La technique de Foration utilisée

La technique de foration utilisée pour la réalisation des forages que nous avons suivis est la technique de forage au rotary à la boue. Elle est relativement récente, ses premières utilisations remontent aux années 1920. Le forage au rotary est utilisé spécialement dans les terrains sédimentaires et peu consolidés.

 Principe

La méthode de forage au rotary utilise un outil, le trépan monté au bout d’une ligne de sonde (ensemble de tiges vissées les unes aux autres) qui est animé d´un mouvement de rotation de vitesse variable et d´un mouvement de translation verticale sous l´effet d´une partie du poids de la ligne de sonde ou d´une pression hydraulique. Le mouvement de rotation est imprimé au train de tiges et à l´outil par un moteur situé sur la machine de forage. Les tiges sont creuses et permettent l´injection de la boue au fond du forage. Les outils utilisés en rotation sont des trépans de plusieurs types en fonction de la dureté des terrains rencontrés (outils à lames, outils à pastilles, molettes ou tricône, outils diamantés). Au-dessus du trépan, on peut placer une ou plusieurs masses-tiges très lourdes qui accentuent la pression verticale sur l´outil et favorisent la pénétration et la rectitude du trou. Le forage au rotary nécessite l´emploi d´un fluide de forage préparé sur le chantier.

 Eléments de foration

Les tiges de foration permettent la transmission de la rotation de la tête à l’outil et le passage du fluide de forage jusqu’à ce dernier. La masse-tige a pour rôle de :

 Mettre du poids sur l'outil pour éviter de faire travailler les tiges de forage en compression.

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

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Les outils de forage ont évolué au cours du temps pour répondre aux problèmes techniques du forage qui deviennent de plus en plus complexes. Toutes ces évolutions ont eu pour but d’augmenter la vitesse d'avancement et la durée de vie des outils, et donc de réduire le coût du forage. Ils se classent en trois catégories :

- Les outils à lames : Ces outils travaillent comme une fraise dans le métal, ils font des copeaux dans les terrains, ils sont employés dans les terrains sédimentaires à structures fines et peu durs. Il y a trois types d’outils : les outils à deux lames (queue de poisson), outil à trois lames et outil à plusieurs lames (plusieurs étages de diamètres différents).

- Les outils à molettes : ils sont constitués de trois cônes tournant de façon indépendante et montés sur trois bras réunis entre eux par soudure constituant le corps de l’outil. Plusieurs types de roulements sont utilisés (rouleaux avec ou sans étanchéité, paliers de friction, système de lubrification, etc.). Ces outils travaillent principalement en compression.

- Les outils en diamant (outils à éléments de coupe fixes) ils ne possèdent pas de pièces tournantes ; ce sont des outils monoblocs. Des diamants naturels et du tungstène sont utilisés pour leur fabrication

Photo 1 : Outils de forage trilame et tricône

 Avantages

- La profondeur du forage peut être très importante, la foration n´est pas perturbée par les terrains peu stables ou plastiques, sous réserve de l´utilisation d´un fluide de forage adapté. La perméabilité de la formation autour du trou est peu perturbée par le fluide de forage.

- Les forages de grands diamètres sont exécutés rapidement et économiquement

- Pas de tubage pendant la foration - Facilité de mise en place de la crépine

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- Bons rendements dans les terrains tendres - Consommation de l’énergie économique

- Ce système permet un bon contrôle des paramètres de forage (poids de l´outil, vitesse de rotation, qualité de la boue, débit d´injection de la boue) en fonction des terrains à traverser.

- Le forage au rotary consolide les parois en terrains meubles par dépôt d´un cake.

 Inconvénients :

- Nécessite beaucoup d’eau

- Nécessite un grand investissement (important déploiement de matériel) - Seuls les sites accessibles peuvent être forés avec ce matériel lourd.

- Nécessité d´un fluide de forage qui ne permet pas d´observation directe de la qualité des eaux des formations traversées

- Colmatage possible des formations aquifères par utilisation de certaines boues (bentonite)

- Difficulté d´observation des cuttings, la présence de tamis vibrants en circuit retour diminue sensiblement cet inconvénient

 La Boue de forage

La boue de forage est un élément essentiel dans la réalisation d’un forage par la technique du forage au rotary à la boue. Sa mise en œuvre doit respecter des critères donnés afin qu’elle joue bien son rôle de consolidation au risque qu’il y ait éboulement et donc perte de l’ouvrage en cours de réalisation

- Composition de la boue : Pour la préparation de la boue, on se conforme à des normes en vigueur qui stipulent la composition de la boue en tenant compte des conditions géologiques et hydrogéologiques de la région concernée. En l’absence d’informations géologiques et hydrogéologiques sur la nature du terrain, il est conseillé d’utiliser de la Bentonite ou du polycol que l’on mélange à de l’eau afin d’augmenter la densité de celle-ci et d’avoir une boue dont on pourra faire varier la densité par la suite.

Boue à la bentonite : la bentonite c’est une variété d’argile très fine : la dimension des particules est inférieure à 1 μm et de densité 2,6. A l’hydratation, le volume

devient 12 à 15 fois et parfois 30 fois plus grand.

- Rôles de la boue : Les principaux rôles de la boue de forage sont :

 La consolidation et le soutènement des parois de forage par le dépôt de cake sur les parois

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 La remontée au jour des sédiments broyés (cuttings)

 Le maintien des cuttings en suspension (très important dans le cas où il se produit un arrêt de circulation)

 Le refroidissement des outils de forage et de carottage, ainsi que leur lubrification (graissage) et leur nettoyage pour éviter leur usure

 L’augmentation par le jet, de l’action abrasive de l’outil de forage sur le terrain car le fluide sort des trous du trépan à forte pression

 La facilité et le contrôle des opérations de mise en place du gravier et de cimentation

 L’équilibrage des pressions hydrostatiques des couches d’aquifères afin de juguler les jaillissements des forages artésiens, car un brusque jaillissement d’eau peut détériorer le forage et occasionner des blessures sur les personnes présentes

 La protection contre le gonflement ou l’affouillement (creusage) de certaines couches traversées.

- Caractéristiques de la boue de forage :

 Caractéristiques physico- chimiques

Densité : Elle doit être voisine de 1,2 et est mesurée avec un densimètre. La boue favorise l’ascension des cuttings et permet l’équilibre des pressions hydrostatiques. Pour une boue à densité élevée, il y a risque de détachement des parois (de la boue), et de retombée dans le trou de forage provoquant le coincement de l’outil. On utilise parfois la baryte (BaSO4) de densité 4,3 pour alourdir la boue.

 Caractéristiques rhéologiques :

 Viscosité : Elle doit être voisine de 35s et est mesurée à l’aide de l’entonnoir de MARSH. Une viscosité élevée provoque des difficultés pour le pompage de la boue et une boue à viscosité moins élevée perd sa propriété de consolidation des parois tandis qu’une boue possédant une viscosité correcte permet d’avoir un outil bien dégagé, une bonne remontée des cuttings, de réduire les pertes de charge dans le train de sonde et le dépôt plus rapide des cuttings dans les fosses de décantation.

 Filtrat : c’est la propriété de laisser filtrer de l’eau au travers de la paroi.

 Cake : c’est la croûte formée par la boue sur les parois du trou de forage.

S’il est trop épais, il risque de colmater les formations. On mesure son épaisseur à l’aide du diameter.

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 Thixotropie : c’est la propriété d’une boue de passer d’une consistance rigide à un aspect fluide sous l’effet de brassage (agitation).

 Yield value : c’est la tension limite de cisaillement au-dessus de laquelle le fluide ne s’écoule pas.

 Teneur en sable : provenant du terrain de forage, le sable est dangereux par son action abrasive dans tout le circuit où il circule (spécialement pour les pompes à boue), et il augmente la densité de la boue. On recommande de ne pas dépasser une teneur maximale de 5%.

 pH : le pH permet d’indiquer l’acidité ou l’alcalinité de la boue. Une boue dont le pH < 7 provoque un risque de floculation, alors qu’une boue dont le pH > 10 indique sa contamination par le ciment ou par l’eau de l’aquifère.

Les caractéristiques idéales d’une boue neuve sont :

 viscosité = 35 à 40 secondes mesurée par le viscosimètre (entonnoir) de MARSCH.

 pH = 7 à 9

 Teneur en sable = 0,5%.

- Circuits de la boue de forage :

La circulation de boue dans le forage s’opère en deux modes :

 Circulation normale ou directe: Dans le circuit normal le fluide est refoulé dans le train de tiges à partir de la pompe à boue, circule du haut vers le bas pour sortir au fond du trou de forage à travers les trous de l’outil de forage (trépan),se mélange avec les cuttings, puis le mélange fluide- cuttings remonte dans l’espace annulaire (espace entre les parois de forage et les parois de tubages) pour rejoindre la fosse à boue où s’effectue la décantation ; puis de nouveau elle sera aspirée par la pompe à boue et refoulée vers le train de tiges, et ainsi de suite.

 Circulation inverse : Dans la circulation inverse, le fluide est refoulé dans l’espace annulaire, et le mélange fluide- cuttings remonte dans le train de tige en entrant par les trous se trouvant au fond du trépan.

Dans le cas des deux forages que nous avons suivi, le mode de circulation de la boue est celle directe.

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- Avancement : Le mouvement de rotation des tiges contrôlé à partir du panneau de contrôle ainsi que le poids de ces dernières induisent l’effet d’abrasion de la roche et permettent ainsi l’avancement. Le forage doit se faire jusqu’au bout de la tige afin de permettre lors du changement de tige de garder un espace entre le fond de trou et l’outil de forage. En fin de tige, il faut remonter puis redescendre de façon plutôt brusque la tige afin de contrôler le flux et nettoyer les parois du trou. Les cuttings qui sont remontés avec la boue augmentent sa densité ce qui a tendance à ralentir la circulation de la boue. Les ouvriers sont donc amenés à débarrasser régulièrement la boue de ces cuttings afin qu’elle puisse circuler vers la fosse. Lorsque la boue n’est plus chargée, on pourra procéder à l’ajout d’une nouvelle tige.

- Ajout de tige : Pour ajouter une tige, on fixe la tête de rotation sur une tige dans la loge à tige, puis on fait descendre l’ensemble tête de rotation-tige sur le réducteur et on les raccorde à l’aide de la clé à chaîne ou en insufflant un mouvement de rotation à la tige sur le pas de vis à partir du panneau de contrôle; Ensuite, on retire la clé à chaîne et on commence à forer. A partir de ce moment, on ouvre la vanne d’alimentation de la tête d’injection en boue. Les tiges seront ainsi ajoutées jusqu’à ce que l’aquifère soit atteint.

On reconnaît cela quand les cuttings prélevés sont du sable de couleur propre (blanc) peu grossiers.

- Retrait de tige : Pour retirer une tige, on dévisse l’ensemble supérieur tige-tête de rotation de la tige inférieure puis on les remonte. Ensuite, on place la tige dans la loge à tiges en la dévissant de la tête de rotation et on fait descendre la tête de rotation pour passer à la tige suivante. Lorsque l’on doit procéder au cours du forage à un changement de l’outil de foration c’est-à-dire passer du trilame au tricône par exemple, on remonte toutes les tiges une par une et on nettoie le trilame ; Pendant ce temps, le tricône est monté sur le réducteur et on insère à nouveau toutes les tiges dans le forage.

La fiche de foration est remplie par le contrôleur et elle permet de savoir combien de tiges ont été utilisées, la durée que chacune d’elle a mise pour finir ainsi que l’outil en place à ce moment.

- Analyse des cuttings : Pendant la foration, les cuttings sont prélevés à chaque mètre foré ce qui permet à la fin du forage d’établir la lithologie du sol et aussi et surtout de savoir où se trouve la zone d’aquifère afin de stopper le forage au moment et à l’endroit opportun. Ils sont recueillis à la

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main puis passer à l’eau afin d’enlever la boue de forage dont ils sont recouverts et qui ne facilite pas l’identification des roches.