Technologies de forage et de production | Que sont les outils d'augmentation de la vitesse de forage ? Comment améliorer efficacement l'efficacité du forage et réduire les coûts ?

1Technologie de perçage à vitesse accrue pour vis à épaisseur de paroi égale, résistante aux hautes températures

La vis à paroi constante résistante aux hautes températures est un outil permettant d'accroître la vitesse de perçage, spécialement conçu pour répondre aux exigences de haute performance et de fiabilité élevées du secteur. Lors de l'utilisation de vis de perçage traditionnelles, les environnements à haute température et les conditions de travail complexes entraînent souvent une usure importante et une fatigue dues à la fatigue, ce qui réduit l'efficacité du perçage. En revanche, la vis à paroi constante résistante aux hautes températures présente une excellente résistance à ces températures, ce qui lui permet de conserver des propriétés mécaniques stables, de réduire les pannes dues aux hautes températures et, par conséquent, d'améliorer la vitesse de perçage.

1.1 Principe technique

Le moteur de fond entraîne directement le trépan pour percer la roche et forer, ce qui permet une transmission de puissance plus efficace, réduisant ainsi les pertes d'énergie et optimisant les performances des outils de fond. En effet, l'entraînement direct du trépan par le moteur évite les pertes de puissance dues au système de transmission, permettant ainsi de consacrer davantage d'énergie au forage et au percement de la roche, et d'améliorer la vitesse et l'efficacité du forage. Afin d'améliorer encore la résistance aux hautes températures de l'équipement, la vis à paroi constante haute température est fabriquée à partir de matériaux spéciaux et bénéficie de traitements de surface spécifiques. Par exemple, l'acier fortement allié est utilisé comme matériau principal, ou la surface de l'équipement est soumise à un traitement thermique ou à un revêtement pour renforcer sa résistance aux hautes températures. Le stator, constitué d'une coque en acier préfabriquée à section transversale spécifique, puis recouvert d'une fine couche de caoutchouc d'épaisseur uniforme par injection de colle, offre un couple plus élevé et s'adapte à diverses conditions géologiques complexes. Cette structure réduit l'espace entre le stator et le rotor du moteur, diminuant ainsi le frottement et l'usure, et améliorant la durée de vie et la fiabilité de l'équipement. L'outil est également doté d'un mécanisme de verrouillage mécanique ou de réduction du frottement afin d'améliorer la précision et la stabilité de rotation, et d'éviter la baisse de rendement de perçage due aux vibrations ou à l'excentricité de la vis.

1.2 Analyse d'adaptabilité

En termes de performance, la vis à paroi d'épaisseur égale résistante aux hautes températuresoutil de forageCe moteur à vis possède non seulement toutes les caractéristiques des moteurs à vis classiques, mais aussi un couple élevé, un démarrage facile et une forte résistance aux surcharges, ce qui le rend particulièrement adapté aux opérations de forage dans les formations profondes à haute température. L'utilisation d'une vis droite avec un petit outil de forage pendulaire dans les formations à fort pendage permet d'atteindre une vitesse de forage élevée avec une faible pression, tout en réduisant considérablement les risques de déviation. De plus, la conception de la vis droite assure une force de support stable, empêchant ainsi le trépan de dévier dans ces formations et améliorant la stabilité du forage. Les études théoriques et les applications sur le terrain démontrent que cette technologie de forage rapide, utilisant des vis à épaisseur de paroi constante résistantes aux hautes températures, permet d'accroître significativement la vitesse de rotation du trépan au fond du puits, de s'adapter à l'environnement thermique élevé du fond de puits et d'optimiser efficacement le contrôle de la qualité du forage. Elle permet également de réduire la charge sur la tête de forage et le couple de l'outil, et d'allonger sa durée de vie. Comparée à l'assemblage d'outils de forage PDC conventionnel, cette méthode permet d'améliorer considérablement l'efficacité du forage et présente d'excellents résultats économiques et techniques globaux.

2Turbine + Foret diamanté imprégné : une technologie en constante augmentation

La turboforeuse est un outil de fond de puits qui convertit l'énergie hydraulique du fluide en énergie mécanique de rotation, entraînant ainsi la rotation et l'impact du trépan et permettant un forage rapide et efficace. Elle se compose principalement de trois parties : la turbine, l'arbre universel et l'arbre de transmission. Le trépan diamanté imprégné est un type de trépan diamanté. Sa matrice est obtenue par frittage de particules polycristallines de diamant à sa surface, ce qui le rend plus agressive. La matrice présente une certaine hauteur ; son diamètre extérieur est légèrement supérieur à celui du corps du trépan, tandis que son diamètre intérieur est légèrement inférieur. Les faces extérieure, intérieure et inférieure de la matrice sont munies de rainures d'écoulement d'eau permettant l'évacuation des déblais et le refroidissement du trépan par un fluide de rinçage. La matrice possède une résistance à la compression et aux chocs suffisante, ainsi qu'une dureté et une résistance à l'usure élevées. La turboforeuse et le trépan diamanté imprégné sont des outils essentiels du forage pétrolier ; leur utilisation combinée permet d'améliorer l'efficacité et la qualité du forage.

2.1 Principe technique

La section turbine est l'élément central de la turboforeuse. Elle se compose de stators et de rotors de turbine, de paliers de centrage, d'arbres principaux et de carters. Elle convertit l'énergie du fluide de forage en énergie mécanique, permettant la rotation de l'arbre principal. Sa structure interne comprend plusieurs étages de stators et de rotors appariés. Lorsque le fluide de forage pénètre dans le stator avec l'outil de forage, celui-ci le dirige selon une direction et une vitesse précises avant son entrée dans le rotor. Dans le rotor, le fluide de forage entre en contact avec les pales, générant une différence de pression qui entraîne la rotation du rotor. Ce mécanisme permet de convertir l'énergie du fluide de forage en énergie mécanique, laquelle actionne l'arbre de la turbine.

Le principal mode de forage des trépans diamantés imprégnés est le forage abrasif. Ce procédé consiste à utiliser des particules de diamant pour broyer, rayer et abraser continuellement la roche sous l'effet d'une force axiale et d'un couple, afin de la briser. Les trépans diamantés utilisant principalement ce mode de forage présentent une résistance à l'usure élevée, ce qui leur permet de traiter efficacement les roches très abrasives des formations dures à extrêmement dures, et d'améliorer ainsi l'efficacité du forage et la durée de vie du trépan.

2.2 Analyse d'adaptabilité

Le turboforeur associé à un trépan diamanté imprégné est doté d'une structure entièrement métallique, lui conférant une résistance accrue aux hautes températures et une efficacité de forage supérieure, lui permettant de fonctionner de manière stable même dans des environnements extrêmes. Ceci est particulièrement important pour le forage de puits profonds et ultra-profonds. Cet ensemble d'outils présente un excellent équilibrage axial, réduisant les vibrations latérales, assurant une trajectoire de forage régulière et limitant les dommages aux parois du puits. Il protège ainsi le trépan et les autres outils de fond de puits, et facilite les opérations ultérieures. Grâce à la vitesse de rotation élevée du turboforeur, l'association du trépan diamanté imprégné et de la turbine à grande vitesse permet d'atteindre une efficacité de forage extrêmement élevée dans les formations profondes, dures et abrasives, et d'améliorer considérablement la capacité de forage.

3Vitesse de forage par percussion à couple accru – Technologie en constante augmentation

Le marteau à percussion est un outil mécanique principalement utilisé pour le concassage auxiliaire de roche par les trépans PDC. Cet outil génère une chute de pression grâce à une buse à débit variable, créant ainsi une zone de haute pression et une zone de basse pression. Lorsque cette différence de pression agit sur l'outil, le canal d'écoulement s'inverse, entraînant le mouvement à grande vitesse du marteau de percussion et du marteau d'amorçage. Le marteau de percussion frappe continuellement la surface d'impact, transmettant ainsi la force d'impact au trépan et générant un couple pulsé à haute fréquence. Il convertit intelligemment l'énergie du fluide de forage en énergie d'impact mécanique de torsion, à haute fréquence, uniforme et stable, et la transmet directement au trépan PDC, assurant ainsi la continuité entre le trépan et le fond du puits.

3.1 Principe technique

La force d'impact stable à haute fréquence (750 à 1500 coups/min) fournie par le marteau perforateur équivaut à plusieurs coupes de la formation par minute. Ceci permet au trépan de percer la formation sans attendre l'accumulation d'énergie suffisante par la torsion, modifiant ainsi radicalement son mode de fonctionnement. Le trépan dispose alors de deux forces pour la coupe : le couple fourni par la table de rotation et la force d'impact du marteau perforateur. Ces deux forces sont directement transmises au trépan, optimisant ainsi l'utilisation du couple transmis par la tige de forage. L'action combinée de ce couple et de cette force d'impact améliore significativement la vitesse de forage et réduit, voire élimine, les vibrations nuisibles du trépan lors du forage dans les formations dures. Elle protège le trépan, prolonge sa durée de vie et réduit la fatigue des autres outils de forage, contribuant ainsi à prolonger leur durée de vie. La figure 1 illustre l'état de contrainte de la garniture de forage de fond avec un outil de forage conventionnel et avec un marteau perforateur.

3.2 Analyse de l'adaptabilité

Outil de forage avancé, le marteau perforateur à couple possède une structure mécanique interne optimisée, sans pièces en caoutchouc ni composants électroniques, et comporte un nombre réduit de pièces. Même en cas de défaillance, il continue de fonctionner comme un trépan, assurant la rotation continue avec le trépan PDC sans interrompre le forage, et sans nécessiter l'arrêt de la foreuse. Il offre ainsi une grande fiabilité. Le marteau perforateur à couple est adapté aux formations complexes, notamment les roches ignées très abrasives et difficiles à forer. De plus, son utilisation est simple : il suffit de le connecter directement à l'outil de forage rotatif ou directionnel.

4Impacteur composé

Le marteau à percussion composite est un équipement de forage avancé doté d'un dispositif de conversion d'énergie intégré. Ce dispositif convertit l'énergie du fluide de forage en énergie d'impact pulsé, générant ainsi des forces d'impact circonférentielles et axiales stables à haute fréquence. Ce mode de fonctionnement améliore considérablement l'efficacité de forage du trépan, résout efficacement les problèmes de stick-slip et de maintien de la pression pendant le forage, et permet ainsi d'accroître la vitesse de forage. Le marteau à percussion composite combine les caractéristiques et les avantages de l'impact torsionnel du marteau à percussion à couple avec la fonction d'impact axial..

impacteur composé

4.1 Principe technique

La structure interne de l'impacteur composite est entièrement composée de pièces métalliques. Grâce à un mécanisme d'inversion, elle convertit l'énergie du fluide de forage en une énergie d'impact circonférentielle et axiale stable et de haute fréquence. Lors du forage avec un ensemble d'outils conventionnels, une fois le trépan PDC entré dans la formation, l'accumulation d'énergie de l'outil supérieur doit dépasser un certain seuil critique pour amorcer le cisaillement de la roche. À l'inverse, l'impacteur composite convertit l'énergie du fluide de forage en énergie d'impact, fournissant ainsi une force d'impact stable et de haute fréquence au trépan. De cette manière, la contrainte de rupture de la roche atteint rapidement le seuil critique de cisaillement de la formation, améliorant considérablement l'efficacité de cisaillement du trépan PDC. Parallèlement, la réduction des fluctuations de la contrainte de rupture et du couple favorise une coupe uniforme au fond du puits, éliminant ainsi les contraintes instantanées extrêmement élevées subies par le trépan PDC avec les outils de forage conventionnels. Par conséquent, la contrainte exercée sur le trépan devient plus uniforme et stable, prolongeant ainsi la durée de vie du trépan PDC et augmentant la longueur de travail d'un seul trépan.

4.2 Analyse d'adaptabilité

Comparé au marteau perforateur à couple, le marteau perforateur composite augmente l'énergie de l'impact longitudinal. Théoriquement, son efficacité de fracturation est supérieure et il est mieux adapté aux formations compactes. À dimensions égales, la pression de forage optimale du marteau perforateur composite est légèrement supérieure à celle du marteau perforateur à couple. Pour le marteau perforateur composite, le trépan utilisé doit présenter une résistance aux chocs plus élevée et être équipé de dents d'amortissement disposées de part et d'autre des dents de coupe principales, ce qui le protège efficacement. Lors du forage de formations dures et très abrasives, le choix des trépans PDC de la série HPM permet d'obtenir un équilibre parfait entre vitesse de forage et longueur de forage.

5Conclusions et perspectives

Cet article étudie et présente les outils courants d'augmentation de la vitesse de forage. L'analyse de leurs principes, caractéristiques et domaines d'application révèle que différents types d'outils sont adaptés à différentes conditions géologiques et exigences de forage. Par ailleurs, compte tenu des coûts d'utilisation variables de ces outils, leur choix doit également être envisagé sous un angle économique.

Pour les recherches futures, il est suggéré d'aborder les aspects suivants : approfondir l'étude du mécanisme de fonctionnement des outils d'augmentation de la vitesse de forage, optimiser leur conception et améliorer leur adaptabilité et leur efficacité ; combiner des technologies telles que l'intelligence artificielle et le big data pour assurer une surveillance intelligente et à distance de ces outils et améliorer la sécurité et l'efficacité des opérations de forage ; étendre l'application de ces outils à d'autres domaines, tels que les puits d'eau, de gaz et géothermiques, afin de répondre aux besoins du développement socio-économique.

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