For01138 Chap 2

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CHAPITRE 2

LES OUTILS A MOLETTES

Le tricône (outil à 3 molettes) est le plus utilisé. Les éléments de coupe font partie de la

molette; ce sont :

• des dents usinées dans le cône ou,

• des picots de carbure de tungstène emmanchés en force dans des perçages à la surfacedu cône.

Les outils à picots ont permis d’améliorer les performances de forage dans les formations

dures, là où les outils à dents ne pouvaient forer que quelques mètres avec une vitesse

d’avancement faible. Les picots de carbure et les paliers de friction ont permis d’appliquer

des poids de plus en plus importants sur l’outil et d’augmenter la durée de vie des outils dans

les formations dures (la durée de vie de ces outils est pratiquement trois fois plus longue que

celle des outils à dents et à roulements à rouleaux).

La figure 2.1 montre les diff érents éléments constituant un tricône.

La taille ou l’épaisseur des diff érents constituants de l’outil dépendent du type de

formation à forer. Toute augmentation des capacités d’une partie de l’outil se fait au

détriment des autres parties (leurs dimensions et leur résistance seront réduites).

• Les outils pour formations tendres, qui nécessitent peu de poids, ont des roulements

plus petits, des cônes moins épais et des jambes de plus faible section que les outils

pour formations dures. Ceci laisse plus de place pour des éléments de coupe longs et

minces.

•

Les outils pour formations dures, qui travaillent avec des poids plus importants, ont deséléments de coupe plus trapus et plus courts, des roulements plus gros et des corps plus

solides.

Les fabricants ont développé plusieurs types d’outils, chacun adapté à un type particulier

de formation.

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Les outils à molettes

FIG. 2.1 Nomenclature des diff é rents é lé ments constituant un outil à molettes

2.1 Mode de destruction de la roche

L’efficacité d’un outil à molettes dépend de sa capacité à broyer et évacuer les morceaux

de roche. Ces outils travaillent par :

• Compression produisant la pénétration de la dent ou du picot dans la formation et

l’éclatement de la roche. Plus le terrain est tendre, plus la dent devra être longue pour

produire le meilleur avancement. L’outil produit une série de petits cratères résultant

de la pression exercée par chaque dent sur le front de taille. La contrainte de

compression appliquée sur la formation induit une fracture (figure 2.2).


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• Arrachage du copeau de terrain par ripage de la molette sur elle-même.

FIG. 2.2 M é canisme d’action d’un outil à molettes sur la roche

Ces deux effets sont complémentaires. Ils sont privilégiés l’un par rapport à l’autre suivant

la dureté de la roche à broyer. Pour un terrain tendre, l’effet de ripage sera prépondérant.

Ces deux effets sont gouvernés par la géométrie des cônes. Pour privilégier l’effet de

ripage, la rotation du cône doit s’éloigner de façon significative d’une rotation vraie.

2.2 Structure de coupe

Pour balayer entièrement le front de taille, les rangées de dents et / ou de picots sont

décalées sur chaque molette.

La répartition des éléments de coupe sur chaque cône est importante. Un bon arrangement

permet d’améliorer le nettoyage de l’outil et de réduire les risques de bourrage.

Les structures de coupe sont réparties en plusieurs rangées (voir figures 2.1 et 2.6) :

• la rangée de nez (nose row) la plus au centre de l’outil,

• la rangée médiane (middle row),

• la rangée de talon (heel row) la plus extérieure.

Des picots de carbure de tungstène plats sont sertis sur la face extérieure des cônes, ceci

afin de renforcer le talon de l’outil et de limiter la perte de diamètre dans les formations

abrasives. La tendance actuelle est de renforcer cette face avec des diamants.

Le pas (écartement entre les éléments de coupe d’une même rangée) est également un

point important. Si les dents sont régulièrement réparties sur un cercle, elles vont retomber


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toujours au même endroit sur le front de taille réduisant ainsi la pénétration et la destruction

de la roche. Pour éviter cela, la répartition des dents n’est pas régulière (figure 2.3).

FIG. 2.3 Ré partition des é lé ments de coupe sur un cône

2.2.1 Les dents

Les outils à dents acier sont utilisés en début de trou, dans les formations tendres, avec de

grandes vitesses de rotation, ainsi que dans les zones où l’épaisseur des couches rend les

outils à picots non économiques.

Les dents de la rangée de talon ont des profils de crête adaptés aux formations à forer; le

but étant de limiter leur usure et ainsi de réduire la perte de diamètre de l’outil.

Les outils pour formations tendres sont conçus avec des dents longues, largement

espacées, de façon à favoriser la pénétration dans le terrain et l’arrachement de fragments plus

importants. Les dents des outils pour ce type de formation peuvent être conçues pour s’auto-

aff ûter en s’usant. Cela est réalisé en rechargeant seulement un coté de la dent (figure 2.4).

Les outils pour formations moyennes et mi-dures présentent des dents plus rapprochées.

La dent a également des angles légèrement plus grands pour supporter la charge nécessaire

pour vaincre la résistance de la formation.

Les formations dures ont de fortes résistances à la compression et sont habituellement très

abrasives. Les outils conçus pour forer ces formations sont munis de dents solides et peu

espacées ainsi que des cônes de molette épais de manière à supporter des poids importants.


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Les dents pour formations dures ne sont pas rechargées. Elles présentent la même dureté

sur les deux faces. Ces dents en s’usant ne s’aff ûtent pas. Il sera nécessaire d’appliquer un

poids de plus en plus important sur l’outil pour obtenir le même avancement au fur et à

mesure qu’il s’use (figure 2.4).

FIG. 2.4 Rechargement et aff ûtage des dents

2.2.2 Les picots de carbure

L’outil à picots (insert bit) de carbure de tungstène fut initialement conçu pour forer les

formations très dures et abrasives composées de silice ou de quartzite qui, du fait de la durée

de vie relativement courte des outils à dents, se révélaient très onéreuses à forer.


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Les picots cylindriques en carbure de tungstène fritté sont sertis dans des trous usinés dans

les cônes. Cet assemblage donne une structure de coupe présentant une grande résistance à

l’usure par abrasion ainsi qu’aux efforts de compression.

Grâce aux progrès de la métallurgie, diff érentes formes de picots sont actuellementdisponibles (figure 2.5), ce qui permet d’utiliser ce type d’outil pratiquement dans tous les

types de terrain.

• La forme ovoïde est la plus résistante et est dessinée pour l’action d’écrasement et

d’éclatement nécessaire au forage des formations très dures.

• Les ogives présentent un peu plus de proéminence pour forer des formations un peu

plus tendres.

• Le cône est également un profil solide convenant parfaitement à une action de foragedu type écrasement et éclatement. Il est utilisé avec une action de raclage pour le

forage des formations mi-dures.

FIG. 2.5 Diff é rents types de picots

• Le ciseau est utilisé dans les formations moyennes et tendres pour un avancement

maximum grâce à une action de gouge et de raclage. Des formes spécifiques de ciseau

sont choisies en fonction de la formation et des propriétés géométriques de l’outil.

Les picots utilisés sur la rangée de talon sont plus courts et plus arrondis que ceux des

autres rangées car ils supportent des charges plus importantes (figure 2.5).


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2.3 Géométrie des cônes

De part la disposition des éléments de coupe, les trois cônes d'un outil ne sont pas

identiques et sont numérotés de la façon suivante :

• Cône n° 1 : le cône ayant la pointe qui occupe le centre (figure 2.6).

• Cônes n° 2 et 3 : ce sont ceux que l'on rencontre successivement en partant du cône

n°1, dans le sens des aiguilles d'une montre, en faisant face aux trois cônes.


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FIG. 2.6 Numé rotation des cônes

Pour obtenir l'effet de glissement ou ripage, l'axe de chaque molette est décalé et ne passe

pas par le centre de l'outil (figure 2.7). L’angle entre l’axe du cône et l’axe joignant le centre

de l’outil est d’autant plus grand que l’outil est destiné à des formations tendres. Il est nul surles outils destinés aux formations dures : l'arrachage de copeaux n'est plus possible et l'effet

de glissement serait nuisible aux dents de l'outil.

Cet angle est de l’ordre de 5 à 6° sur les outils pour formations tendres, de 3° sur les outils

pour formations moyennement dures et de 0 sur les outils pour formations dures.


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FIG. 2.7 Offset et inclinaison des cônes

L’offset (distance entre l’axe des cônes et l’axe de l’outil) est d'autant plus grand que la

divergence des axes est grande.

Dans les terrains tendres, la divergence des axes aide à détruire la roche et à évacuer les

déblais hors de la denture. La forme de la denture joue également un rôle. Plus les dents sont

hautes et espacées et plus il est facile de dégager les éléments de roche détruits par l'action

des dents. En outre, le grand espacement des dents diminue le nombre d'arêtes en contact

avec le fond du trou et par conséquent, augmente la pénétration dans la roche.

Pour un terrain dur et compact, il n’y a pas intérêt à obtenir une pénétration importante de

chaque dent, cela pourrait provoquer, du fait de la grande résistance de la roche, des ruptures

de dents. On prévoit donc dans ce cas des molettes munies d'un grand nombre de dents,

petites et peu espacées. L'outil travaille surtout par écrasement : il fracture la roche sans qu'il

y ait pénétration importante des éléments de coupe.

L’angle que fait l’axe du cône avec le front de taille varie également suivant le type

d’outil. La valeur de cet angle va influencer et déterminer la charge que peut supporter le

roulement, la résistance du bras, le diamètre et la longueur du roulement principal. Cet angle

est de l’ordre de 33° pour les formations tendres, de 36° pour les formations moyennement

dures et de 39° pour les formations dures. Plus cet angle est faible, plus la résistance du brassupportant la molette est faible.

On notera également sur la figure 2.7 que le sommet de chaque cône enveloppant une

rangée d’éléments de coupe est diff érent. Les sommets sont d’autant plus éloignés de la base

du cône que l’outil est conçu pour forer des formations tendres.

En définitive, les cônes pour formations dures ont un mouvement proche du roulement vrai

tandis que ceux pour formations tendres glissent en même temps qu’ils tournent et ont une

action de gouge et de cisaillement sur la roche.


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On notera également que le trou est calibré par le talon des molettes. Plus la formation est

abrasive, plus la surface du talon sera importante et renforcée (pastille de carbure de

tungstène, imprégnation de diamants).

2.4 Roulements, assemblage des cônes et lubrification des roulements

Les roulements sont souvent le point faible des tricônes. La plus grande partie du poids

appliqué sur l’outil est supportée par le roulement principal ; le reste de la charge est supporté

par le roulement secondaire. Le plus souvent les cônes sont maintenus en place sur les bras

par des billes (voir figure 2.8).

2.4.1 Le roulement principal

Le roulement principal est le point critique du système. Deux types sont utilisés :

• les roulements à rouleaux (roller bearing),

• les paliers de friction ou paliers lisses (journal bearing).

2.4.1.1 Les roulements à rouleaux

Les rouleaux ont été le premier type utilisé : ils peuvent supporter une vitesse de rotation

importante mais un poids relativement faible car la charge est transmise uniquement par les

deux génératrices opposées du rouleau. Cette répartition ponctuelle de la charge peut

entra î ner une déformation du roulement lorsque le poids appliqué sur l’outil est important.

2.4.1.2 Les paliers de friction (ou paliers lisses)

Avec l’apparition des picots de carbure de tungstène, il a été nécessaire d’allonger la durée

de vie des roulements. Les paliers de friction ou paliers lisses ont été développés à cette

occasion. Ils ne contiennent aucun élément mobile mais uniquement un palier mâle ajusté sur

l’alésage intérieur du cône.

Ce type de roulement peut supporter un poids important (charge transmise par une surface

beaucoup plus importante que dans le cas des rouleaux). Par contre, une vitesse de rotation

élevée peut produire un grippage du roulement à cause de la chaleur produite par friction.

Pour réduire les risques de grippage, les zones de contact entre l’arbre du palier et

l’alésage du cône sont revêtues de métaux spéciaux (alliages de cuivre, plaquage d’argent,

etc.) pour diminuer le coefficient de friction. Un traitement de surface est appliqué sur les

diff érentes parties pour augmenter la résistance à l’usure.

Un film de lubrifiant permet d’éviter le contact direct entre le palier mâle et l’alésage

intérieur du cône et ainsi limite les risques de grippage.


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2.4.2 Rétention des cônes

La première façon employée pour maintenir le cône en place a été le roulement à billes. Ce

système est encore utilisé sur de nombreux outils. Les billes sont installées à la dernière étape

de la mise en place du cône par un canal percé dans chaque bras. Ce canal est ensuite fermépar un bouchon soudé (voir figure 2.9).

En principe, dans les conditions de forage normales, les billes ne supportent pas de charge.

Cependant, elles se retrouvent soumises à une poussée radiale en cours de reforage (reaming)

ce qui peut réduire de façon considérable la durée de vie de l’outil.

D’autres systèmes de verrouillage ont été développés et sont utilisés avec les paliers de

friction. Citons :

•

Le système Ringlok de Hughes : une bague à ressort (snap ring) remplace les billes.

• Le système de rétention REED : une bague vissée sur le cône remplace les billes.

Ces bagues occupent une place plus faible que les billes, ce qui laisse plus de place pour le

roulement principal. Elles permettent une meilleure répartition des contraintes radiales.

Roulement à rouleaux, rétention par billes. Palier lisse, rétention par billes.


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Palier et Rinlock de Hughes. Système de rétention REED.

FIG. 2.8 Diff é rents types de roulements

2.4.3 Lubrification des roulements

Une lubrification insuffisante est habituellement la cause de rupture des roulements.Cette lubrification est faite de deux façons :

• Par la boue de forage qui pénètre à l’intérieur du roulement. Les outils lubrifiés de

cette façon ont une durée de vie très courte car la boue contient des particules

abrasives. Cependant, ces outils sont toujours utilisés pour les débuts de trou où les

temps de manœuvre sont courts et donc peu pénalisants et où l’utilisation de systèmes

étanches n’est pas justifiée.

• Par une réserve de graisse contenue dans le bras (figure 2.9). Un système d’étanchéité

réalisé généralement par un joint en caoutchouc évite l’entrée de la boue à l’intérieur

du roulement. Ce système a permis d’augmenter de façon substantielle la durée de viedes roulements.

Un système permet d’égaliser la pression entre l’intérieur du roulement et le milieu

extérieur pour éviter de détériorer le joint d’étanchéité.


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FIG. 2.9 Syst ème de lubrification des paliers

2.5 Tolérance de fabrication

Les tolérances sur le diamètre sont les suivantes :

• pour des outils de diamètre 55/8 à 133/4: 0 + 1/32

• pour des outils de diamètre 14 à 171/2: 0 + 3/32

• pour des outils de diamètre supérieur à 175/8: 0 + 3/32

La tolérance des outils à molette est positive. Le diamètre réel de l’outil peut donc être

légèrement supérieur à son diamètre nominal mais jamais inf érieur. C’est le contraire pour les


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outils diamant (tolérance négative). En conséquence, il peut être nécessaire d’aléser lorsque

l’on descend un outil à molette après un outil diamant.

2.6 Paramètres mécaniques

2.6.1 Effet du poids et de la vitesse de rotation sur la vitesse d’avancement

La figure 2.10 montre, pour un débit et une vitesse de rotation donnés, la variation de la

vitesse d’avancement en fonction du poids appliqué sur l’outil et de la dureté de la formation.

FIG. 2.10 Effet du poids sur la vitesse d’avancement

On constate sur cette figure que :

• Dans une certaine gamme de poids, l’augmentation de la vitesse d’avancement est

proportionnelle à l’augmentation du poids. A partir d’une certaine valeur du poids,

l’augmentation de la vitesse d’avancement diminue rapidement et devient quasiment

nulle (environ 2 kdaN pour les formations tendres et 3 pour les formations dures).

La raison de cette très faible variation de la vitesse d’avancement lorsque le poidsdevient important peut être due au fait que :

- Le débit n’est pas suffisant pour évacuer tous les déblais du front de taille, les déblais

non éliminés sont rebroyés diminuant l’efficacité des éléments de coupe. Si la quantité

de déblais produite est supérieure à la quantité évacuée, il se produit un bourrage de

l’outil.

- Les éléments de coupe pénètrent complètement dans la formation (roche plus lit de

déblais) : il se produit un bourrage des éléments de coupe (ce n’est pas pour cela que

l’outil est bourré).

• Suivant la dureté de la formation, l’allure de la courbe varie lorsque le poids appliqué

est faible :


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- Dans un terrain tendre, l’outil avance dès que l’on applique du poids (si la formation

est suffisamment tendre et / ou peu consolidée et le débit élevé, on obtient un

avancement sans appliquer de poids sur l’outil).

- Dans un terrain dur, il faut appliquer un certain poids pour que l’outil avance. Le seuil

se trouve aux environs de 0.5 kdaN par pouce d’outil.

• L’augmentation du poids a plus d’effet sur les formations tendres que sur les

formations dures (pente de variation de la vitesse d’avancement plus élevée pour les

formations tendres que pour les formations dures).

Le poids que l’on peut appliquer sur l’outil est fonction de la garniture de forage utilisée et

du profil du puits (dans les puits faiblement déviés, poids sur l’outil obtenu en mettant les

masses-tiges en compression, dans les puits horizontaux, poids obtenu en mettant les tiges en

compression). Le poids appliqué va agir sur la durée de vie de l'outil.

Le poids appliqué sur l’outil a une influence sur la trajectoire du puits, il modifie la

position des points de contact entre la garniture et la paroi du trou. Il sera g énéralement

nécessaire de contrôler ce poids pour réaliser la trajectoire désirée.

La figure 2.11 montre, pour un débit et un poids sur l’outil donnés, la variation de la

vitesse d’avancement en fonction de la vitesse de rotation.

FIG. 2.11 Effet de la vitesse de rotation sur la vitesse d’avancement

On constate sur cette figure que :

• Dans une certaine gamme de vitesse de rotation, l’augmentation de la vitesse

d’avancement est proportionnelle à l’augmentation de la vitesse de rotation. A partir

d’une certaine valeur de la vitesse de rotation, l’augmentation de la vitesse

d’avancement diminue fortement et devient quasiment nulle (environ 100 tours / min

pour les formations dures et 200 pour les formations tendres).


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La raison de cette faible augmentation de l’avancement lorsque la vitesse de rotation

devient relativement importante est due au fait que le temps entre les impacts des

éléments de coupe sur la roche est de plus en plus court. Ce temps devient insuffisant

pour permettre aux éléments de coupe de pénétrer suffisamment dans la formation, de

la fissurer (ce dernier point est supporté par le fait que l’augmentation de la vitesse derotation produit une diminution du couple à l’outil) et pour évacuer les déblais et

nettoyer efficacement le front de taille.

• Contrairement au poids, il n’existe pas de seuil de vitesse pour les formations dures,

l’outil avance dès qu’il commence à tourner.

• L’augmentation de la vitesse de rotation a beaucoup plus d’effet sur les formations

tendres que sur les formations dures (pente de variation de la vitesse d’avancement

plus élevée pour les formations tendres que pour les formations dures).

La vitesse de rotation joue sur la durée de vie de l'outil (usure des roulements) et sur latrajectoire du puits.

En dehors de toute considération de résistance de l’outil (roulements, éléments de coupe,

etc.), ces figures montrent qu’à partir d’un certain poids et d’une certaine vitesse de rotation,

l’augmentation de la vitesse d’avancement est négligeable. Ces limites sont aux environs de

3 kdaN / pouce d’outil et 100 tours / min pour les formations dures et de 2 kdaN / pouce

d’outil et 200 tours / min pour les formations tendres.

2.6.2 Recommandations

Les paramètres poids et vitesse de rotation à appliquer sur un outil varient suivant le type

de l’outil. Les fabricants indiquent pour chaque type la plage de poids et de vitesse de rotation

que l’on peut appliquer (il est recommandé de rester à l’intérieur de ces plages pour ne pas

dépasser les capacités des roulements et des structures de coupe).

Pour forer une formation tendre, le poids à appliquer sera compris entre 1 à 2 tonnes par

pouce de diamètre d’outil (entre 12 et 24 t pour un outil 12 ¼) et la vitesse de rotation sera

comprise entre 200 et 100 tours / minute.

Pour les formations dures, le poids à appliquer sera compris entre 2 et 3.5 tonnes par poucede diamètre d’outil et la vitesse de rotation sera comprise entre 80 et 30 tours / minute.

A titre d’exemple, les tableaux 2.1 et 2.2 indiquent les paramètres conseillés par Hughes

Tool et Security-DBS pour leurs outils. On peut remarquer que, pour le même code IADC, les

plages de poids et de vitesse de rotation ne sont pas identiques d’un fabriquant à l’autre, d’où

l’intérêt de consulter les données constructeur (ces plages peuvent également varier

légèrement d’une région à l’autre).

Type d’outil Code

IADC

Poids en lb /

pouce d’outil

Vitesse de

rotation

Type d’outil Code

IADC

Poids en lb /

pouce d’outil

Vitesse de

rotation


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ATM-1 116 2000-5000 300-80 ATJ-55A 637 3000-6000 70-35

ATM-G1(S) 117 2000-5000 300-80 ATJ-77 737 3000-6000 65-35

ATM-G3 137 2000-5000 300-80 ATJ-99 837 4000-6500 55-30

ATM-05 417 2000-5000 280-70 ATJ-99A 837 3000-6000 65-35

ATM-11 437 2000-5000 280-60

ATM-11H 437 2000-5500 240-60 MAX-Gl 115 1000-4000 350-80

ATM-11C(G) 447 2000-5500 240-60 MAX-G3 135 1000-4000 350-80

ATM-22(G) 517 2000-6000 240-50 MAX -05 415 1000-3500 350-80

ATM-22C 527 2000-6000 240-50 MAX-11H 435 1000-4000 350-80

ATM-33 537 3000-6000 220-40

ATM-33C 547 3000-6000 200-40 ATX-1 114 1500-4000 200-80

ATX-Gl 115 1500-4000 200-80

ATJ-1(S) 116 2000-5000 180-80 ATX-G3 135 1500-4000 200-80

ATJ-2 126 2000-5500 150-70 ATX-05 415 1000-3500 200-80

ATJ-05 417 2000-5000 140-70 ATX-11 435 1000-4000 200-80

ATJ-05C 427 2000-5000 140-60 ATX-11H 435 1500-4000 200-80

ATJ-11S 437 1500-5000 140-60 ATX-11C 445 1500-4500 200-80

ATJ-11 437 2000-5000 140-60 ATX-22 515 1500-4500 200-80

ATJ-11H 437 2000-5500 120-60

ATJ-11C 447 2000-5500 120-60 J2, J2T 126 2000-5500 150-70

ATJ-22S 517 2000-5500 120-60 JG2 127 2000-5500 150-70

ATJ-22 517 2000-6000 120-50 J3 136 2000-6000 120-60

ATJ-22C 527 2000-6000 120-50 JG3 137 2000-6000 120-60ATJ-33S 537 3000-5500 110-50 J4 216 3000-7000 90-50

ATJ-33 537 3000-6000 110-40 JG4 217 3000-7000 90-50

ATJ-33A 537 3000-5000 80-40 J7 316 3000-7500 80-50

ATJ-33C 547 3000-6000 100-40 JG7 317 3000-7500 80-50

ATJ-35C 547 3500-7000 80-40 JG8 347 3000-7500 80-50

ATJ-44 617 3000-6000 80-40

ATJ-44A 617 3000-5500 80-40 G44 612 3000-6000 80-40

ATJ-44C 627 3500-7000 80-40 G55 632 3000-6000 80-40

ATJ-55R 637 3000-6000 70-35 G77 732 3000-6000 70 40ATJ-55 637 4000-7000 70-40 G99 832 3000-6000 70-35

Les plages de poids et de vitesse de rotation représentent les paramètres typiques d’utilisation mais ne vont pas

nécessairement conduire à une durée de vie optimum de l’outil. Il n’est pas recommandé que les limites supérieures de

poids et de vitesse de rotation soient appliquées simultanément.

TAB. 2.1 Recommandation de poids et de vitesse de rotation pour les outils Hughes

4

Outils à picots et paliers lisses étanches


II-17

7/25/2019 For01138 Chap 2



Type

d’outil

Code

IADC

Poids

(lb/pouce

Vitesse derotation

de

diamètre)

Formation

S80F 417 très tendre à faible résistance à la compression 1000-5000 160-70

S81F 427 tendre ayant une faible résistance à la compression 1500-5000 160-70

S82F/CF 437 tendre ayant une faible résistance à la compression 2000-5000 160 - 70

HZS82F 437 tendre ayant une faible résistance à la compression 2000-5000 140-70



HZS84F 517 tendre ayant une faible résistance à la compression 2000-6000 120- 50

S85F/CF 527 tendre à moy. tendre ayant une faible résistance à la compression 2000-6000 120-50



S88FA 547 tendre à moy. tendre ayant une faible résistance à la compression 3000-7000 80-40

S88CFH 547 tendre à moy. tendre ayant une faible résistance à la compression 3000-7000 80-40M84F/CF 617 moyennement dure ayant une forte résistance à la compression 3000-7000 80-40

MAF 617 moyennement dure ayant une forte résistance à la compression 3000-7000 80-40

M85F 627 moyennement dure ayant une forte résistance à la compression 3500-7000 80-40


M89TF 627 moyennement dure ayant une forte résistance à la compression 3500-7000 80-40


H87F 737 dure ayant une forte résistance à la compression 4000-7500 65-35

H89F 817 dure et abrasive 4000-7500 55-40

H100F 837 extrêmement dure et abrasive 4500-7500 50-30

TAB. 2.2a Recommandation de poids et de vitesse de rotation pour les outils Security-DBS :

Outils à dents acier

Roulements à rouleaux non é tanches

S3SJ 111 très tendre ayant une faible résistance à la compression 1000-5000 200-80

S41J 131 tendre à moyennement tendre ayant une faible

résistance à la compression 2000-5500 160 - 60

M4NJ 211 moyennement dure ayant une résistance moyenne à la

compression

2000-6000 120-40

H7SG 333 dure ayant une forte résistance à la compression 3000-6500 80-40

Roulements à rouleaux é tanches

S33S 114 très tendre ayant une faible résistance à la compression 1000-5000 200-80

M44N/M44NG 214/215 moy. dure ayant une résistance moyenne à la compression 2000-6000 120-40

H77SG 314/335 dure ayant une forte résistance à la compression 3000-6500 80-40

Roulements à paliers lisses é tanches

S33SF 116 très tendre ayant une faible résistance à la compression 2000-5000 200-80

S33F/S33TGF 126/127 tendre ayant une faible résistance à la compression 2000-5000 180-80

S44GF 136/137 tendre à moy. tendre ayant une faible résistance à la

compression

2000-6000 150-60

M44NF / M44NGF 216/217 moy. dure ayant une résistance moyenne à la

compression

3000-6500 110-40


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TAB. 2.2b Recommandation de poids et de vitesse de rotation pour les outils Security-DBS

Hughes Tool pour ces outils à picots et à paliers lisses donne le nombre WN, produit du

poids par la vitesse de rotation. Ce nombre permet de déterminer la valeur du secondparamètre à partir de la valeur fixée pour le premier (voir tableau 2.3 et Formulaire du

Foreur). Un exemple d’utilisation du WN est donné en bas de ce tableau.

W/N J11 J11C J22 J22C J33 J33C J33H J44 J44A J44C J55 J55R J77 J99

4 3/4 1150

5 7/8 1250 1200

6 1250 1200 1200

6 1/8 1250 1250 1200

6 1/4 1250 1200

6 1/2 1250 1150 1300 1300 1300

6 3/4 1150 1300

7 7/8 1650 1650 1650 1650 1650 1650 1650 1600 1600 1600 1600 1600 1600 1600

8 3/8 1650 1950 1900

8 1/2 1650 1950 1950 2150 2100 2100 2100 2100 2100

8 3/4 1950 2150 2150 2150 2150 2150 1950 1950 1950 1950 1950 1950

9 1/2 2150 2250 2250 2250 2200 2200 2200 2200 2200

9 7/8 2250 2250 2250 2250 2150 2150 2150

10 5/8 2200 2150

11 2200 2900 2800

12 1/4 2900 2900 2950 2950 2950 3300 3300 3300 3300

TAB. 2.3 Paramètres d’utilisation des outils à picots et paliers lisses (d’apr ès Hughes Tool)

Pour les outils à paliers lisses à inserts le tableau suivant donne le nombre WN, produit du poids (en

kdaN) et de la vitesse de rotation (en tr/min). Ce nombre ne prend en compte que la résistance des paliers. Les

risques de cassure des inserts ou de perte d'étanchéité n'ont pas été considérés lors de sa détermination.

Exemple : 8 1/2, J22 : WN = 1950.

On pourra choisir :

- poids : 19,5 103

daN- vitesse de rotation : 100 tr/min 19,5 x 100 = 1950

ou bien : - poids : 25 103 daN

- vitesse de rotation : 78 tr/min 25 x 78 = 1950

ou toute autre combinaison, selon que l'on voudra privilégier la vitesse de rotation ou

le poids sur l'outil pour une meilleure action sur la formation.

Ces plages d’utilisation des outils sont suffisamment grandes pour pouvoir jouer sur ces

valeurs afin de trouver le couple poids-vitesse optimum. La meilleure façon de déterminer ce

couple est de réaliser un test de forabilité sur chantier (drill off test).


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Le tableau 2.3 mentionne que seule la résistance des paliers est prise en considération dans

le WN. Cela veut dire que, si l’on applique la valeur prévue pour un outil donné, le roulement

ne devrait pas être la cause première de la rupture de cet outil.

2.7 Paramètres hydrauliques

2.7.1 Influence du nettoyage du front de taille sur la vitesse d’avancement

La vitesse de la boue à la sortie de l’outil doit être suffisante pour évacuer rapidement les

déblais du front de taille et pour nettoyer les éléments de coupe de l’outil (l’évacuation des

déblais du front de taille semble être le point qui influence le plus la vitesse d’avancement).Si les déblais se sont pas évacués rapidement du front de taille, il se forme un lit de déblais

réduisant les performances de l’outil et risquant de bourrer les éléments de coupe.

Mais si la vitesse de la boue à la sortie de l’outil est trop élevée, il y a risque d’érosion de

l’outil entra î nant la perte des éléments de coupe et réduisant sa durée de vie.

L’expérience montre qu’une puissance hydraulique comprise entre 2 et 5 hp / in2 (chevaux

par pouce carré d’outil) sur le front de taille permet un bon nettoyage (si inf érieur à 2 risque

que le nettoyage soit insuffisant ; au contraire, si supérieur à 5, risque d’érosion de l’outil et

d’usure prématurée) (figure 2.12). Cela correspond à une vitesse comprise entre 80 et 150 m / sà la sortie des duses de l’outil.

Suivant le passage de la boue à l’outil, on distingue deux types d’outil :

• L’outil conventionnel

L'outil à molettes classique appelé conventionnel comporte un passage de fluide dans

l’axe de l’outil. Le jet de boue est dirigé sur les molettes.

Avec ce système, la vitesse de la boue à la sortie de l’outil ne peut pas être très élevée

car elle produirait une érosion des cônes. Elle est de l’ordre de 30 à 50 m / s, ce qui est

insuffisant pour nettoyer efficacement le front de taille et les performances de l’outilsont faibles.

Ce système utilisé sur les premiers tricônes est pratiquement totalement abandonné. Il

n’est plus guère utilisé que sur les outils de grand diamètre et sur les outils bon marché

destinés aux formations tendres et peu profondes.


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FIG. 2.12 Effet de la puissance hydraulique à l’outil sur la vitesse d’avancement

• L’outil à duses (jet bit)

Les évents de l'outil conventionnel ont été remplacés par des duses interchangeables

placées sur le côté de l'outil, une entre chaque molette. Le jet de boue est dirigédirectement sur le fond du trou. Lorsque la vitesse du jet de boue est suffisante, les

déblais sont évacués efficacement du front de taille (les déblais de forage obtenus avec

les outils à duses sont de dimensions plus grandes que ceux obtenus avec les outils

conventionnels). L’utilisation de duses interchangeables a permis d’augmenter les

performances des outils à molettes.

Dans les formations tendres, l’impact de la boue sur le front de taille participe pour une

grande part à la destruction de la roche (forage par jetting).

Les duses sont faites en carbure de tungstène pour réduire l’érosion. Leur mode de

fixation varie suivant les fabricants (le clip est le système le plus couramment utilisé).

Le diamètre est exprimé en 32è de pouce.

Une vitesse à la sortie des duses comprise entre 80 et 150 m/s permet de nettoyer

correctement le front de taille. Une vitesse supérieure à 150 m/s risque de produire une

érosion de l’outil. Le diamètre des duses sera choisi en fonction du débit de circulation

utilisé pour nettoyer le trou et de la vitesse que l’on veut avoir à la sortie de l’outil (voir

paragraphe 5.1 Choix du diamètre des duses).

On constate que plus la duse est près du front de taille, plus le nettoyage est efficace.

Les fabricants proposent des outils avec des duses rallongées (extended nozzles), avec

des duses inclinées, avec une quatrième duse au centre de l’outil. Toutes ces adaptations

ont pour but d’améliorer le nettoyage du fond du trou, d’éviter le bourrage de l’outil et


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donc d’accro î tre la vitesse d’avancement (jusqu’à 30 % d’augmentation de la vitesse

d’avancement dans certaines formations).

Le gain en performance obtenu avec ces diff érentes adaptations peut ne pas être

rentable dans certains types de formations à cause du coût supplémentaire de l’outil.

2.7.2 Influence des caractéristiques de la boue sur la vitesse d’avancement

2.7.2.1 Densit é

La figure 2.13 montre l’effet de la pression diff érentielle (diff érence entre la pression

exercée par le fluide de forage dans le puits à un niveau donné et la pression de pore dans la

formation au même niveau) sur la vitesse d’avancement.

FIG. 2.13 Effet de la pression diff é rentielle sur la vitesse d’avancement

Avec une pression diff érentielle nulle (ou négative dans le cas du forage à l’air), la

pression de formation facilite l’expulsion des déblais du front de taille et le nettoyage. Avec

une pression diff érentielle positive, la pression exercée par le fluide de forage tend à plaquer

les déblais sur le front de taille et rend le nettoyage moins efficace.

Les meilleures vitesses d’avancement sont obtenues en forant avec une boue de densité la

plus faible possible.


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2.7.2.2 Filtration

Dans le cas d'une formation poreuse et perméable, les éléments solides de la boue se

déposent sur la paroi du puits et forment le cake tandis que le filtrat (phase liquide de la boue)

pénètre dans la formation. La filtration s’arrête lorsque le cake est étanche.

Sur le front de taille, la progression de l’outil ne permet pas la formation de cake.

Dans une formation perméable, la filtration tend à équilibrer la pression entre le puits et la

formation sous le front de taille. La filtration facilite donc le décollement des déblais et leur

évacuation.

Dans les formations non perméables, le fluide pénètre dans les fissures créées par l’outil

dans la roche et facilite le décollement des déblais et leur évacuation.

Dans le cas de formations réactives (argiles gonflantes, etc.), l’effet de la filtration peut

devenir rapidement un inconvénient entra î nant le bourrage de l’outil.

2.7.2.3 Viscosit é

La figure 2.14 montre l’effet de la viscosité sur la vitesse d’avancement.

FIG. 2.14 Effet de la viscosit é sur la vitesse d’avancement

La viscosité agit sur la mobilité des déblais. Avec une viscosité élevée, les déblais ont

tendance à rester collés sur le front de taille entra î nant leur rebroyage et donc une diminution

des performances de l’outil. Les meilleures vitesses d’avancement seront obtenues avec un

fluide ayant la plus faible viscosité à la sortie des duses de l’outil.


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2.7.2.4 Teneur en solide

La densité et la viscosité du fluide de forage sont fonction de la teneur en solide. Une

teneur en solide élevée va réduire les performances de l’outil.

FIG. 2.15 Effet de la teneur en solides sur la vitesse d’avancement

2.7.2.5 Nature de la boue

A l’exception des formations facilement réactives à la boue à base d’eau et devenant

collantes (argiles gonflantes), la boue à l’huile a un effet plutôt négatif sur les performances

des outils à molettes à cause de son action lubrifiante qui retarde la pénétration des dents dans

la roche. Dans les formations réactives, l’huile mouille les déblais, les réactions entre le fluide

et les déblais sont limitées, le nettoyage des éléments de coupe et du front de taille se trouve

amélioré.

D’une façon générale, la boue à l’huile réduit la filtration et limite l’avancement en milieu

perméable.

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