A propos de l'auteur：Steve Devereux, C.Eng, FCIArb

Steve Devereux, C.Eng, FCIArb, est un ingénieur de forage et un consultant avec plus de 40 ans d'expérience internationale dans les opérations pétrolières et gazières. Il est spécialisé dans la conception de puits, l'optimisation des performances des trépans et l'efficacité du forage. Steve est l'auteur de Manuel pratique de planification et de forage des puits et La technologie du forage en langage non techniqueIl continue à partager son expertise avec des ingénieurs et des professionnels du monde entier par le biais d'activités de conseil, de formation et de rédaction technique.

Dans l'ingénierie de forage moderne, le développement de la technologie des trépans détermine presque la limite supérieure de l'efficacité et du coût de l'ensemble du forage. Parmi les nombreux types de forets, Foret PDC est progressivement devenu le choix principal pour le forage du pétrole et du gaz, le forage géothermique et l'exploitation des ressources non conventionnelles en raison de sa grande efficacité, de sa résistance à l'usure et de sa stabilité.

Des premiers outils expérimentaux aux outils de forage performants d'aujourd'hui, largement utilisés dans des formations complexes, l'évolution technologique des trépans PDC est une fusion de la science des matériaux, de la conception mécanique et de l'expérience sur le terrain. Elle a non seulement modifié la manière dont la roche est brisée, mais a également remodelé le modèle économique des opérations de forage.

Ce document présentera de manière systématique les composition structurelle, méthode de classification, adaptabilité de la formation, méthode d'optimisation des paramètres et système d'évaluation des performances du trépan PDC et la pratique de l'ingénierie, du point de vue de la théorie et de la pratique, expliquent pourquoi le trépan PDC peut se démarquer dans l'ingénierie de forage moderne et devenir l'équipement de base d'un forage efficace.

Fondement et structure du bit PDC

Qu'est-ce qu'une mèche PDC ?

Le PDC, dont le nom complet est Polycrystalline Diamond Compact (diamant polycristallin compact). En termes simples, il ne s'agit pas d'un trépan traditionnel à dents ou à plaquettes en acier, mais d'un outil qui "cisaille" la roche à travers les particules de diamant de la feuille composite PDC. Le compact PDC est formé par le frittage d'une couche de diamant polycristallin extrêmement dur sur un substrat de carbure de tungstène. Sa dureté n'a rien à envier à celle du diamant naturel, mais sa ténacité est supérieure à celle du diamant naturel et son coût est plus contrôlable.

Je pense personnellement que la raison pour laquelle le trépan PDC peut devenir le courant dominant est qu'il a une grande efficacité de coupe, une vitesse de forage rapide et une longue durée de vie. La principale différence avec le trépan à cône traditionnel réside dans le principe de fonctionnement de la "coupe" et du "broyage". Le trépan traditionnel est davantage un outil de broyage par impact, tandis que le PDC est un outil de coupe continue, dont l'efficacité est naturellement différente.

Composition de la structure de l'embout PDC

Un foret PDC semble assez compliqué, mais il ne comporte que quelques éléments essentiels.

1. Corps du bit: C'est le "squelette" du foret ". Il en existe deux types principaux : les mèches en acier et les mèches matricielles.
   • Foret à corps d'acierLe corps principal est en acier et la feuille composite PDC est soudée sur le corps en acier. Ses avantages sont une grande résistance et un contrôle relativement bon de la précision du traitement, mais son inconvénient est que sa résistance à l'usure est relativement faible, en particulier dans les formations très abrasives. En général, nous l'utilisons davantage dans des formations relativement stables ou lorsqu'une plus grande précision dimensionnelle est requise.
   • Foret matriciel: Il s'agit d'un processus de métallurgie des poudres, de moulage par frittage de la poudre de carbure de tungstène. Le compact PDC est directement intégré dans la matrice. L'avantage du trépan à matrice est son excellente résistance à l'usure et sa forte résistance à l'érosion. Il est particulièrement adapté au forage dans les roches dures ou les formations abrasives. L'inconvénient est que le processus de production est compliqué, que le coût est élevé et que la réparation est un peu plus difficile. Le choix dépend principalement de la situation spécifique de la formation souterraine et de notre budget.
2. Conception de l'œil de l'eau: Ses principales fonctions sont au nombre de trois :
   • Refroidissement: La fraise PDC génère beaucoup de chaleur lors de l'abattage de la roche à grande vitesse, et le fluide de forage pulvérisé à partir du trou d'eau peut refroidir efficacement la feuille composite PDC et empêcher la surchauffe de provoquer des défaillances.
   • Enlèvement des débrisLes débris de coupe doivent être évacués du fond du puits à temps, sinon ils seront broyés à plusieurs reprises, ce qui affectera l'efficacité du forage et entraînera même des blocages. Le fluide de forage injecté par le trou d'eau peut laver efficacement les débris et les évacuer du puits.
   • Nettoyage du fond du puits: Maintenir le fond du puits propre afin que la fraise PDC puisse mieux entrer en contact avec la roche et jouer un rôle de coupe. La conception de l'œil à eau, y compris le nombre, la taille et l'angle d'injection, est calculée avec précision pour former le meilleur champ d'écoulement et améliorer l'efficacité du forage.
3. Bande de roulement et lame: Cette partie est en contact direct avec la "face de travail" de la roche.
   • Bande de roulementLa tête de forage : il s'agit de la partie du corps de la foreuse où la fraise PDC est installée. Sa forme géométrique et la disposition de la fraise PDC ont une incidence directe sur l'efficacité de la coupe et la stabilité du trépan.
   • Aile de couteau: Il s'agit d'une structure surélevée sur la bande de roulement, sur laquelle est également incrustée la fraise PDC. La conception des lames, notamment leur nombre, leur hauteur et leur angle d'hélice, est essentielle pour la direction du trépan (contrôle de la direction du trépan dans le puits de forage), la capacité à résister à l'usure excentrique et la trajectoire d'élimination des débris. Une bonne conception des lames peut permettre au trépan de "marcher plus régulièrement et plus droit" dans le puits et, en même temps, de mieux évacuer les débris de coupe vers le haut.

Classification des embouts PDC

Il existe de nombreux types de mèches PDC, et leur classification repose principalement sur plusieurs éléments essentiels : le matériau du corps de la mèche, le type et la disposition des dents de coupe, ainsi que le nombre et la forme des lames.

Selon la classification des matériaux du corps de la foreuse :

Il s'agit de l'une des classifications les plus fondamentales et les plus critiques, qui détermine directement la solidité, la résistance à l'usure et la réparabilité du trépan.

Trépans PDC à corps en acier :

Ce type de foreuse est celui que nous voyons le plus souvent dans notre travail quotidien. Le corps de la foreuse est fait d'un alliage d'acier à haute résistance et la structure est plus flexible, la conception de l'écoulement de l'œil de l'eau peut être très libre. Ce que j'aime le plus, c'est que la foreuse en acier est très facile à réparer. Une fois qu'il est un peu usé ou endommagé, nous pouvons le réparer et le réutiliser. C'est un grand avantage pour la maîtrise des coûts.

Je les utilise généralement dans des formations moyennement tendres à moyennement dures, en particulier dans les sections qui nécessitent des déplacements fréquents pour des réparations. Bien entendu, si l'abrasivité de la formation est trop élevée ou s'il y a trop de fissures, la durée de vie du trépan en acier sera limitée. Pour l'instant, je dois envisager d'autres options.

Corps Matrix Bits PDC :

Le corps du foret est fritté par de la poudre de carbure de tungstène à haute température. Sa dureté et sa résistance à l'usure sont tout simplement incomparables à celles des forets en acier, et sa résistance à l'érosion est particulièrement élevée.

Lorsque je suis confronté à des formations particulièrement dures et très abrasives, ou à des puits profonds et complexes nécessitant une longue durée d'exploitation et des exigences élevées en matière d'érosion, je pense en premier lieu au trépan matriciel. Bien que le coût initial soit effectivement beaucoup plus élevé que celui du trépan en acier, sa longue durée de vie peut souvent apporter des avantages globaux plus importants.

Classés par type de fraise PDC et par disposition :

La fraise PDC est la "dent" du trépan PDC. Son type et sa disposition affectent directement l'efficacité de la rupture de la roche et la stabilité du trépan.

Foret PDC à plan commun :

C'est probablement la plus courante, la fraise PDC est plate, l'avantage est qu'elle est simple et fiable, la capacité de briser la roche directement.

Fraise PDC concave/convexe :

Aujourd'hui, nous utilisons de plus en plus de dents de cette forme. J'ai observé que la fraise PDC concave peut mieux "saisir" la roche pendant le processus de forage, optimiser la distribution de la force de coupe et réduire l'usure de la fraise PDC, en particulier dans certaines formations à forte plasticité. Les dents convexes peuvent améliorer l'agressivité du foret dans une certaine mesure, aider à briser des roches plus dures, mais aussi améliorer l'efficacité de l'enlèvement des copeaux. Je pense que ce petit ajustement de la géométrie peut souvent apporter des améliorations de performance inattendues.

Foreuse asymétrique PDC :

Le trépan avec cette disposition me donne un sentiment de "stabilité". La disposition irrégulière de la fraise PDC permet de réduire efficacement les vibrations du trépan au fond du puits et de prévenir la défaillance prématurée des dents de coupe. À mon avis, les vibrations sont l'une des principales causes de mortalité des foreuses. La disposition asymétrique joue donc un rôle irremplaçable dans l'amélioration de la stabilité des foreuses et la prolongation de leur durée de vie.

Selon le nombre et la forme de la classification des lames :

Le nombre et la forme des lames influencent la vitesse de forage, la capacité d'enlèvement des copeaux et le guidage du trépan.

Mèches PDC multilames :

Plus de lames signifie plus de fraises PDC, de sorte que dans les formations plus tendres, le taux de pénétration sera très rapide et le trépan sera plus stable. J'utilise généralement des trépans multilames dans les puits peu profonds ou les formations tendres présentant une bonne homogénéité, ce qui permet d'améliorer l'efficacité de l'ingénierie.

Mèches PDC à peu de lames :

Relativement parlant, le trépan à faible lame présente plus d'avantages dans l'évacuation des déblais, en particulier dans les formations visqueuses sujettes à l'effet de sac de boue ou à la nécessité d'appliquer une pression de forage plus importante pour briser la roche. Il peut assurer l'évacuation en temps voulu des déblais rocheux et empêcher le trépan de "glisser" ou d'avoir un "sac de boue".

Embouts PDC à lame hélicoïdale :

La conception de la lame en spirale est, à mon avis, une optimisation très intelligente. Elle permet un meilleur guidage, de sorte que le trépan se déplace plus facilement dans le puits de forage, ce qui réduit considérablement les vibrations. J'aime particulièrement utiliser ce trépan lors du forage de puits directionnels ou horizontaux. Il peut m'aider à contrôler la trajectoire du puits avec plus de précision et à réduire le risque d'instabilité du puits.

Application du trépan PDC dans l'ingénierie de forage

Adaptabilité de la formation et sélection du type de mèche PDC

• Formations molles: Pour les formations molles et plastiques, telles que le mudstone ou le grès non consolidé, ma préférence va aux trépans PDC dotés de fraises PDC plus grandes et de lames plus agressives. Comme vous pouvez l'imaginer, c'est comme utiliser une pelle tranchante pour creuser un sol mou, ce qui nécessite une plus grande zone de coupe et un espace d'évacuation des copeaux plus efficace. Ces foreuses sont généralement très intrusives et possèdent d'excellentes capacités d'enlèvement des copeaux, ce qui permet d'augmenter considérablement le taux de pénétration (ROP), qui est ce que nous apprécions le plus dans les formations tendres.
• Formation moyennement dure: Lorsqu'il s'agit de formations moyennement dures telles que le schiste et le grès serré, la stratégie de sélection devient plus équilibrée. Nous ne pouvons pas rechercher aveuglément une vitesse de forage élevée au détriment de la durée de vie du trépan, après tout, les déplacements fréquents pour remplacer le trépan prennent du temps et sont laborieux. Je préférerais un outil de coupe PDC de taille modérée et une lame dont la conception allie invasivité et stabilité. Ce type de foret doit pouvoir offrir une résistance à l'usure suffisante tout en garantissant une certaine vitesse de forage. En clair, il s'agit de trouver le meilleur "dessert" pour que la vitesse de forage et la durée de vie atteignent un niveau satisfaisant.
• Formations dures et formations abrasives: Pour le granit dur, le quartzite et même les formations contenant un grand nombre de minéraux abrasifs, c'est le test des forets PDC. Pour l'instant, ce que j'apprécie le plus, c'est la résistance à l'usure et la robustesse du foret. Nous choisirons les trépans dotés d'une fraise PDC à haute résistance à l'usure, et la conception du corps du trépan doit également être extrêmement solide pour résister aux fortes charges d'impact et à l'abrasion.

Optimisation des paramètres de travail du trépan PDC

Le choix du bon foret PDC ne représente que la moitié du succès. La manière de l'utiliser et de lui permettre d'exploiter tout son potentiel est ce que nos ingénieurs doivent vraiment prendre en compte. Pression du trépan, vitesse, couple et paramètres hydrauliques, tout mauvais réglage affectera l'effet final.

• Poids sur la mèche (WOB) : Un poids raisonnable sur le trépan est une condition préalable à un fonctionnement efficace des trépans PDC. Si le poids sur le trépan est trop faible, la fraise PDC ne peut pas s'enfoncer efficacement dans la formation, ce qui entraîne une augmentation du dérapage et de l'usure, et la vitesse de forage ne peut pas être augmentée naturellement. Si le poids sur le trépan est trop élevé, il peut entraîner une surcharge de la fraise PDC et même endommager le corps du trépan. Cela augmente également le risque de flexion du train de tiges et d'irrégularités dans le trou. Mon expérience consiste à trouver une plage optimale de poids sur le trépan en fonction de la dureté de la formation, du type et de la taille du trépan, et de la surveillance en temps réel de la vitesse de forage, du couple et d'autres données. Dans la pratique, j'augmente progressivement le poids sur le trépan et j'observe la courbe d'élévation de la vitesse de forage. Lorsque la courbe tend à s'aplanir ou que des vibrations anormales commencent à apparaître, je sais que la limite approche.
• Vitesse de rotation (RPM) : La vitesse de rotation est étroitement liée à la vitesse de forage, aux vibrations et à l'usure de la fraise PDC. D'une manière générale, l'augmentation de la vitesse de rotation peut accroître la vitesse de forage, mais une vitesse de rotation trop élevée entraînera de violentes vibrations du trépan, ce qui non seulement affectera la qualité du trou de forage, mais accélérera également l'usure et même l'érosion de la fraise PDC. Dans les formations tendres, la vitesse peut être augmentée de manière appropriée pour accroître la vitesse de forage, tandis que dans les formations dures, il est nécessaire de réduire la vitesse et d'augmenter le poids sur le trépan pour obtenir un effet de coupe stable. J'utilise souvent les données de vibration fournies par les outils de fond de trou pour guider le réglage de la vitesse, dans la mesure du possible pour éviter la résonance.
• Couple: Le couple est un indicateur important pour juger de l'état de fonctionnement du foret. Les fluctuations normales du couple indiquent que le forage est efficace. Si le couple augmente soudainement, cela peut signifier que le trépan est bloqué, que des déblais s'accumulent au fond du puits ou que la formation devient soudainement dure ; si le couple diminue soudainement, cela peut signifier que le trépan saute et que l'efficacité de la coupe diminue. J'ai l'habitude de fixer une limite supérieure et une limite inférieure pour le couple, et lorsqu'il est hors de la plage, j'ajuste immédiatement le poids sur le trépan ou la vitesse. Il est important d'éviter le blocage du trépan, car cela peut endommager le train de tiges ou même provoquer un accident au fond du trou.
• Paramètres hydrauliquesLes performances de la boue, la capacité de la pompe et la taille du trou d'eau sont déterminantes pour l'efficacité du refroidissement et de l'évacuation des copeaux des trépans PDC. La boue doit avoir une capacité de transport suffisante pour évacuer à temps les déblais au fond du puits. La capacité de la pompe et la taille du trou d'eau déterminent la puissance hydraulique au fond du puits, ce qui affecte directement l'effet de refroidissement de la fraise PDC et la propreté du fond du puits. Si le refroidissement n'est pas bon, la fraise PDC surchauffera et tombera en panne ; si l'enlèvement des copeaux n'est pas régulier, les copeaux seront broyés à plusieurs reprises au fond du puits, ce qui entraînera une usure plus importante du trépan et même un "sac de boue" du trépan. Je choisis généralement la combinaison de trous d'eau et la capacité de la pompe appropriées en fonction de la conception du trou d'eau et des conditions de formation du trépan afin de garantir que le fond du puits est toujours propre et frais.
• L'initiative dite "Paramètre dessert"est la meilleure combinaison de paramètres tels que la pression du trépan, la vitesse, le couple et la capacité de la pompe dans des conditions de formation spécifiques. Il ne s'agit pas d'une valeur fixe et elle s'ajuste dynamiquement en fonction des changements de la formation. Je continuerai à prêter attention aux paramètres de forage en temps réel, combinés aux données de diagraphie géologique, en me basant sur l'expérience pour juger des changements de formation, puis en procédant à un ajustement petit à petit des paramètres. Par exemple, lorsque la formation devient dure, j'augmenterai le poids du trépan et réduirai la vitesse de manière appropriée ; lorsque la formation devient molle, j'augmenterai la vitesse et réduirai légèrement le poids du trépan. Cette capacité d'ajustement dynamique est la clé d'un forage efficace.

Évaluation des performances et analyse des défaillances d'un embout PDC

Après l'introduction du trépan dans le puits, comment se comporte-t-il ? Comment juger et résoudre le problème ? Pour ce faire, nous devons disposer d'un système d'évaluation rigoureux et d'une méthode d'analyse des défaillances.

• Indicateurs clés de performance: Le taux de pénétration (ROP) est sans doute l'indicateur le plus intuitif, qui est directement lié au cycle et au coût du forage. Toutefois, outre le taux de pénétration, il convient également de prêter attention à la durée de vie du trépan (métrage total). Après tout, la foreuse est rapide mais sa durée de vie est courte, et un remplacement fréquent n'est pas rentable. La qualité du trou de forage est également un indicateur important, et les trous de forage irréguliers peuvent causer des problèmes pour le tubage. Ces données constituent nos critères rigoureux pour évaluer les performances des trépans PDC.
• Mode d'usure :
  • Abrasion: Il s'agit de l'usure la plus courante, et la surface de travail de la fraise PDC s'aplatit progressivement. Elle est généralement due aux propriétés abrasives élevées de la formation, ou à l'inadéquation entre la pression du trépan et la vitesse de rotation, qui fait que les dents de coupe broient de manière répétée la formation sans effectuer de coupe efficace.
  • Crash: Le bord de la fraise PDC est ébréché. Cela est souvent dû à des charges d'impact excessives (par exemple, rebond du trépan, rencontre de couches intermédiaires ou de nodules durs), ou à un poids trop élevé sur le trépan, qui dépasse la résistance à l'impact de la fraise PDC.
  • Chute: L'ensemble de la fraise PDC s'est détaché du corps du trépan. Cela peut être dû à la faiblesse du soudage des dents de coupe ou à la déformation du corps du trépan sous l'effet de charges extrêmes, ce qui entraîne une concentration de contraintes à la racine de la fraise PDC et sa chute.
  • Dommages thermiques : La performance de la couche de PDC se dégrade en raison de la surchauffe, qui se manifeste généralement par une coloration plus foncée de la couche de PDC, voire par des fissures. Ce phénomène est dû à un refroidissement insuffisant, à une vitesse de forage excessive ou à une pression de forage excessive, ce qui entraîne une production de chaleur par frottement, et la chaleur ne peut être dissipée à temps.
• Dépannage: Lorsque le trépan sort, je vérifie toujours soigneusement s'il est usé. S'il s'avère que les dents de coupe sont généralement fortement abrasées mais pas ébréchées, cela peut signifier que la résistance à l'usure du trépan que nous utilisons est insuffisante, ou que les paramètres de forage (en particulier le trépan et la vitesse) doivent être ajustés pour améliorer l'efficacité de la coupe. S'il y a de nombreux effondrements, il est probable que la charge d'impact est trop importante dans la formation dure, ou que de graves vibrations se produisent, et qu'il est nécessaire d'ajuster les paramètres ou de remplacer le trépan avec une plus grande résistance à l'impact. Grâce à ces "cicatrices", nous pouvons inverser la situation réelle au fond du trou, afin d'améliorer la section suivante du programme de forage.

Avant le forage, je vérifie soigneusement l'intégrité des dents de coupe en PDC, la qualité du soudage et l'absence de fissures dans le corps du trépan. Pendant le processus de forage, les paramètres en temps réel sont surveillés en permanence et comparés aux données historiques. Lorsque des tendances anormales sont constatées, des ajustements sont immédiatement effectués pour étouffer les problèmes mineurs dans l'œuf. Ces mesures apparemment anodines peuvent effectivement prolonger la durée de vie du trépan et éviter des pertes inutiles.

Qu'il s'agisse de forage à grande vitesse dans des formations tendres ou d'opérations à long terme dans des roches dures hautement abrasives, les trépans PDC font preuve d'une grande adaptabilité et d'avantages économiques. À l'avenir, avec le développement de l'ingénierie des matériaux, de l'analyse de simulation et de la technologie de forage intelligent, les performances des trépans PDC continueront d'être optimisées, évoluant vers une plus grande efficacité, une durée de vie plus longue et une direction adaptative plus intelligente.

Dans le système de forage moderne, le trépan PDC n'est pas seulement un outil, mais aussi une technologie clé pour stimuler l'efficacité et l'innovation.