9611 KPa Ptotale: Pression de refoulement des pompes à boue est égale à: Ptotale = (N1+ 21.3.N2+ 1.7.N3+ 1.7.N4+ 21.3.N5).B+ Pd.d en KPa Ptotale= (95 + 21.3 x57 + 1.7 x 404 + 1.7 x 102 + 21.3 x 19).2.08 + 9611 x 1.15 =16 407 KPa Exercice 06 Dans la fin de la phase 12’’1/4, avec un débit de 2500 l/mn, une boue de viscosité plastique μp = 24 cP et le coefficient B = d0.8 . μp0.2 = 1.96, sachant que : La vitesse de remontée des déblais de 35.2 (m/min) dans l’espace annulaire trou – tiges La puissance hydraulique que devra fournir les pompes à boue est égale à 1081.45 CV La puissance hydraulique sur le front de taille est de 4 hp / in2. Données: 65

Installation de surface: flexible d’injection 3 ‘’ à 55’’, tige d’entrainement 4 ‘’ à 40’’.( case 4,) La garniture de forage est constituée de: Masses-tiges 9’’1/2 x 2’’ 13/16 Tiges de forage 5’’-19.50-E- NC50 (diamètre extérieur des Tools-joints 6’’1/2) (Di des tiges 3’’3/4) longueur totale 2300 m 1 -Calculer la profondeur totale de forage. Solution 1 -Calcul de la perte de charge aux dusesPco Ph(HSI) = Pco.Q / (35140.D2 ) Ph(HSI): puissance hydraulique sur le front de taille en HP/pouces2 PCO : perte de charge à l'outil en kPa Q : débit en litres//min D : diamètre du trou de la phase en pouce Pco= 35140.Ph(HSI).D2 / Q Pd.d = Pco = 4 x 35140 x (12.25)2 / 2500 = 8437.11 Kpas 2 -Calcul de la pression de refoulement totale que devra fournir les pompes à boue : PH = Pr.Q/450 CV PH: puissance hydraulique que devra fournir les pompes à boue Pr : pression de refoulement en kgf/cm2, Q : débit en litres/mn Pr=PH x.450/Q

1081.45 x.450/2500= 194.66 kgf/cm2 = 19466 kPascal

3 -Calcul de la longueur totale des masses tiges A partir des tableaux (formulaire du foreur) Page 71 Tableau II.01 : B = 1.96, La densité d = 1.05 Les coefficients de perte de charge Ni sont comme suit: Page 72 Tableau II.02: dans les installations de surface : cas 4, N1 = 187 Page 74 Tableau II.04: à l’intérieur des tiges en KPa/100 m N2 =144 Page 76 Tableau II.6 : à l’intérieur des masses-tiges en KPa/100 m N3 =1013 Page 80 Tableau II.10 : espace annulaire trou/masses-tiges en KPa/100 m (débit 2500 l/mn et diamètre extérieur masse tige 9’’ ½) N4 = 35 Page 82 Tableau II.12 : espace annulaire trou /tiges en KPa/100 m (débit 2500 l/mn et diamètre extérieur de tige 5’’ ) N5 = 3 Pression de refoulement Pr = Ptotale Ptotale: Pression de refoulement des pompes à boue est égale à: Ptotale = (N1+ 23.N2+ L3.N3+ L3.N4+ 23.N5).B+ Pd.d en KPa 66

Ldc : longueur totale des masses tiges= 100L3 Ptotale = (187+ 23 x 144+ L3 x 1013 + L3 x 35 + 23 x 3).1.96 + 8437.11= 19466 en KPa 19466 - 8437.11- 1.96.(187+23 x 144 +23 x3) = (1013 + 35).L3 4035.61=1048 L3 , L3 = 3.86 m Longueur totale des masses tiges Ldc = 100.L3 = 386 m 4 -Calcul de La profondeur totale LT La profondeur totale= Longueur totale des masses tiges Ldc + Longueur totale des tiges Ldp = LT = 2300 + 386= 2686 m Exercice 07 En phase 12'' ¼, on utilise un outil PDC à 3 duses On donne les paramètres de forage suivants : Densité de boue d= 1.2. La puissance hydraulique 1081 HP Pression de refoulement que devra fournir les pompes à boue= 19458 kPascal Vitesse de remontée des déblais de 40 m/min trou – tiges masses tiges Puissance hydraulique sur le front de taille est de 4 hp / in2. Le volume total trou-masses tiges VT = 11875 l Calculer l'aire totale des duses et la longueur totale des masses tiges Ldc Solution 1 -Calcul de début Q=PH x.450/ Pr

Pr : pression de refoulement en kgf/cm2, Q : débit en litres/mn

1081 x.450/194.58 = Q= 2500 l/mn 2 -Calcul l'aire totale des duses (A) Calcul de la perte de charge aux duses Pco Ph(HSI) = Pco.Q / (35140.D2 ) Ph(HSI): puissance hydraulique sur le front de taille en HP/pouces2 PCO : perte de charge à l'outil en kPa Q : débit en litres//min D : diamètre du trou de la phase en pouce Pco= 35140.Ph(HSI).D2 / Q Pco = 4 x 35140 x (12.25)2 / 2500 = 8437.11 Kpas Pco = d. Q2/ (2959,41.C2.A2 ) A2 = = d. Q2/ (2959,41. Pco .C2) A2 = 1.20 x (2500)2/ (2959.41 x 8437.11 x 0.952) = 0.3328 67

L’aire totale calculée :

A = 0.5769 pouce2

L’aire normalisée (à partir du tableau) = 0.589 pouce2 Volume unitaire trou-masses tiges Vitesse de remontée des déblais trou-masses tiges Vr= 40 m/min VU=Q/ Vr , 2500/40= 62.5 l/m Longueur totale des masses tiges Ldc = VT/ Vr = 11875/62.5=190 m Exercice :08 En phase 12'' ¼, on utilise un outil PDC à 3 duses On donne les paramètres de forage suivants : Densité de boue d= 1.2. La pression de refoulement que devra fournir les pompes à boue= 19466 kPascal Vitesse de remontée des déblais de 40 m/min dans l’espace annulaire trou – tiges Puissance hydraulique sur le front de taille est de 4 hp / in2. La puissance hydraulique que devra fournir les pompes à boue est égale à 1081.45 CV Longueur totale des masses tiges Ldc = 189 m 1 -Calculer l'aire totale des duses dans l'outil 2 -Calculer le volume total de l’espace annulaire trou/ masses-tiges Solution 1 -Calcul de la pression de refoulement totale que devra fournir les pompes à boue : PH = Pr.Q/450 CV PH: puissance hydraulique que devra fournir les pompes à boue Pr : pression de refoulement en kgf/cm2, Q : débit en litres/mn Q=PH x.450/ Pr

1081.45 x.450/194.66 = Q= 2500 l/mn

2 -Calcul l'aire totale des duses (A) Calcul de la perte de charge aux duses Pco Ph(HSI) = Pco.Q / (35140.D2 ) Ph(HSI): puissance hydraulique sur le front de taille en HP/pouces2 PCO : perte de charge à l'outil en kPa Q : débit en litres//min D : diamètre du trou de la phase en pouce Pco= 35140.Ph(HSI).D2 / Q Pco = 4 x 35140 x (12.25)2 / 2500 = 8437.11 Kpas Pco = d. Q2/ (2959,41.C2.A2 ) 68

A2 = = d. Q2/ (2959,41. Pco .C2) A2 = 1.20 x (2500)2/ (2959.41 x 8437.11 x 0.952) = 0.3328 L’aire totale calculée :A = 0.5769 pouce2 L’aire normalisée (à partir du tableau) = 0.589 pouce2 3 -Calcul du volume total de l’espace annulaire trou masses tige La capacité de l’espace annulaire trou/masses-tiges Vu= Q/Vr Vu : capacité de l’espace annulaire trou/masses-tiges en litre/m Q = débit en litres/mn Vr : Vitesse de remontée des déblais dans l’espace annulaire trou/masses-tiges en m/mn Vu=2500/40= 62.5 l/m Volume total de l’espace annulaire trou masses- tiges Va(trou-DC) = Vu x Ldc= 62.5 x 189 = 11812.5 litres = 11.8 m3 Exercice 09 Dans la phase 12’’1/4à une profondeur de 2500 m. avec une boue de viscosité plastique μp = 24 cP et le coefficient B = d0.8 . μp0.2 = 1.96, le débit de forage est Q = 2500 litres/ mn. Données: Installation de surface : flexible d’injection 3 ‘’ à 55’’, tige d’entrainement 4 ‘’ à 40’’. (case 4, N1=74) La garniture de forage est constituée de: Masses-tiges 9’’1/2 x 2’’ 13/16 de longueur totale 200 m Tiges de forage 5’’-19.50-E- NC50 (diamètre extérieur des Tools-joints 6’’1/2) (Di des tiges 3’’3/4) L’outil est équipé d’une combinaison des duses: 12/13/13 Vitesse de remontée des déblais de 40 m/min dans l’espace annulaire trou – tiges Calculer la pression totale que devra fournir les pompes à boue. La puissance hydraulique sur le front de taille est de Calculer le volume total de l’espace annulaire trou/ masses-tiges Solution A partir des tableaux (formulaire du foreur) Page 71 Tableau II.01 : B = 1.96, La densité d = 1.05 Les coefficients de perte de charge Ni sont comme suit: Page 72 Tableau II.02: dans les installations de surface : cas 4, N1 = 187 69

Page 74 Tableau II.04 : à l’intérieur des tiges en KPa/100 m N2 =144 Page 76 Tableau II.6 : l’intérieur des masses-tiges en KPa/100 m N3 =1013 Page 80 Tableau II.10 : espace annulaire trou/masses-tiges en KPa/100 m N4 = 35 Page 82 Tableau II.12 : espace annulaire trou /tiges en KPa/100 m N5 = 3 Page 78 Tableau II.08 : pertes de charge aux duses ( KPa) pour d= 1 kg/litre Pd = 17122 KPa Ptotale = (N1+ 20.N2+ 2.N3+ 2.N4+ 20.N5).B+ Pd.d en KPa Ptotale = (187+ 20 x 144+ 2 x 1013+ 2 x 35 + 20 x 3).1.96+ 17122 x 1.05 en KPa Ptotale = 28215.18 Kpa = 282 bars Pco= d.Pd=1.05 x 17122=17978 KPas La puissance hydraulique sur le front de taille est de Ph(HSI) = Pco.Q / (35140.D2 ) Avec : Ph(HSI) : puissance hydraulique sur le front de taille en HP/pouces2 PCO = perte de charge à l'outil en kPa Q = débit en litres//min D : diamètre du trou(la phase) en pouce Ph(HSI) = 17978 x 2500 / (35140 x 12.252 ) = 8.52 HP/pouces2 Calcul du volume total de l’espace annulaire trou masses tige La capacité de l’espace annulaire trou/masses-tiges Vu= Q/Vr Vu : capacité de l’espace annulaire trou/masses-tiges en litre/m Vr : Vitesse de remontée des déblais dans l’espace annulaire trou/masses-tiges en m/mn Vu=2500/40= 62.5 l/m Volume total de l’espace annulaire trou masses- tiges Va(trou-DC) = Vu x Ldc= 62.5 x 200 = 13888 litres = 14.888 m3 Les tableaux suivants relatifs au calcul pratique des pertes de charge pour des longueurs de 100 m sont extraits du formulaire du foreur [12] et [16].

70

Tableau II.01 : Coefficient de correction relatif à la boue en circulation B:

71

Tableau II.02

72

Tableau II.03

73

Tableau II.04

74

Tableau II.05

75

Tableau II.6

76

Tableau II.7

77

Tableau II.8

78

Tableau II.9

79

Tableau II.10

80

Tableau II.11

81

Tableau II.12

82

III.4 –Puissance installée 1- La force motrice: La force motrice sur un appareil de forage assure les trois fonctions principales (levage, rotation, Pompage) et

les fonctions auxiliaires (équipements de traitement de la boue,

éclairage et autres) 2- Les appareils selon le type de source d'énergie 

Les appareils à transmission mécanique



Les appareils diesels électriques

2.1 Les appareils à transmission mécanique On utilise des moteurs thermiques (moteurs diesel) pour fournir la force motrice

afin

d'assurer les trois fonctions principales, les moteurs sont couplés les uns aux autres et reliés au treuil par l'intermédiaire des organes de transmission (chaînes ,cardans et autres types de transmission) 2.2 Les appareils diesel électrique Les moteurs électriques de trois fonctions principales fonctionnent en courant continu A- Moteurs avec génératrices: la force motrice est constituée d'un ensemble de génératrices entraînées par des moteurs thermique (EMD), le courant produit est continu B- Moteurs avec Alternateurs: la force motrice est constituée d'un ensemble des alternateurs entraînés par des moteurs thermique, les alternateurs produisent un courant alternatif, une partie de l’énergie produite sera redressée en énergie continue pour alimenter les moteurs à courant continu (figure III.37). L'ensemble des moteurs thermiques (Diesel) et alternateurs sont gérés par un système s'appelle SCR (figure III.38)

Figure III.37: Moteur d'entraînement à courant contenu

83

Avantages des appareils diesels électriques  Bon rendement, de l'ordre de 85%,  Bruit et vibrations réduits ainsi que l'élimination des fumées d'échappement sur le lieu de travail (les moteurs diesel et les générateurs dans une salle des machines éloignée du plancher)  Possibilité d’obtenir la caractéristique couple – vitesse adaptée à chaque machine de forage,  Puissance les moteurs électriques élevée par unité de masse, donc une réduction de poids et d'encombrement,  Moins de problème d’alignement,  Déconnection et connexion rapides,  Transport d'énergie facile (par câbles de 1000 V).  Se prête aux techniques d'automatisation. SCR: Redresseur commandé au silicium ou thyristor  Redresseur à silicium convertit le courant alternatif en continu, le redresseur bloque la partie négative du courant alternatif.  La conversion peut se faire de 0% à 100 % suivant le besoin exprimé par le chantier de forage, le système SCR fonctionne avec un nombre quelconque d'alternateurs, la commande de tension et de fréquence est individuelle.  Les alternateurs travaillent en parallèle et la répartition de la charge se fait par une régulation électronique, l'alternateur de gauche joue le rôle du pilote.  Les quatre alternateurs sont reliés à un jeu de barre; la quantité du courant alternative livrée au niveau du jeu de barre se convertit en contenu par le pont thyristor P •

Avantage du SCR

 La conversion peut se faire de 0% à 100 % suivant le besoin  Utilisation de moins de moteurs et génératrice  La perte d'un moteur n'affecte pas le bon fonctionnement des fonctions forage  La puissance totale disponible en CV peut être attribuée à une fonction ou repartie entre les différentes fonctions  Alternateurs sans balais ce qui facilite leur entretien  Absence d'une station auxiliaire

84

Moteur thermique

Moteur thermique

Alternateur

Alternateur

Moteur thermique

Alternateur Jeu de barre CA

Pont à thyristor

Pont à thyristor Jeu de barre CC

Jeu de barre CC

Moteur Electrique CC pour machines de fonction principale

Moteur Electrique CC pour machines de fonction principale

Pont à thyristor Jeu de barre CC Moteur Electrique CC pour machines de fonction principale

Moteurs Electriques CA pour machines fonctions auxiliaires

Figure III.38 : Système SCR d’un appareil de forage Diesel électrique

85

Chapitre IV

Garniture de forage

La garniture de forage (Drill stem, Drill string) (figure IV.01) est un arbre creux qui assure les fonctions suivantes : 1. Mettre le poids sur l’outil 2. Transmission du mouvement de rotation à l’outil 3. Apporter l’énergie hydraulique nécessaire à l'évacuation des déblais 4. Guider et contrôler la trajectoire de l’outil

IV.01 : Garniture de forage [4] et [12] 86

La garniture de forage est se compose de : 1. Tige d'entraînement ( Kelly) 2. Tiges de forage (Drill pipe) 3. Tiges lourdes (Heavy weight drill pipe) 4. Masses tiges (Drill collar) Aussi, la garniture de forage comporte les équipements auxiliaires suivants: Raccords de filetage Stabilisateurs incorporés entre les masses tige. Equipements (Upper et Lower Kelly-cock, float valve, etc.…) permettent de fermer l'intérieur de la garniture en cas de venue (en cours de manœuvre) IV.1. Tige de forage Les tiges de forage (figure IV.02) sont fabriquées à partir des tubes d'acier au carbone étirés sans soudure avec des extrémités refoulée et matricées en trois types (figure IV.03) :  Internal upset(IU) des surépaisseurs sur l’intérieur du tube  External upset (EU) des surépaisseurs sur l’extérieur du tube  Internal et external upset (IEU) des surépaisseurs sur l’intérieur et l’extérieur du tube. Ces surépaisseurs sont utilisées pour fixer les tool-joints ou les raccords par soudure pour permettre le vissage des tiges de forage les unes aux autres

Figure IV.02 : Tige de forage [12]

87

Figure IV.03 : Upset des tiges de forage [12] IV.1.2-Caractéristiques des tiges de forage a -Le diamètre nominal : C’est le diamètre extérieur du corps de la tige, exprimé en pouces. Les diamètres normalisés sont : 2 3/8’’, 2 7/8’’, 3 ½’’, 4’’, 4 ½’’, 5’’, 5 ½’’ Les tiges les plus utilisées pour le forage pétrolier sont 3 ½’’ et 5’’, elles sont souvent utilisées pour forer la plupart des programmes du puits. b- Le grade : Le grade indique la qualité de l'acier et donne la résistance à la traction et à la torsion. La contrainte maximale admissible (la limite élastique) est le rapport de la traction maximale sur la section du corps de la tige. Les grades d'acier normalisés par l’API sont : E75 - X95 - G105 - S135 Tableau IV.1 : les grades d'acier normalisés par l’API [4] Grade E X-95 G-105 S-135

Limite élastique Minimale psi ou (MPa) Maximale psi ou (MPa) 75 000 (517) 105 000 (724) 95 000 (655) 125 000 (862) 105 000 (724) 135 000 (931) 135 000 (931) 165 000 (1 138)

Charge de rupture Minimale psi ou (MPa) 100 000 (690) 105 000 (724) 115 000 (793) 145 000 (1 000)

Le grade standard appliqué au forage est le grade E, si la résistance mécanique des tiges de grade E est insuffisante, on doit passer aux grades supérieurs.(X, G ou S) c-La gamme : Exprime la longueur des tiges. 88

Gamme 1 (Range 1): 5,50 m à 6,70 m (18' à 22') Gamme 2 (Range 2): 8,25 m à 9,15 m (27' à 30') Gamme 3 (Range 3): 11,60 m à 13,70 m (38' à 45') Range 2 est plus utilisé en forage, les tiges sont gerbées en triple sur les appareils lourds et en simple sur les appareils légers. Les tiges sont raccordées entre elles par des tool-joints, les tool-joints modernes sont soudés par friction sur les upset des tubes. Les raccords (tool-joints) ont une limite élastique de 120 000 psi quel que soit la nuance des tiges assemblées d -Classes des tiges. Après un certain temps d’utilisation les tiges de forage s’usent par friction contre les parois du puits, les tool-joints femelles vont perdre de l’épaisseur et aussi le corps des tiges, les résistances mécaniques des tiges diminuent en fonction de la diminution de leurs sections critiques. Alors, les tiges de forage usagées sont classées selon leur degré d'usure, donc la diminution de sa section va entraîner une réduction de ses caractéristiques mécaniques. Selon les normes adaptées par l'API les tiges de forages sont classées comme suit : Classe I : Les tiges de classe I sont des tiges neuves et ne présentent aucune trace d’usure et elles sont marquées d’une bande blanche. Classe supérieure (premium) : Les tiges de classe supérieure (premium) sont marquées de deux bandes blanches et elles sont caractérisées par :  Réduction uniforme de l'épaisseur de 20%,  Réduction excentrique de l'épaisseur de 20%,  La section critique doit se calculer en fonction de la réduction uniforme de l'épaisseur de 20%. Classe II : Les tiges de classe II sont marquées d’une bande jaune et elles sont caractérisées par :  Réduction uniforme de l'épaisseur de 20%,  Réduction excentrique de l'épaisseur de 35%,  La section critique doit se calculer en fonction de la réduction uniforme de l'épaisseur de 20%. Classe III Les tiges de classe III sont marquées d’une bande orange et elles sont caractérisées par :  Réduction uniforme de l'épaisseur de 37.5%, 89

 Réduction excentrique de l'épaisseur de 45%,  La section critique doit se calculer en fonction de la réduction uniforme de l'épaisseur de 37.5%. Classe IV : Les tiges de classe IV sont marquées d’une bande verte et elles possèdent un degré d’usure supérieur à celui de la classe III Les tiges rebutées : Les tiges rebutées comme les tiges fissurées doivent être marquées d'une bande rouge. Il y a lieu de signaler que les sociétés pétrolières contrôlent ses garnitures après chaque usage et doivent se conformer aux normes API relatives aux classes d’usure de ses tiges Tableau IV.2 : La perte d’épaisseurs et diminution des résistances [4] mécaniques Type de contrainte Caractéristique des tiges Classe I Classe Premium Résistance en tension 103daN Résistance en torsion daN.m Pression d’éclatement MPa

3 ½’’-13.30 Grade E 5- 19.50 Grade E 3 ½’’-13.30 Grade E 5- 19.50 Grade E 3 ½’’-13.30 Grade E 5- 19.50 Grade E

120.8 176 2520 5580 95.1 65.5

Classe II 81.6 120.3 1680 3790 76.1 52.4

94.4 138.6 1950 4380 87 59.9

3 ½’’ -13.30 Grade E : 3 ½’’ diamètre extérieur de la tige, Grade E c’est la nuance du métal, 13.30 lbs/ft: la masse linéique. 1 m = 3.28 feet et 1 lbs = 0.4536 kg Les tiges les plus utilisées pour le forage pétrolier sont 3 ½’’ et 5’’, elles permettent de forer la plupart des programmes jusqu’à la phase de forage 8 ½’’ Longueur maximale des tiges de forage Te x 0.90 = (Ldp x pdp + Ldc. Pdc).k

IV.01

Te : Tension à la limite élastique minorée de 10% Ldp : Longueur des tiges de forage Ldc : Longueur des masses tiges pdp : poids linéaire des tiges Pd c : poids linéaire des masses tiges K : facteur de flottabilité facteur de flottabilité: K=(7.85 - d)/7.85,

7.85 = densité de l'acier, d=densité de la boue

Longueur maximale tiges= Ldp

=

(Te x 0.90 - Ldc. Pdck)/ k. pdp

IV.02 90

La réserve de sécurité de la traction est donnée par Te x 0.90 - (Ldp x pdp + Ldc. Pdc).k = M

IV.03

Le coefficient de sécurité (Cs) recommandé par l’API est de 1,10. Aussi, l’API recommande une réserve de traction minimale (M) en général de 30 à 50 tonnes Si la longueur maximale de la garniture ne permet pas d'atteindre la profondeur fixée avec la même réserve de traction, pour la poursuite de l’opération de forage on doit passer au grade supérieur soit : Faire descendre une garniture simple des tiges de grade X,G ou S, ou bien de faire descendre une garniture mixte Dans le cas de garniture mixte, il faut ajouter en tête de la même garniture, des tiges de poids nominal ou de grade supérieur, on cherche alors la longueur maximale des nouvelles tiges en fonction de la même réserve de traction fixée. La longueur du nouveau tronçon est alors donnée par : (Te2 - Te1 ) x 0.90 / k. pdp2= Ld2

IV04

Te1 : Tension à la limite élastique du tronçon inférieur (t) minorée de 10% Te2 : Tension à la limite élastique du tronçon supérieur (t) minorée de 10% Ld2 : longueur du tronçon supérieur (m) pdp : poids linéaire du tronçon supérieur des tiges IV.2 -Tool-joints (Raccords des tiges) Les tool-joints sont utilisés pour assemblage des tiges, l’assemblage des tiges par les tooljoints se fait par vissage ou soudage ou bien les deux procédés à la fois. Les tool-joints sont définis par leur diamètre extérieur et leur diamètre nominal de leur filetage. Ils sont parfois rechargés extérieurement pour les protéger contre l’usure

Tool-joint male

Tool-joint femelle

Figure IV.04 : Tool-joints [12]

91

Il existe plusieurs types de tool-joints à savoir : Tool-joints regular (Reg): Ce type de tool-joints se monte en général sur des tiges IU (ou IEU pour les dimensions les plus élevées), ils ne donnent pas la possibilité de passage de certains instruments, ils ne se pratiquent pas actuellement pour les tiges mais Ils ont été conservés pour les masse tiges ou les outils de forage Full Hole (FH) : Ce type de tool-joints se montent en général sur des tiges IU (ou IEU pour les dimensions les plus élevées), ils ont été pratiquement disparus pour les tiges depuis l'apparition des tool-joints internal flush (IF), mais ils ont été conservés pour les masse tiges et les outils de forage. Internal Flush (IF) : Les tool-joints Internal Flush sont plus utilisé actuellement, il se montent sur des tiges EU (ou IEU pour les dimensions les plus élevées) Tool-joint API à connexion numérotée (API numbered rotary shouldered connections) : Ce filetage est utilisé pour les tool-joints et les masse tiges. Ils ont été recommandés par l’API pour remplacer graduellement les autres types de filetages. IV.3-Les tiges lourdes (Heavy weight drill pipe): Les tiges lourdes sont moins flexibles que les tiges normales et plus flexibles que les massetiges, les tiges lourdes sont utilisées pour le forage des puits verticaux afin d’obtenir un gradient de rigidité intermédiaire entre celui des masse-tiges et des tiges. Puisque on a affaire dans cette situation à une variation de section causant l'apparition des contraintes élevées. Généralement une, deux ou trois longueurs de tiges lourdes pourront être utilisées, entre les masses-tiges et les tiges en fonction de la difficulté rencontrée en cours de forage. Aussi, en forage dirigé, les tiges lourdes sont utilisées soit au sommet des masse-tiges, soit parfois en remplacement des masses tiges pour obtenir une flexibilité suffisante pour que l'outil continue dans l’orientation fixée pour amorcer la déviation. IV.4 -Masse-tiges Rôles : Les masse-tiges appliquent un poids suffisant sur l’outil de forage, ce poids ne dépassant en aucun cas 80% de leur poids propre dans la boue. Aussi, les masse-tiges sont plus rigides que les tiges lourdes et permettent aux tiges de forage de ne travaillent pas en compression, elles, elles sont caractérisées par : 

Diamètres extérieur et intérieur,



Pertes de charge



Rigidité et résistance au flambage



Type de connexion filetée (Reg - FH - IF - NC) ; 92



Profil : lisse, spiralé ou carré.

4.1-Dimensionnement Le dimensionnement des masses-tiges exige les conditions suivantes : 

Choisir le petit diamètre intérieur de façon à augmenter la résistance de la connexion

filetée et d’obtenir une masse tige plus lourde possible 

Le diamètre interne choisi doit permettre le passage des outils de mesure et permet

d’avoir des pertes de charge réduites. Tableau IV.3 : Dimensions standards des masses-tiges habituellement utilisées

Diamètre extérieur (pouce)

Diamètre intérieur (pouce)

Masse linéaire

11 ¼’’

3’’

467.6

9.144

4276

9 ½’’

3

323.2

9.144

2955

de 24’’ à 12 ¼’’

8’’

2 13/16’’

223.1

9.144

2040

9 7/8’’

7 ¾’’

2 13/16’’

207.4

9.144

1896

9 7/

6 ¾’’

2 13/16

149.8

9.144

1370

de 8 ¾’’ à 8 ½’’

4 ¾’’

2 ¼’’

69.6

9.144

636

de 6 ¾’’ à 6’’

Kg/m

Longueur Masse totale (m) kg

Diamètre de forage (pouce)

4.2-Désignation d’une masse-tige On désigne une masse tige par des chiffres et des lettres : NC : Numbered Connexion suivie par deux ou trois chiffres, le premier chiffre donne le numéro de la connexion NC, le deuxième chiffre indique le un dixième (1/10) de diamètre extérieur en pouce. Exemple : NC 26-35 (2 3/8’’ IF) NC signifie : Numbered Connexion 26 : numéro de la connexion 35 signifie 3"1/2 de diamètre extérieur filetée NC 26

93

4.3 -Filetages Les filetages généralement utilisés pour les masse-tiges sont coniques, ce type de filetage assure : 

Meilleure étanchéité



Grande résistance,



Grande rapidité de vissage ou de dévissage

Les filetages les plus utilisés sont : Internal Flush (IF), Regular (Reg), Full Hole (FH). 4.4 -Profil des masse-tiges 1- Masses-tiges lisses La forme de masse-tiges la plus simple, elles sont lisses sur toute leur longueur Ces masse-tiges nécessitent le vissage de la tête de levage pour les manipulées et l’utilisation des colliers de sécurité pour les descendre sur la table de rotation par l’intermédiaire des cales. Deux retreints sont usinés sur les masses tiges lisses dans la partie supérieure pour permettre l’utilisation de la cale et l’élévateur sans collier de sécurité.

Retreints pour élévateurs

Retreints pour la cale

Figure IV.5 : Masses-tiges lisses [12] Masse tiges spiralées On utilise des masses-tiges spiralées afin de diminuer le risque de coincement par la pression différentielle. Masse tiges carrées Les masses tiges carrées ont une très grande rigidité et un très bon guidage dans le trou avec un jeu entre le trou et les coins 1/32" seulement.

94

Les angles sont rechargés par un composite carbure-diamant pour éviter leur usure lors de traversé des terrains abrasifs. On utilise uniquement une seule masse-tige carrée dans un trou, elle doit être placée au-dessus d'un aléseur qui doit se fixer directement sur l'outil. L’utilisation d’un aléseur est indispensable afin d’éviter le coincement de la garniture compte tenu du faible jeu entre la masse-tige carrée et le trou 5 -Les stabilisateurs Dans le souci de contrôler la trajectoire de l’outil, de limiter et garder la déviation dans les valeurs admissibles pour atteindre la cible, on doit introduire dans la garniture de forage des stabilisateurs au niveau des masse-tiges, leurs formes et leurs caractéristiques mécaniques sont variées en fonction des terrains traversées. 6- Les outils de forage L’outil de forage ou le trépan est la pièce la plus important dans le train de sonde, il est le premier élément à s’attaquer aux terrains. Les outils se distinguent par le mode de destruction des roches Le choix de l’outil est un facteur important pour un avancement optimum du forage, il est important de lui appliquer les paramètres de forage adéquats pour avoir une meilleure vitesse d’avancement. On dit qu’un outil est rentable si le prix de revient du mètre foré est minimal. P = [P + P (T + T ) ]/ M m

o

H

m

f

IV.05

P : Prix de revient du mètre foré m

P : Prix de l’outil o

P : Prix horaire de l’appareil de forage H

T : temps de manœuvre m

T : Temps de forage f

M: Métrage réalisé 6.1-Paramètres de forage Les paramètres de forage sont les différents facteurs qui conditionnent la vitesse d'avancement d'un outil de forage. Ils sont deux groupes : Paramètres mécaniques : Type de l'outil,. Poids sur l'outil, 95

Vitesse de rotation. Paramètres hydrauliques : Le débit, La pression, La nature du fluide de forage et ses caractéristiques (densité,

viscosité et filtrat).

6.3-Les outils à molettes Ils sont trois types: Outils à molettes bi-cônes, utilisés actuellement dans les déviations par pression. Outils à molettes tricônes (figure IV.06), utilisés actuellement souvent dans les forages. Outils à molettes quadri-cônes, ils sont disparus.

Figure IV.06 :Outil tricone [12]

Figure IV.07 :Molette

Un tricône (figure 33) se compose de 03 éléments principaux : a -Le corps de l’outil : il est formé de 03 bras usinés avec les tourillons et subissent après l’usinage un traitement thermique, les trois bras sont assemblés par soudure b -Roulements (tourillons, billes et galets) : sur ces roulements sont montées les molettes. c - Les molettes (cônes) (figure IV.07), elles sont usinées et subissent un traitement thermique, elles sont montées sur des arbres de roulement. Les molettes d'un outil n’ont pas la même conception, la molette n°1 est pointée se trouve au centre, les molettes n° 2 et 3 ont la même conception. Les dents Les dents 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 à paliers de friction (figure IV.08) ont une durée de vie plus longue.

96

6.3.1-Mode de travail d'un tricône Les dents de l’outil tricônes pénètrent dans la roche et l’éclatent (figure IV.09) sous l’effet de la force de compression, par la rotation de l’outil les molettes tournent sur elles-mêmes et ripent la roche et arrachent les copeaux. Les deux actions l’éclatement et le ripage de la roche sont deux opérations complémentaires, elles varient en fonction de la formation traversée. Plus la formation est dure plus l’éclatement est grand, par contre le ripage dans un terrain tendre est plus efficace que dans un terrain dur.

Figure IV.08: Outil tricônes à pastilles en carbure de tungstène [17] 6.3.2-Décalage des axes d’un outil tricônes (figure IV.10)

Figure IV.09:Travail d’un tricône

Afin d’améliorer l’efficacité du ripage les axes des molettes sont décalés par rapport à l'axe Ce décalage est fonction de la nature des terrains. Plus la formation à forer est tendre et plus le décalage des axes des molettes est grand, dans les formation tendre le décalage des axes facilite la déchirure de la roche et faire sortir les cuttings en dehors de la denture. Il y a lieu à noter que le décalage des molettes des outils utilisés pour les terrains durs est nul

a- Molettes- Outil pour terrain tendre

b- Molettes- Outil pour terrain dur

Figure IV.10 : décalage des axes- Outil terrain tendre et terrain dur [12] 97

Il y a lieu de noter, que plus les dents sont longues et espacées et plus il est facile de dégager les solides éclatés de roche, aussi un grand espacement des dents c'est-à-dire un nombre moins d'arêtes en contact avec le fond du trou augmente la pénétration dans la roche Il faut signaler aussi, que pour les terrains durs et compactés une grande pénétration n’est pas recommandée. Il est recommandé de chercher des molettes munies d'un grand nombre de dents, courtes et peu espacées pour les formations à grande résistance afin d’éviter les ruptures des dents. Pour les roches extrêmement dures, les outils ayant des dentures normales ne peuvent pas fracturer ce type des roches, on recommande d’utiliser des outils à pastilles en carbure de tungstène, ces outils travaillent par percussion et écrasement pour fracturer les roches avec petite pénétration. 6.4-Outil conventionnel Dans les outils conventionnels par l’intermédiaire des évents percés dans le fond des outils l’injection de la boue au fond du puits est dirigée de l'intérieur de l'outil sur les molettes (figure IV.11). Ce mode d’injection, la grande partie de l'énergie hydraulique à l'outil est livrée au nettoyage, le refroidissement et la lubrification des molettes, dans ce cas, on aura une mauvaise évacuation des solides, ce qui participe au broyage des dents du l’outil. 6.5-Outil à jet : Dans les outils à jet (figure IV.12), des duses interchangeables (figure IV.13) placées sur les côtés de l'outil entre les molettes remplacent les évents de l'outil conventionnel. Le jet de la boue est dirigé directement sur le fond du puits et, on peut avoir un débit largement suffisant et une bonne évacuation des déblais et un meilleur nettoyage du fond du puits et aussi un bon nettoyage des dents de l’outil. Les duses de l’outil sont fabriquées en carbure de tungstène, elles sont fixées à l'outil par des circlips ou par des bagues filetées. La duse est équipée d’un joint "O" ring pour assurer l’étanchéité entre elle et son logement dans l’outil. Les diamètres de passage des orifices des duses sont exprimés en 1/32 de pouce

98

Figure IV.11:Outil conventionnel [12]

Figure IV.12: Outil à jet [12]

Figure IV.13: 02 duses interchangeables

6.6- Les outils diamant Les outils diamant (figure 41) ont été utilisés dans le forage pétrolier vers 1930 (carottage). Le diamant est un carbone cristallisé, il est le matériau le plus dur des minéraux, sa résistance à l'écrasement est environ 80 000 kgf/cm2 (carbure de tungstène : 50 000 kgf/cm2). Le point de fusion du diamant est très élevé (3650°), mais il se transforme superficiellement en graphite vers 1450°.

.

Figure 41 : Outil diamant [12] 99

L’outil diamant se caractérise par:  Le nombre de carats (1 carat = 0,2 grammes).  Le nombre de pierres au carat qui définit la taille des pierres:  (grosses pierres: 1 à 4 pierres au carat. petites pierres : plus de 6 pierres au carat)  La disposition et l'exposition des pierres Il existe trois types d'outils diamant.  Outil à diamant naturel.  Outil à taillants PDC ou diamant polycristallins.  Outil à taillants TSP ou diamant polycristallins thermostables. Exemple d’application Exercice 01 Vous avez la composition de garniture suivante: Masse-tiges NC 58-80, Longueur Ldc = 190 m, Densité boue d = 1.40, Tige 5" - 19.5 lbs/ft, grade E, classe premium, Coefficient de sécurité Cs = 1.10. La réserve de traction M= 48 tonnes Côte forage à atteindre L = 4300 m Tiges disponibles sur chantier: 5" - 19.5 lbs/ft - E 75 - classe Premium, Te = 138.6 (103 dan), pdp= 31.06 kg/m 5" - 19,5 lbs/ft - G 105 - classe Premium Te= 194.1 (103 dan) ; pdp= 31.06 kg/m Est ce qu'on peut atteindre la cote finale de forage L= 4300 m avec les tiges disponibles? Si non proposer d’autres solutions et compléter le tableau ci-dessous. Paramètres Côte forage à atteindre (profondeur finale) Longueur maximale des tiges eme Longueur de 2grade tronçon forer) 5"-19.5 lbs/ft, E 75, (reste classeàPremium Longueur maximale des tiges Reste à forer - Ldp2G ) 105 - classe Premium 5" - 19,5 lbs/ft(L –2grade Autres solutions (01):…………………………… …………………………………………………… Nouvelle Longueur maximale des tiges …………………… Nouvelle Longueur des tiges 5"-19.5 lbs/ft, grademaximale E Longueur maximale de -laclasse garniture Lmaxi 5" - 19,5 lbs/ft - G 105 Premium

Symboles L Ldp1 L2 = L– (Ld1+ Ldc ) Ldp2 L2 - Ldp2

Ldp3 Ldp4 Lmaxi=Ldp3+Ldc+ Ldp4

Valeurs 4300 ……… ……… ….. ……… … ……… … ……… … ……… ………. …. ……… …. ……… …

Unités M …… …… …… … …… … …… … …… …. …… … …… … …… …

…

…

100

Dimensions standard des masses-tiges habituellement utilisées Diam Diamètre

Masse

Longueur

Masse totale

Diamètre de forage

467.6 linéaire

9.144 (m)

4276 kg

(pouce)

9¼’’ ½’’ 3(pouce) extéri

323.2 Kg/m

9.144

2955

de 24’’à 12 ¼’’

8’’ 2 13/16’’ eur 7nomi ¾’’ 2 13/16’’

223.1

9.144

2040

9 7/8’’

207.4

9.144

1896

9 7/8’’

6nal¾’’ 2 13/16 4(pouc ¾’’ 2 ¼’’

149.8

9.144

1370

de 8¾’’à 8 ½’’

69.6

9.144

636

de 6 ¾’’ à 6’’

11 ètre

3’’ intérieur

e) Solution Ldp= (Te . 0.90 - M - k.Ldc. Pdc) /. K.pdp Tm =1,02 x 0.9.Te = 138.6 x 1.02 x 0.9 = 127.234 t Masse tige NC 58-80 (à partir des tableaux) c'est une masse tige de diamètre extérieur 8'' x 2'' 13/16 et masse linéaire 223,1 kg/m Poids MT/boue = 223,1 x 0.821 x 190/1000 = 34.801 t Longueur des tiges Ldp = (127.234 - 48-34.801) x 1000 / (31,06 x 0,821) = 1742.49 m La profondeur maximale qu'on peut atteindre avec les tiges 5" - 19.5 lbs/ft, grade E, classe premium= 1742.49 +190= 1932.49 m Longueur L2 du 2ème tronçon à forer L2 = L - Ld1 - Lmt = 4300 – 1742.49 -190 = 2367.51 m Profondeur maximale pouvant être atteinte avec les tiges de grade G La longueur du nouveau tronçon est alors donnée par : (Te2 - Te1 ) x 0.90 x1000 x 1.02 / k. pdp2= Ld2 Te1 : Tension à la limite élastique du tronçon inférieur (t) minorée de 10% Te2 : Tension à la limite élastique du tronçon supérieur (t) minorée de 10% Ld2 : longueur du tronçon supérieur (m) pdp : poids linéaire du tronçon supérieur des tiges K : coefficient de flottabilité Ld2 = 0.9.(194.1 – 138.6).1000 x1.02 / (31,06 x 0.821) = 1998 m Lmaxi = Ld1 + Lmt + Ld2= 1742.49 +190 + 1998 = 3930.49 m Reste à forer une profondeur de L3 =4300 – 3930.49 = 369.51 m On ne peut pas atteindre la côte d'arrêt du forage (L= 4300 m) avec une garniture mixte composée de 5" - 19.5 lbs/ft - E 75 - classe Premium 101

5" - 19,5 lbs/ft - G 105 - classe Premium, Te= 194100 (dan) Il reste 319 m à forer, on peut réduire la réserve de traction et on refait le calcul : On prend M = 38 tonnes Longueur des tiges Ldp3 = (127,234 – 38 -34.801) x 1000 / (31,06 x 0,821) = 2134.60 m Longueur L2 du 2ème tronçon tiges G Ld2 = L - Ld1 - Lmt = 4300 – 2134.60 -190 = 1975.40 m Profondeur maximale pouvant être atteinte avec les tiges de grade G La longueur du nouveau tronçon est alors donnée par : (Te2 - Te1 ) x 0.90 x1000 x 1.02 / k. pdp2= Ld4 Ldp4 = 0.9.(194.1 – 138.6).1000 x1.02 / (31,06 x 0.821) = 1998 m Lmaxi = Ldp1 + Lmt + Ldp2= 2134.60 +190 + 1998 = 4322.60 m Si Ldp2 - L2 < 0 proposer une autre solution en fonction des moyens disponibles sur chantiers Parameters Côte forage à atteindre(profondeur finale) Longueur maximale des tiges eme Longueur de 2grade tronçon à forer (reste à forer) 5"-19.5 lbs/ft, E, classe Premium Longueur maximale des tiges Reste à forer Ldp2)- classe Premium 5" - 19,5 lbs/ft(L - 2G- 105 (Réduire la réserve de traction) M2 Longueur maximale des tiges 5"-19.5 lbs/ft, grade E Longueur maximale des tiges Longueur maximale de -laclasse garniture Lmaxi 5" - 19,5 lbs/ft - G 105 Premium

symboles L Ldp1 L2 = L– (Ld1+ Ldc ) Ldp2 L2 - Ldp2 M2 Ldp1 Ldp2 Lmaxi=Ldp1+Lmt+Ldp

Valeurs 4300 1742.4 2367.5 9 1998 1 369.51 38 2134.6 1998 4322.6

Unités m m m m m tonnes m m m

2

Donc avec une garniture mixte composées des tiges 5"-19.5 lbs/ft, grade E - classe Premium et des tiges 5" - 19,5 lbs/ft - G 105 - classe Premium avec une réserve de traction de 38 tonne on peut atteindre la côte finale 4300 m de forage sans aucun problème.

102

Chapitre V

Tubages

1-Introduction : Durant les opérations de forage on doit séparer les couches incompatibles traversées (aquifères, gazéifier et pétrolières) par des tubes d’acier (casing) ces tubes sont descendus par l’effet de leur propre poids, le diamètre des tubes décroît de haut en bas en fonction de la phase, en Algérie généralement le nombre des phases varie entre 03 à 06 phases. 2- Rôle des tubages Après le forage d’une phase on doit protéger la partie forée par des casings pour pouvoir continuer le forage dans des bonnes conditions techniques en assurant les taches suivantes :  Séparer toutes les couches incompatibles traversées (aquifères, gazéifier et pétrolières).  Couvrir les zones à perte (séparer les couches à faible pression).  Séparer les couches à pression élevée (pour éviter les venues) .  Sécuriser et mettre en place de l’équipement de production tout le long du puits. Le tubage d’un puits permet d’éviter de poursuivre un forage dans un découvert présentant des risques (éboulements), et d’entamer la phase suivante sans risque. 3 -Choix des tubages : Le choix des tubages (diamètres et résistances) dépend des paramètres suivants:  La profondeur prévue de la phase,  Le type de fluide contenu dans les différentes formations (huile ou gaz) problème de corrosion.  Les pressions au niveau de différentes formations, 4 -Caractéristiques des tubages 4.1 -Technologie et gamme des tubes Les tubes (casing) sont de tubulaires normalisés par l’API (l’American petroluem institute), ils se classent en fonction des paramètres suivants:  La nuance de l’acier  La géométrie du corps du tube.  La géométrie du manchon de raccordement: 103

- La géométrie du corps du tube Le diamètre nominal d’un tubage est le diamètre extérieur de son corps. L’API recommande les diamètres des tubages suivants: 4 ½’’, 5’’, 5 ½’’, 6 5/8’’, 7’’, 7 5/8’’, 8 5/8’’, 9 5/8’’, 10 ¾’’, 11 ¾’’, 13 3/8’’,16’’,18 5/8’’, 20’’ Diamètre intérieur: Le diamètre intérieur est donné en fonction du diamètre nominal et de l'épaisseur e : d = D – 2e Drift : Le drift ou le diamètre de mandrin est le diamètre du calibre qui doit passer à l'intérieur du tube sous l'action d'une force égale à son propre poids. Gamme des trépans sont Sélection des diamètres d’outil se fait en fonction des diamètres de tubage (figure V.01) 3

7/8’’

,5

3/8’

’, 6’’, 6

1/4 ’’

,8

3/8’’

, 8 ½’’, 8 ¾’’, 12 ¼’’,14 ¾’’, 17

3/8’’

, 17 ½’’, 22’’, 23’’, 24’’,

26’’. Il y a lieu à noter que avant la descente de tubage on doit faire passer un drift à l’intérieur du tube, ce contrôle doit se fait d’une façon systématique avant chaque descente de tubage Gamme des trépans :

Figure V.01 : Sélection des diamètres d’outil selon les diamètres de tubage [4] et [12] 104

- Géométrie du raccord (figure V.02): Les raccords de casings sont caractérisés par leur filetage, leur longueur et leur épaisseur, L'API recommande trois types de filetage de raccordement [4] :  Filetage rond,  Filetage buttress,  Filetage extrême – line. Les filetages rond et buttress sont utilisés pour le raccordement par manchon ; par contre le filetage extrême–line pour raccordement par joint intégral. a -Raccordement conventionnel (filetages ronds): Le filetage rond (API) résiste bien à la traction, il est utilisé pour les grades d'acier supérieurs à H40 et pour des dimensions de tubes égales ou inférieures à 9"5/8. Ce type de filetage peut être court ou long, aussi, l’étanchéité est obtenue par le bourrage en fond des filets par la graisse et des charges métalliques b -Raccordement VAM (manchon avec filetage buttress). Le raccordement se fait par un manchon ayant des filetages buttress, l’étanchéité s’obtient par un contact métal sur métal, le freinage des extrémités des deux tubes raccordés est obtenu par deux épaulements coniques usinés à l’intérieur du manchon. Le raccordement VAM est recommandé dans les puits à gaz de grande pression qui demandent une étanchéité plus grande. c -Raccordement extrême Line (raccordement par joint intégral) Le raccordement des tubes se fait sans manchon ; le filetage est usiné sur les extrémités du corps du tube Les avantages de raccordement extrême Line sont :  Introduction facile dans le puits (encombrement extérieur moins)  Etanchéité meilleure  Résistance à la traction plus grande que les joints à filetage rond.

105

b

a

c

Figure V.02: Les trois types de filetage de raccordement [4] et [17] -Nuance de l’acier Les tubes sont classés en fonction de leurs grades d'acier, leurs épaisseurs et en fonction des contraintes élastiques minimale. Les grades des casings les plus utilisés en forage pétroliers sont: H40 - J55 - K55 - C75 - N80 - C95 -P110 - Q125 - V150. La lettre exprime la composition chimique de l'acier, le chiffre indique1/1000 de la valeur de la limite élastique minimale de l’acier en psi. L’API recommande trois types d’acier pour la fabrication des tubages utilisés dans le domaine pétrolier. A -Aciers normaux. Les tubes en aciers normaux sont fabriqués sans soudure ou sont soudés électriquement, H 40: la teneur en phosphate est de 0.04% environ et de 0.06% en soufre (tableau ci-dessous). Tableau V.01:Aciers normaux [4] et [17] Limite élastique Grade H40 J55 K55 N80

Minimale en psi 40 000 55 000 55 000 80 000

Maximale en psi 80 000 80 000 80 000 110 000

Limite de rupture Minimale en psi 60 000 75 000 95 000 100 000

106

B -Aciers à haute résistance. Les tubes en aciers à haute résistance sont aussi fabriqués sans soudure à partir de la même matière primaire que les aciers normaux. Tableau V 02: Aciers à haute résistance [4] Limite élastique Grade P105

Minimale en psi

Limite de rupture

Maximale en psi

Minimale en psi

P110

105 000 135 000 120 000 Tableau 02 : Aciers à haute résistance 110 000 140 000 125 000

Q125

125 000

V150

150 000

155 000

135 000 160 000

C -Aciers possédant un intervalle réduit de limite élastique. Ces tubages sont fabriqués en aciers possédant un intervalle réduit de limite élastique sont des aciers de traitement thermique (trempe + revenu) avec 0.5% de carbone. Aussi, ces aciers peuvent contenir du manganèse, molybdène, chrome, nickel ou le cuivre et des teneurs en phosphore inférieur à 0.04%, soufre inférieur à 0.06% et silicium inférieur à 0.35% [4]. Il y a lieu à noter que à l’intérieur de la fourchette de la limite élastique (minimale- maximale) on peut trouver plusieurs types d’aciers spéciaux différents. Tableau V 03:Aciers possédant un intervalle réduit de limite élastique [4] Limite élastique

Limite de rupture

Grade

Minimale en psi

Maximale en psi

Minimale en psi

C75

75 000

90 000

95 000

L80

80 000

95 000

95 000

C90

90 000

105 000

100 000

C95

95 000

110 000

105 000

4.3 -Poids Le poids nominal d’un tubage s’exprime par sa masse linéaire en lb/ft, sans tenir en compte le poids des manchons dans le poids nominal. 4.4 -Les jeux a -Jeu entre le trépan et l’intérieur du tubage En fonction de la phase on doit tenir en compte le jeu entre le diamètre intérieur du tube et le trépan qui devra être garder pour forer la suite de forage, ce jeu est la différence entre le petit 107

diamètre intérieur de la colonne de tubes et le diamètre du trépan qui pourra être introduit pour continuer le forage et il doit être inférieur à 2.38mm. b – Jeu entre le trou et diamètre extérieur du tubage Le jeu entre le trou et le diamètre extérieur le raccord de connexion des tubes de la colonne d’une part et le jeu entre le trou et le corps du tubage doivent être respectés car ces deux jeux facilitent la descente des tubages et donnent une bonne qualité de l’anneau du ciment. 5 -Choix du diamètre nominal de la colonne de production Le choix du diamètre nominal de la colonne de production est fonction de:  Type des équipements de production à mettre en place.  Le débit du gisement.  La possibilité de forer plus profond en cas de besoin. 5.1 - Forage d’exploration. Le diamètre de la colonne finale dans le forage d’exploration doit être suffisamment grand pour qu’on puisse continuer le forage et de poser une autre colonne comme colonne de production si des raisons techniques s’imposent pour aller plus profond. Le diamètre nominal 7" est souvent choisi pour la dernière colonne du puits d’exploration, ce diamètre donne la possibilité de forer en 6’’ ou 5

7/8’’

et de descendre une autre colonne de

production ou bien une colonne perdue de 4 ½’’. 5.2- Cas forage de développement. Dans forage de développement, le type des équipements de production à mettre en place qui déterminent le diamètre de la dernière colonne. 5.2.1 -Résistance des tubages Choix de tubage : Le choix d’un tubage est fonction de la pression hydrostatique. On détermine sa nuance par le calcul de résistance à l’écrasement de l’extrémité inférieure de tubage. Ce calcul doit se faire avant la descente de tubage, en tenant compte de la sécurité l’économie et de l’approvisionnement. Méthodes de calcul : Durant la descente d’un tubage lors de la cimentation ou au cours de forage, la colonne est soumise à trois types de contraintes principales à savoir la traction, l’écrasement et l’éclatement, par le calcul de résistance on doit s’assurer qu’une colonne donnée puisse résister à ces trois sollicitations.

108

Aussi, en fonction du choix des hypothèses prises sur les efforts extérieurs notamment pour le forage d’exploitation (nature des formations, le type de fluide,….) et du coefficient de sécurité le calcul de résistance mécanique d’une colonne peut aboutir à des résultats différents. Les contraintes principales 1. Traction : La contrainte de traction en un point donné du tubage est le poids de la partie au-dessous de ce point. Cette contrainte croit du bas vers le haut de la colonne, elle doit être inférieure à la limite élastique de traction. 2. Ecrasement : La colonne est soumise à une contrainte d’écrasement criée par les formations qui l’entourent et les fluides sous pression contenus dans ces formations. Cette contrainte est équivalente à la pression hydrostatique exercée par la colonne de boue pendant le forage. Le niveau de la boue peut se diminuer au cours de forage même la colonne peut se vider complètement notamment en face des formations à pertes totales, la diminution de niveau de la boue engendre une baisse notable de la pression intérieure ou même elle devient presque nulle, alors les contraintes à l'écrasement criées par la pression hydrostatique de l'espace annulaire augmentent, les tubes les plus bas sont les plus sollicités. 3. Eclatement : La contrainte d’éclatement est la différence entre la pression intérieure de la colonne de la boue et la pression dans l’espace annulaire, il faut noter que dans le calcul on considère la pression dans l’espace annulaire une colonne d’eau. En cours de la mise en production d’une couche sous pression ou durant la cimentation, le tubage est soumis à des pressions intérieures, et surtout si l’extérieur (espace annulaire) est vide cette pression sera plus grande. Cette pression intérieure est contrebalancée par la pression hydrostatique de la boue de forage de la fin de la phase concernée par la cimentation, dans ce cas durant la descente de la colonne dans l'espace annulaire, les contraintes à l'éclatement augmentent en fonction de la profondeur. Méthodes de calcul des contraintes: Deux méthodes de calcul de résistance peuvent être appliquées: La méthode API: Cette méthode est utilisée pour le calcul des colonnes de production, avec les hypothèses suivantes :

109

Traction: la colonne est supposée suspendue. Pour une réserve de traction suffisante, on prend un coefficient de sécurité variant de 1.60 à 1.75 et le calcul doit se faire pour la section la plus faible (au niveau de corps du tube ou du manchon) Ecrasement: coefficients de sécurité Cs = 1.125 : la colonne est supposée vide et l’extérieur (espace annulaire) plein de boue. Eclatement: la colonne est supposée pleine de boue et l’extérieur plein d’eau. Cs = 1.00 Méthode LAGULF : La méthode LAGULF est exclusivement utilisée dans les puits de développement, où les précisions sur le programme de forage et de tubage sont supposées connues. Cette méthode s’applique que pour le calcul des colonnes techniques, les coefficients de sécurité Cs suivants sont appliqués : Ecrasement : On admet que les efforts d’écrasement sur les tubes peuvent être diminue par la cimentation. Partie Cimentée: Cs = 0.85 le cas où le tube peut se vider (perte de circulation) ; Cs = 0.65 le cas où le tubage est constamment plein ; Partie non cimentée: Cs = 1.80 Eclatement : on choisit la densité de boue maximale; Cs = 1.10 Traction : Cs = 1.75 Détermination de la cote des sabots La détermination de la cote du sabot est fonction de : 

Résistance mécanique des tubages.



Données géologiques du terrain.



Caractéristiques mécaniques des roches.

110

Exemples d’application Exercice 01 Une colonne 13"3/8 à 1300 m, densité de boue de la phase 1.12 1-Calculer les résistances d’écrasement, éclatement et la traction (Méthode API) 2- Cette fois-ci on prévoit la présence d’un gisement de gaz à une profondeur de 2300 m, densité du gaz : dg =0.27, Pression gisement Pg = 350 kgf/cm². 2.1 Calculer les résistances d’écrasement, éclatement et la traction: (Méthode API) 2.2 A partir du Formulaire du foreur (tableaux ci-joints) déterminer les caractéristiques mécaniques du tubage. Solution Partie I 1- Résistance à l'écrasement: Hypothèses: L'intérieur du tubage est supposé vide et l'annulaire est rempli de boue de forage. Le coefficient de sécurité Cecr recommandé par l’API à l'écrasement est égale à Cecr = 1.125. La résistance à l'écrasement Recr: La Contrainte à l'écrasement : Recr / Cecr = H. d/10, Recr = (Hd/10) x Cecr, donc: Recr = (1300 x 1.12/10.2) x 1.125= 160.59 kgf/cm². La résistance à l'éclatement Hypothèses : L'intérieur supposé plein de boue et annulaire rempli d'eau, Le coefficient de sécurité Cecl recommandé par l API à l'éclatement Cecl = 1.10. La Contrainte à l'éclatement est égale à Recl/ Cecl. Calcul de la contrainte maximale à l'éclatement : La Pression intérieure du tubage (supposé plein de boue): 1)

Au sabot :

P1 = Pcolonne de la boue au sabot, donc: P1 =Hs x dboue / 10.2 P1 = 1300x 1.12 / 10.2, donc: P1 = 142.75 kgf/cm² La Pression extérieure (annulaire supposé plein d'eau): Pa = Hs x deau / 10.2 = 1300 x 1 / 10.2 = 127.45 kgf/cm² Les Contraintes à l’éclatement: - Au sabot = P1- Pa, soit 142.75 – 127.45 = 15.299 kgf/cm² Récl = contrainte maxi x Cecl= 15.299 x 1.10 = 16.83 kgf/cm² Partie II 111

Calcul de la contrainte d’éclatement : L’intérieur du tubage supposé plein de gaz (pour l’éclatement et pour l’écrasement) I.1 -Ecrasement Hypothèse : L'intérieur du tubage est supposé plein de gaz et l'annulaire est rempli d’eau. A -La Pression à l'intérieur du tubage est supposé plein de gaz Au niveau du sabot : PSI = PG – (Ht-Hs) x dg / 10.2 Ht : profondeur du gisement=2300 m PSI = (350 - (2300 – 1300) x dg/ 10.2 = 323.53 kgf/cm² Au niveau du surface : PSurface I = PG – Ht x dg / 10.2 Ht : profondeur du gisement=2300 m PSI = (350 - Ht. dg/ 10.2 = 289 kgf/cm² B -La Pression extérieure (annulaire supposé plein de boue): Au niveau du sabot : PSE = HS x db / 10.2 =1300 x 1.12/10.2 = 142.74 kgf/cm² Au niveau du surface : PSurface E = 0 Contraintes à l'éclatement : Au sabot = PSI- PSE, soit 323.53 – 127.45 = 196 kgf/cm² En surface = PSurface.I - PSurface.E, soit 289 -0 =289 kgf/cm² Donc au niveau de la surface la contrainte à l'éclatement est la plus élevée. Réel = contrainte maxi x Cecl= 289 x 1.10 = 318 kgf/cm² Le Choix du tubage: La résistance à l'écrasement Recr = 160.59 kgf/cm². La résistance à l'éclatement Récl = = 289 x 1.10 = 318 kgf/cm² La résistance à l'écrasement Recr = 160.59/10.2 = 15.74

MPascal

La résistance à l'éclatement Récl = 318/10.2 = 31.18 MPascal A partir des tableaux du formulaire du foreur : caractéristiques géométriques et mécaniques des casings 

La résistance à l'écrasement Recr = 15.74



La résistance à l'éclatement Récl = 31.18 MPascal

MPascal

112

On prend un tubage de grade C75-72 lbs/ft qui possède les caractéristiques mécaniques suivantes : 

La résistance à l'écrasement Recr = 17.90



La résistance à l'éclatement Récl = 34.80 MPasca



La résistance à la traction Ttr = 693 x 103 daN = 693 x 1.02 = 707 tonnes.

MPascal

113

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