Forage

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

Les moteurs qui fournissent l'énergie mécanique sont reliés soit à une table de rotation qui transmet le mouvement à la tige carrée [comme son nom l'indique, elle est carrée ou hexagonale pour permettre sa rotation ; cette tige est raccordée aux tiges de forage par un raccord d'usure, qui transmet le mouvement à l'outil de forage (bit en anglais)], soit à une tête de rotation (powered swivel) qui transmet le mouvement directement aux tiges de forage.

Image légendée d'un forage rotary

Le système de rotation comprend habituellement une tête d'injection, une tige d'entraînement qui passe à travers une table de rotation et qui est reliée à une colonne de forage (en) (ou train de tiges) et en bout de colonne un outil de forage creusant le sol. La tige d'entraînement, et de fait la colonne de forage, et l'outil de forage, tous subissent une rotation via la table de rotation et une section angulaire de la colonne qui se trouve au niveau de la table, ou bien si la table n'est pas le moyen de rotation de la machine de forage, via la tête d'injection qui sert également à l'entraînement de la colonne.

La garniture peut être définie par « l'ensemble des matériels tubulaires descendus dans le puits, à l'exception des cuvelages »[3].

Le turboforage est une variante du forage rotary. Dans celui-ci, les tiges de forage ne tournent pas, et le trépan est fixé directement sous la turbine, qui est mise en rotation par le fluide de forage (eaux boueuses). Le turboforage a été mis au point par la société Neyrpic et les équipements commercialisés à partir de 1956 sous le nom commercial de Neyfor[4]. Plus rapide mais bien plus cher que le forage rotary, le turboforage est rapidement cantonné à des usages spécifiques, particulièrement l'off-shore.

La colonne de forage est une suite de tiges vissées entre elles et habituellement de tailles standard. L'ajout de tiges au fur et à mesure permet de progresser plus profondément. Pour les appareils de forage de taille moyenne et importante, la taille des tiges a été standardisée et elles font en moyenne 9,5 m. Cette taille standard peut paraître bâtarde, mais il s'avère qu'elle fut définie en fonction des normes API et correspond à une longueur de 30 pieds.

Les tiges de forage sont reliées entre elles par des filetages standardisés. Le diamètre des tiges est plus important au niveau des raccords afin de les renforcer et de les protéger contre l'usure.

Pour le foreur, l'outil de forage qui se trouve au bout de la colonne de forage, est une des clés de son activité. L'outil doit être choisi dans un catalogue aussi varié que peut l'être la lithologie rencontrée. Si un outil de type marteau peut briser une roche compacte, il sera inefficace pour creuser une argile, à la différence d'une tarière et des outils de type trilame.

Selon son diamètre, l'outil peut peser de quelques kilogrammes à plusieurs centaines de kilogrammes. On distingue différents types d'outils de forage :

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

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

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  Tricône
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  Marteau fond-de-trou
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  Trilame
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  Tricônes
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  Tricône
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  Tricône
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  Tricône
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  Tricône
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  Tricône
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  Tricône

Derrick en Roumanie

Le mot derrick utilisé dans le domaine pétrolier désigne une tour en bois ou en métal soutenant le dispositif de forage d'un puits de pétrole. Le mot anglais a d'abord désigné une potence ou gibet et viendrait de Thomas Derrick (en), célèbre bourreau de Tyburn, principal lieu des exécutions capitales des criminels anglais. Puis il désigne plus généralement un dispositif de levage. Au XIX^e siècle, en français, le terme est appliqué au cadre supportant l'appareil de forage dans une plate-forme pétrolière terrestre.

Le fluide dans un forage est un élément clé, car il évacue les déblais qui s'accumulent au fond du puits, il stabilise les parois du puits lorsque ce dernier est encore « nu » (sans cuvelage) et enfin il peut aussi lubrifier et refroidir l'outil en activité. Le choix d'un fluide ne s'arrête pas là : les eaux souterraines (parfois potables) peuvent être contaminées par certains fluides utilisés.

Pour évacuer les déblais de forage, soit le fluide doit circuler très vite (air comprimé), soit le fluide, alors liquide, doit être d'une densité et d'une viscosité contrôlées régulièrement par le foreur. L'ajustement de ces paramètres se fait par ajout de bentonite et de polymères pour la viscosité, ainsi que de baryte, formiate de césium ou de sels de sodium ou de potassium pour la densité. Le problème de l'évacuation des cuttings ne dépend pas uniquement des propriétés du fluide - la pression et le débit qui lui sont imposés, la surface de la colonne d'évacuation et les pertes sont d'autres facteurs dont il faut tenir compte.

Les divers fluides de forage sont :

• l'air comprimé ;
• l'eau ;
• la bentonite (ou « boues bentonitiques ») ;
• les gels de polymère - utilisés pour la fabrication des boues ou comme additifs ;
• les mousses ;
• le formiate de césium saturé dans l'eau est assez dense (densité d=2,3) pour que certains sédiments flottent ;
• la baryte en émulsion et les sels de sodium et de potassium augmentent aussi la densité des fluides.

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

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

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

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  Schéma d'un forage en circulation directe
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  Schéma d'un forage en circulation inverse

Poste soit 3x8 (France), soit 2x12 (autres pays)

Appareil de forage ou rig de forage

• 1 à 4 roughneck ou sondeurs par poste, soit 3x8 (France), soit 2x12 (autres pays)
• 1 derrickman ou derrickhand
• 1 assistant driller ou second
• 1 driller ou chef de poste
• 1 toolpusher ou chef de chantier
• 1 drilling supervisor jour et nuit
• 1 company man jour et nuit
• 1 bitman jour et nuit

plus :

• 1 chef d'équipe surface et manœuvre
• 1 à 4 surfaciers

plus :

• 1 chef mécanicien
• 1 chef électricien
• 1 à 2 mécaniciens
• 1 à 2 électriciens
• 1 superviseur HSE

La maîtrise des éruptions provenant d'un puits, nécessite un bloc d'obturation consistant en un système de vannes. Cette maîtrise peut se faire en contenant les venues dans le puits (coiffage) ou en évacuant ces dernières. Dans le cas de forages pétroliers, le bloc d'obturation doit permettre de réaliser les points suivants[5] :

1. le cisaillement du train de tiges
2. la suspension du train de tige, obturation ferme ;
3. la maîtrise du puits avant sa réouverture.

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

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

Le tubage intermédiaire est facultatif et peut être défini[6] comme « le tubage installé dans un puits après l'installation et à l'intérieur du tubage de surface et dans lequel les opérations de forage ultérieures peuvent être effectuées à l'intérieur du puits ».

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

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

Le sabot se trouve à la terminaison du tubage de production ou des crépines. Il est censé créer une zone morte du point de vue de la circulation en cas de pompage ou d'injection. Il permet la sédimentation de particules, et la mise à l'écart de la circulation des objets qui tomberaient malencontreusement dans la colonne.

Un forage peut être très bruyant.

Elle est dans certains cas obligatoire, et peut alors intégrer des mesures compensatoires ou réparatrices. Certains puits industriels, en fin de vie, doivent être soigneusement colmatés de manière à empêcher des transferts verticaux ou horizontaux de polluants entre les nappes ou de la surface vers le sous-sol.

La sécurité du personnel passe par la très bonne connaissance des machines, le rangement du chantier, la prise en compte des risques liés à l'objectif du forage et la protection individuelle des foreurs et des visiteurs (casque de protection, protection auditive, chaussures de protection, gants, masque anti-poussière, lunettes de sécurité, appareil respiratoire isolant, etc.). Un forage inclut habituellement la manipulation d'objets extrêmement lourds (trains de tiges, outils forants, pompes submersibles, etc.), de possibles travaux en hauteur du fait du mât de forage, de la soudure, de la mécanique (moteurs, pompes, compresseurs, etc.) et des branchements électriques. Un forage crée de la poussière. Il n'est pas non plus anecdotique de mentionner le stress qui retombe sur le personnel : délais, frustrations du fait du manque de résultat, cadences accélérées, fatigue. Ce stress doit être pris en compte par les superviseurs et les chefs d'équipe.

Les deux principaux risques pour le personnel de forage sont le happement par les tiges et les blessures aux mains. Les vêtements flottants (écharpes, tee-shirts amples…) sont généralement interdits et les combinaisons sont préconisées. Lors de la manipulation des tiges, il faut faire très attention au placement de ses mains : jamais de mains sous les tiges.

Selon la géologie et l'environnement, le forage peut mettre les foreurs et riverains en présence de gaz dangereux (dioxyde de carbone CO₂, sulfure d'hydrogène H₂S…) du fait de leur explosivité ou leur toxicité, de terres et de liquides contaminés (sous les décharges, les sites industriels…).

Voici une liste non exhaustive d'accidents parmi les plus fréquents :

• présence de lignes électriques en hauteur, et risque de contact avec certains éléments hauts du forage (mât, grue) ;
• présence de lignes électriques, canalisations de gaz ou d'eau, de cuves à fioul dans le sous-sol, pouvant être forées ;
• pièces lourdes qui tombent d'une certaine hauteur créant de potentiels accidents/blessures (décrochage d'une tige, éboulement d'un amas de tiges, renversement d'un outil posé à la verticale, etc.) ;
• risque de chutes des structures élevées (plancher de forage, mât) ;
• assourdissement ;
• pincement des doigts, des bras ;

Il existe deux types de pertes :

• les pertes partielles : petite fissure provoquant la perte du fluide de circulation ; cette perte peut être maîtrisée en ajoutant des additifs à la bentonite pour l'alourdir ;
• les pertes totales : grande fissure qui peut dépasser largement les 500 m horizontalement, cette perte provoque la perte totale de la boue de forage, ce qui nécessite le forage à l'eau claire pour limiter les pertes ; on peut aussi envisager une cimentation partielle de la partie fissurée.

Ces pertes proviennent essentiellement des fissures (formations compétentes fracturées) et cavités (karsts) rencontrées au cours du forage.

La non verticalité du trou (cf. déviation), des éboulements et des tubes brisés ou déboîtés sont des origines possibles du coincement des tiges de sondage dans le trou. Des objets qui tombent dans le trou et des éléments fragiles de la colonne, qui se brisent, peuvent également conduire au coincement des tiges.

Un pas de vis mâle et un pas femelle peuvent rester coincés l'un dans l'autre. Il faut alors faire appel à des machines particulièrement puissantes utilisant des vérins hydrauliques pour dévisser les deux éléments.

Souvent dû au fait que les formations géologiques ont un certain pendage, la déviation des trous de forage est assez fréquente. En tout premier lieu, il faut s'assurer de la verticalité du mât de forage qui sert de guide au train de tige. L'inclinaison du mât peut au besoin être adaptée pour corriger une déviation. La non-verticalité d'un forage est peu souhaitable, sauf dans le cadre de forages dirigés, les carottages et la géotechnique.

L'éboulement est un problème très fréquent dans les zones où le recouvrement est assez épais (l'altération dépasse 15m). cette formation non consolidée, va s'écrouler forcément sous l'effet de vibrations de la foreuse. Pour y remédier on utilise le PVC ou des fluides tels que la bentonite, le polymer CR650...

Intentionnellement ou non, le foreur peut perdre une partie de la colonne de forage. Les causes peuvent être diverses : une tige peut se dévisser ou doit être dévissée, ou casser pour être remontée.

Les outils de repêchage servent à accrocher et remonter des trains de tiges ou autres morceaux qui se sont décrochés et sont tombés ou coincés dans le trou de forage.

La technique dite du Casing drilling a été développée et brevetée par la compagnie canadienne Tesco Drilling Technology[18]. Cette méthode consiste à utiliser les tubes - qui formeront les parois du puits - comme tubes de forage ; c'est donc un double emploi pour un même tube. Les avantages sont en général multiples : gain de temps, forage dans des milieux avec un potentiel de perte total (le casing en général est alors posé dans cette zone).

Cette méthode est employée à travers le monde, sur certains champs d'Afrique de l'Ouest, afin de réaliser des économies de temps substantielles sur les phases de surface. D'autres exemples peuvent être cités comme en Algérie en collaboration avec l'entreprise algérienne EPE Steppe Forage à Laghouat dans la région de Batna « Amdoukel ». Le forage réalisé avec cette technique a atteint une profondeur de 650 m.

Initialement développée par Atlas Copco, la méthode Odex suit la méthode du marteau fond de trou et comprend en plus un tube en acier qui repose par-dessus un aléseur excentrique[19] ou sabot un peu plus large que le tube. Ce tube forme le tubage externe du forage. L'énergie de la percussion du marteau et le propre poids du tube enfoncent ce dernier dans le trou. L'Odex est composé de trois parties rétractables et formant l'outil forant. Le Jucon est quant à lui composé de quatre parties rétractables et est pour le reste très semblable à l'Odex.

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

• Plate-forme de forage
• Navire de forage
• Moho
• Fonçage

• Bertrand Gonthiez, Réaliser et entretenir son puits, éd. Eyrolles, 2009.
• Michel Detay, Le Forage d'eau - Réalisation, entretien, réhabilitation, éd. Masson, 1993.
• Albert Mabillot, Le forage d'eau : guide pratique, éd. Lavoisier, 1989.
• Magdeleine Moureau, Gerald Brace, Dictionnaire du forage et des puits, éd. Technip, 2000.
• Jean-Paul Nguyen, Techniques d'exploitation pétrolière. Le forage, éd. Technip, 1993.
• Stéphane Sainson, Les diagraphies de corrosion : acquisition et interprétation des données, éd. Lavoisier, 2010

• [PDF] Index des principaux textes de loi français sur le forage d'eau