LA GARNITURE DE FORAGE

1. Introduction :

La garniture de forage (drill stem ou drill string), appelée aussi train de sonde ou

assemblage de fond, est un arbre reliant l’outil travaillant au fond du puits avec

l’équipement de surface, c’est donc le moyen de liaison entre le fond et la surface.

Fonctions de la garniture de forage :

Transmettre à l’outil le mouvement de rotation fournit par la table de rotation

(dans notre puits on utilise le top drive).

Transmettre le poids sur l’outil essentiellement par les masse-tiges.

Transmettre l’énergie hydraulique dans un turboforage (quand on travail avec

un moteur de fond).

Permettre la circulation de la boue avec le minimum de perte de charge.

Permettre de connaître avec précision la profondeur atteinte du forage.

Permet la réalisation des opérations spéciales telles que la cimentation, le

repêchage et les testes de formation (DST).

Une garniture de forage est constituée des principaux éléments suivants :

- les tiges [drill pipes],

- les tiges lourdes [heavy weight drill pipes],

- les masse-tiges [drill collars].

2. Composition de la garniture de forage :

Elle est composée par des éléments principaux et d’autres accessoires.

2.1. Eléments principaux :

· Des masse-tiges (drill collars ;DC) :il y a des masse-tiges cylindriques, carrée et

spiralée.

· Des tiges de forages (drill pipe ; DP).

· Des tiges lourdes (heavy weight drill pipe ; HWDP).

2.2. Eléments accessoires :

1. Outil de forage : c’est le premier élément qui s’attaque au terrain, les outils sont

classer selon la nature des terrains, on distingue :

o outil à molettes.

o outil à diamant (mono-bloc).

2. Porte outil : c’est une réduction de 1m en générale pour adapter le filetage entre

l’outil et le premier DC.

3. Des stabilisateurs incorporés entre les masse-tiges.

4. Aléseurs : ils sont intercalés dans le train de sonde, leurs rôle est l’alésage des

parois de puits d’une part, d’autre part ils ont un rôle analogue à celui des

stabilisateurs.

5. Des raccords de filetage (pour adapter les différents filetages).

Cette composition permet que la garniture travaille en traction et en compression, telle

que la partie supérieure de la garniture qui travaille en traction tandis que la partie

inférieure de la garniture travaille en compression, mais lors de la remontée toute la

garniture qui travaille en traction car la garniture est suspendue.

3. Les tiges :

Les tiges de forage (figure 1) permettent la transmission de la rotation de la table à

l’outil et le passage du fluide de forage jusqu’à ce dernier.

Elles doivent travailler en tension pour éviter leur frottement contre les parois du

puits, qui peuvent causer leur usure et les éboulements des parois, et la déviation.

Joint femelle

Corps

Joint mâle

3.1. Caractéristiques :

3.1.1. Le diamètre nominal

C’est le diamètre extérieur du corps de la tige, exprimé en pouces.

3.1.2. Le grade

Détermine la qualité de l'acier et donne la résistance de la tige à la traction et la

torsion.

Lorsqu'une tige subit un effort de traction, elle s'allonge (figures 2) ; si on ne dépasse

pas une certaine valeur et si on relâche la force, la tige revient à sa position initiale :

on dit que l'acier a travaillé dans le domaine élastique.

La limite élastique (contrainte maximale admissible) est le rapport de la traction

maximale (au delà de laquelle on sort du domaine élastique) sur la section du corps de

la tige.

Les grades [grades] d'acier normalisés sont : D55 - E75 - X95 - G105 - S135.

3.1.3. La gamme

Caractérise la longueur des tiges. Il existe 3 gammes [ranges] de longueur de tige :

- gamme 1 : 5,50 m à 6,70 m (18' à 22'),

- gamme 2 : 8,25 m à 9,15 m (27' à 30'),

- gamme 3 : 11,60 m à 13,70 m (38' à 45').

3.1.4. Le poids nominal

Exprimé en livres par pied, il indique le poids [weight] du corps de la tige sans les

tool-joints.

3.2. Classification :

La classe d'une tige définit son degré d'usure après utilisation, donc la diminution de

sa section qui entraîne celle de ses caractéristiques mécaniques.

L'API a défini les classes de tiges comme suit :

Classe 1 : Marquée d’une bande blanche.

Les tiges de cette classe sont neuves (aucune trace d’usure).

Classe supérieure (premium) : Marquée de deux bandes blanches.

L'usure est caractérisée par :

- réduction uniforme de l'épaisseur de 20%,

- réduction excentrique de l'épaisseur de 20%,

- la section est calculée en fonction de la réduction uniforme de l'épaisseur de 20%.

Contr

ain

te

% allongement

Limite élastique

80% de la limite élastique

Zone conseillée

Domaine

d’utilisation

Allongement permanent

Contr

ain

te

% allongement

Limite élastique

80% de la limite élastique

Zone conseillée

Domaine

d’utilisation

Allongement permanent

Con

trai

nte

(100

0psi

)

% allongement

S135

G105

X95

E75

D55

135

105

95

75

55

Con

trai

nte

(100

0psi

)

% allongement

S135

G105

X95

E75

D55

135

105

95

75

55

Figure : Limite élastique

Classe 2 : Marquée d’une bande jaune.

L'usure est caractérisée par :

- réduction uniforme de l'épaisseur de 20%,

- réduction excentrique de l'épaisseur de 35%,

- la section est calculée en fonction de la réduction uniforme de l'épaisseur de 20%.

Classe 3 : Marquée d’une bande orange.

L'usure est caractérisée par :

- réduction uniforme de l'épaisseur de 37.5%,

- réduction excentrique de l'épaisseur de 45%,

- la section est calculée en fonction de la réduction uniforme de l'épaisseur de 37.5%.

Classe 4 : Marquée d’une bande verte.

Plus usée que la classe 3.

Une tige rebutée est marquée d'une bande rouge.

Remarque :

Une tige fissurée doit être marquée d'une bande rouge et ne peut plus être utilisée.

Une usure excentrique est une usure donnant une surface externe cylindrique dont

l'axe est excentré par rapport à l'axe du cylindre intérieur.

4. Les tiges lourdes :

Les tiges lourdes ont une flexibilité plus grande que celle des masses tiges et plus

petite que celle des tiges normales.

Dans les forages verticaux, les tiges lourdes sont fréquemment utilisées comme

intermédiaires entre les masse-tiges et les tiges. Il y a à ce niveau une variation de

section occasionnant des contraintes plus élevées (flexion plus grande, vibrations). On

utilise donc avantageusement une, deux ou trois longueurs de tiges lourdes, entre les

masse-tiges et les tiges, chaque fois que les conditions de forage sont difficiles.

Dans les forages dirigés, les tiges lourdes sont utilisées soit au sommet des masse-

tiges, soit parfois en les remplaçants totalement. Dans ce dernier cas la flexibilité sera

suffisante pour que l'outil continue dans la direction donnée par l'amorce de déviation.

Avant les tiges lourdes, on utilisait des tiges de forage normales. Malheureusement,

ces dernières ont une résistance au flambage insuffisante. Comme elles travaillaient

en compression, les ruptures étaient fréquentes et nombreuses. L'utilisation des tiges

lourdes a grandement amélioré les opérations, surtout en forage dirigé.

5. Les masse – tiges :

Les masse-tiges permettent de :

mettre du poids sur l'outil pour éviter de faire travailler les tiges de forage en

compression. Le poids utilisable des masse-tiges ne devra pas excéder 80% de leur

poids total dans la boue ;

Jouer le rôle du plomb du fil à plomb pour forer un trou aussi droit et vertical que

possible. Elles ne rempliront pleinement ces conditions que si elles sont aussi rigides

que possible donc aussi largement dimensionnées que possible.

Différents types de masse-tiges :

5.1. Masse tiges classiques :

Masse tiges lisses : elles sont lisses sur toute leur longueur. L’utilisation du collier de

sécurité pour leur manœuvre dans le puits est obligatoire.

5.2. Masse tiges à rétreints : deux retreints sont usinés dans la partie supérieure

pour permettre l’utilisation de la cale et l’élévateur sans collier de sécurité.

5.3. Masse tiges à extrémités soudées :

Les extrémités sont filetées séparément du corps puis reliés à ce dernier par soudure.

5.4. Masse tiges à partie centrale surdimensionnée :

Utilisées dans les grosses dimensions, elles assurent un meilleur guidage et une

meilleure rigidité d'où moins de tendance à dévier.

5.5. Masse tiges carrées :

Ayant une rigidité importante et un très bon guidage dans le trou (jeu 1/32"

seulement), elles sont utilisées pour supprimer les dog legs et diminuer la déviation.

5.6. Masse tiges spiralées :

Elles réduisent le risque de coincement par pression différentielle en diminuant la

surface de contact masse-tige/trou. Leur masse est d'environ 4% inférieure à celle des

masse-tiges classiques.

5.7. Masse tiges amagnétiques :

Elles sont utilisées lorsqu'on veut faire des mesures de déviation avec une référence

par rapport au nord magnétique.

Figure : Masse tige lisse

Figure : Masse tige à

rétreints