Outils clés pour le forage de fond de puits : Guide complet de la classification et de l’application des trépans à cônes et des trépans diamantés

01 Trépans à cônes à rouleaux : des outils polyvalents pour s’adapter aux formations

Depuis leur apparition en 1909, les trépans à cônes sont devenus le type de trépan le plus utilisé en forage rotatif. Leur conception structurelle multicône unique leur permet de s'adapter à diverses conditions de formation, des plus tendres aux plus dures.

Composition structurelle et technologies de base

Un foret à cônes roulés se compose de cinq éléments principaux :

• Corps de l'embout : Trois branches coniques soudées ensemble, avec filetage de raccordement sur la partie supérieure.
• Cônes de rouleau : Corps métalliques coniques avec dents fraisées ou dents insérées en surface.
• Système de roulements : Comprenant quatre jeux de roulements : grands, moyens, petits et butées.
• Buses : Généralement 3 à 4, d'un diamètre de 7 à 14 mm.
• Système de stockage et d'étanchéité de l'huile : Joints d'étanchéité en caoutchouc ou en métal associés à des dispositifs de compensation de pression.

Parmi ces innovations, la technologie d'étanchéité des paliers représente une avancée technologique majeure pour les trépans à cônes. Les trépans modernes utilisent un système de compensation de pression par stockage d'huile, qui maintient un équilibre dynamique entre la pression d'huile dans la cavité du palier et la pression de la colonne de fluide de forage de fond grâce à des composants tels que des orifices de transmission de pression, des diaphragmes de compensation de pression et des godets d'huile.

Système de classification et codage IADC

L’Association internationale des entrepreneurs de forage (IADC) a développé une norme de classification unifiée à l’échelle mondiale pour les trépans à cônes, utilisant un système de codage à trois chiffres :

Premier chiffre : type de dent et formation applicable

1 : Dents fraisées, formations molles

2 : Dents fraisées, formations moyennement à moyennement dures

3 : Dents fraisées, formations dures et abrasives

5 : Insérer les dents, formations molles à moyennes

6 : Insérer les dents, formations de dureté moyenne

7 : Insérer les dents, les formations dures et abrasives

8 : Insérer les dents, formations extrêmement dures et hautement abrasives

Deuxième chiffre : Subdivision de la dureté de la formation (Grade 1 à 4 ; les chiffres les plus élevés indiquent des formations plus dures)

Troisième chiffre : caractéristiques structurelles du bit

4 : Roulements à rouleaux étanches

6 : Paliers lisses étanches

7 : Paliers lisses étanches + protection de l'insert

8 : Forets de déviation pour le forage directionnel

Système de classification simplifié IADC pour les trépans à cônes à rouleaux

Mécanisme de rupture des roches et caractéristiques de mouvement

En fonctionnement, un foret à cônes présente trois types de mouvements composites :

• Révolution : Les cônes tournent dans le sens horaire avec l'ensemble de la mèche.
• Rotation : Les dents tournent dans le sens antihoraire autour de l'axe du cône.
• Glissement : y compris le glissement radial et tangentiel.

Ce mouvement composite permet d'obtenir un double effet de bris de roche :

1.Effet d'écrasement par impact : Le contact alterné des dents simples et doubles avec l'alésage inférieur génère une vibration longitudinale, créant des charges d'impact.

2.Effet de cisaillement par glissement : le cisaillement de la roche est obtenu grâce à la conception de structures en surplomb, à double cône et décalées.

Stratégie de sélection et adéquation des formations 

Principes de base pour le choix des trépans à cônes en fonction des propriétés de la roche :

• Formations tendres : Choisissez des trépans avec des structures décalées, en surplomb et à double cône, équipés de dents fraisées ou insérées hautes, larges et espacées.
• Formations moyennement dures : réduire les valeurs de décalage, de surplomb et de double cône ; utiliser des dents courtes, étroites et denses.
• Formations dures et abrasives : Adopter des rouleaux monocônes sans porte-à-faux ni décalage, équipés de dents à billes ou de dents coniques à billes.
• Formations sujettes à la déviation : choisir des mèches à dents courtes sans décalage ou avec un faible décalage, et sans dents de jauge.
• Formations interstratifiées de roches tendres et dures : sélectionnez les types de trépans en fonction de la roche la plus dure et ajustez dynamiquement les paramètres pendant le forage.

Réponse aux conditions de travail particulières

• Petits forages (<177 mm) : Utilisez des trépans à cône à un seul rouleau, qui ont des cônes, des dents et des roulements plus grands pour une résistance plus élevée.
• Forage directionnel : sélectionnez des trépans de déviation spéciaux dont le troisième chiffre du code IADC est 8. 

02 Forets diamantés : des outils puissants pour les formations dures 

Le diamant, matériau naturel le plus dur, possède une dureté de 10 sur l'échelle de Mohs, une résistance à la compression pouvant atteindre 8 800 MPa et une résistance à l'usure 9 000 fois supérieure à celle de l'acier. Grâce à ces propriétés, les forets diamantés sont devenus l'outil idéal pour percer les formations rocheuses les plus dures.

Système de classification et évolution technologique

Les forets diamantés modernes se divisent principalement en trois types :

1.Forets diamantés à sertissage de surface

• Des particules de diamant sont exposées à la surface de la matrice.
• Convient aux formations de dureté moyenne à élevée.
• Classification granulométrique des particules de diamant :
• Formations tendres : 2 grains par carat (gpc) (taille des particules env. 4 mm)
• Formations moyennement dures : 3-4 gpc (taille des particules env. 3,6 mm)
• Formations dures : 10-15 gpc (taille des particules env. 2,0 mm)

2.Forets diamantés imprégnés

• Les diamants sont imprégnés à l'intérieur de la matrice (60-400 gpc).
• Convient aux formations dures et abrasives (par exemple, silex, dolomie siliceuse).
• L'auto-affûtage du diamant est obtenu par l'usure de la matrice.

3.Forets PDC (Forets compacts en diamant polycristallin)

• Introduit pour la première fois par General Electric (GE) des États-Unis en 1973.
• Structure compacte : couche de diamant + substrat en carbure cémenté.
• Convient aux formations homogènes de dureté moyenne à tendre.

Conception structurelle et paramètres de base

Les forets diamantés adoptent une conception monobloc sans pièces mobiles, comprenant principalement :

• Corps en acier : Fabriqué en acier au carbone moyen, avec filetage de raccordement sur la partie supérieure.
• Matrice : poudre de carbure de tungstène + métal de liaison à base de cuivre, avec un degré de dureté HRC 30-45.
• Éléments de taille : diamants naturels/synthétiques ou compacts PDC.
• Ouvrages hydrauliques : cours d'eau et canaux d'écoulement (radiaux, en spirale, etc.).

Paramètres clés de conception

• Concentration de diamants : ajustée en fonction de l’abrasivité de la formation ; concentration plus élevée pour les formations plus abrasives.
• Hauteur de saillie :
• Formations molles : 1/3 de la taille des particules
• Formations dures : 1/6 à 1/10 de la taille des particules
• Forme des lèvres :
• À fond plat : pour les formations homogènes
• Courbe : Pour les formations rigides
• Dentelé : Pour les formations abrasives

Mécanisme de rupture de la roche et réponse de la formation

La méthode de forage des trépans diamantés varie selon les propriétés de la formation :

Formations plastiques (ex. : mudstone, gypse) : Similaire à un processus de « labour » ; les diamants pénètrent dans la formation pour provoquer un écoulement plastique de la roche.

Formations fragiles (par exemple, grès quartzeux) : des fosses de concassage volumétriques sont formées, avec des tailles de coupe 2 à 4 fois la saillie des diamants, ce qui permet d'obtenir une efficacité élevée.

Roches dures (par exemple, silex, roche siliceuse) : On utilise des mèches imprégnées, et le concassage de la roche est réalisé par micro-coupe et rayage, similaire à l’abrasion par meule.

Avantages et limitations techniques des bits PDC

Produit révolutionnaire dans la famille des forets diamantés, les forets PDC présentent des avantages uniques :

Caractéristiques structurelles

Forets PDC à corps en acier : Acier au carbone moyen intégré avec traitement de durcissement de surface.

Forets PDC à corps matriciel : corps supérieur en acier + matrice inférieure en carbure de tungstène, offrant de meilleures performances.

Conception de profil

Parabolique : Pour les formations tendres, permettant un métrage et une vitesse de forage élevés.

Rond : Pour le perçage sur table rotative, facilitant la pénétration des intercalaires durs.

Conique : Pour le forage à grande vitesse, avec de bonnes performances de pénétration.

Limitations de l'application

Ne convient pas aux formations de gravier et aux formations interstratifiées de dureté et de tendreté.

Limite de résistance à la température (l'usure s'intensifie au-dessus de 350℃ ; la rupture de la résistance se produit à 700℃).

Faible résistance aux chocs ; l'écaillage des bords des forets neufs est fréquent.

Tableau comparatif des formations géologiques applicables aux trépans diamantés

03 Guide de sélection scientifique : Correspondance des formations et des exigences opérationnelles

Règles d'or pour le choix d'un foret à cônes.

Correspondance de la dureté de la formation

Formations tendres : Choisir des trépans à fort décalage, surplomb et à structure double cône, équipés de dents en forme de coin ou de cuillère.

Formations dures : Adopter des structures monocônes non décalées, équipées de dents sphériques ou de dents coniques sphériques.

Réponse à l'abrasivité

Pour les formations abrasives, utilisez des forets à plaquettes avec dents de calibrage.

Si les dents de la rangée extérieure sont arrondies tandis que les dents du milieu présentent peu d'usure, le foret suivant devrait être conçu avec une protection renforcée contre l'usure.

Contre-mesures pour conditions de travail particulières

Formations sujettes à la déviation : choisir des trépans à dents courtes sans décalage ou avec un faible décalage ; l’adaptabilité de la formation doit être légèrement inférieure à celle de la formation elle-même.

Formations interstratifiées de roches tendres et dures : sélectionner les trépans en fonction de la roche la plus dure et ajuster dynamiquement les paramètres pendant le forage.

Forage de sections de puits profonds : utiliser des trépans à grande longueur totale pour compenser les pertes de temps liées aux manœuvres.

Stratégie de sélection des forets diamantés

Conditions applicables aux bits PDC

Scénarios optimaux : longues formations homogènes tendres à moyennement dures (par exemple, schiste, mudstone, gypse).

Scénarios interdits : formations de gravier, intercalations de silex, formations interstratifiées de roches tendres et dures.

Réglage des paramètres : Faible WOB (30-60 kN), RPM élevé (100-300 tr/min), débit important.

Conditions d'utilisation des forets en diamant naturel/synthétique

Formations dures à extrêmement dures (par exemple, granite, grès quartzeux).

Formations très abrasives (par exemple, silex, dolomie siliceuse).

Forage à la turbine, puits profonds/ultra-profonds et opérations de carottage.

Exigences particulières pour les forets

Forets à noyau conique à rouleaux : Conception à quatre rouleaux (conique/cylindrique) ou à six rouleaux (cylindrique complet).

Forets diamantés : nécessitent des arêtes de coupe symétriquement réparties et une résistance à l’usure constante.

Indicateur clé : Concentricité entre le trou intérieur et le cercle extérieur pour éviter l’ovalisation du noyau.

Évaluation et traitement des anomalies de fond de puits

Identification de l'état de fonctionnement d'un trépan à cônes à rouleaux

Dommages aux roulements : secousses périodiques de la table de rotation, s’aggravant sous une charge élevée, vitesse de forage réduite mais pression de pompe normale.

Perte de cône : blocage important du forage, fluctuation violente de l’indicateur de poids, changement de profondeur de descente lors de la remontée de la garniture de forage.

Usure des dents : réduction de la charge sur la table rotative, absence de secousses, diminution significative de la vitesse de forage.

Interdits d'utilisation des forets diamantés

Le fond du trou doit être nettoyé avant la descente du trépan afin de s'assurer qu'aucun débris métallique ne subsiste.

Commencez le forage avec un faible WOB et un faible RPM pour le « rodage » (conditionnement du fond du trou de 0,5 m).

Évitez les opérations d'alésage ; si nécessaire, utilisez une faible charge sur l'outil et un faible régime moteur pour un fonctionnement uniforme.

Contact :Jessie Zhou
Mobile/WhatsApp :+0086-18109206861
Web :www.landrilltools.com