Forage

Le forage est l'action de creuser un trou (aussi appelé « Puits » dans le domaine de la prospection) dans la Terre. L'équipement du puits, tel les tubages, et de manière générale, les moyens techniques permettant de creuser, varient en fonction de son dimensionnement et de ses objectifs. On fore pour prospecter et/ou exploiter le sous-sol. Á titre d'exemple, des puits sont forés pour :

• trouver et exploiter des ressources naturelles enfouies (eau, pétrole, ressources minières) ;
• la géotechnique ;
• la géothermie ;
• la recherche scientifique pure.

Les moyens techniques mis en œuvre diffèrent largement : de la foreuse manuelle, à la foreuse légère et mobile pour les forages de moins de 10 mètres, à une plate-forme pétrolière pour l'exploitation pétrolière offshore.

Systèmes principaux

Alimentation

Dans pratiquement tous les cas, un moteur Diesel fournit la puissance nécessaire aux forages. La puissance est alors délivrée soit par électricité, soit mécaniquement. Dans le cas de forages profonds, des générateurs électriques alimentés par un moteur Diesel sont le plus souvent utilisés. L'option « électrique » a de nombreux avantages dont, entre autres, la réduction du bruit et une organisation du chantier plus simple.

Transmission mécanique

Les moteurs qui fournissent l'énergie mécanique sont reliés soit à une table de rotation qui transmet le mouvement à la tige carrée [comme son nom l'indique, elle est carrée ou hexagonale pour permettre sa rotation ; cette tige est raccordée aux tiges de forage par un raccord d'usure, qui transmet le mouvement à l'outil de forage (bit en anglais)], soit à une tête de rotation (powered swivel) qui transmet le mouvement directement aux tiges de forage.

Système Rotary

Le système de rotation comprend habituellement une tête d'injection, une tige d'entraînement qui passe à travers une table de rotation et qui est reliée à une colonne de forage (en) (ou train de tiges) et en bout de colonne un outil de forage creusant le sol. La tige d'entraînement, et de fait la colonne de forage, et l'outil de forage, tous subissent une rotation via la table de rotation et une section angulaire de la colonne qui se trouve au niveau de la table, ou bien si la table n'est pas le moyen de rotation de la machine de forage, via la tête d'injection qui sert également à l'entraînement de la colonne.
La garniture peut être définie par « l'ensemble des matériels tubulaires descendus dans le puits, à l'exception des cuvelages »^[1].

Colonne montante de forage

La colonne de forage est une suite de tiges vissées entre elles et habituellement de tailles standard. L'ajout de tiges au fur et à mesure permet de progresser plus profondément. Pour les appareils de forage de taille moyenne et importante, la taille des tiges a été standardisée et elles font en moyenne 9,5 m. Cette taille standard peut paraître bâtarde, mais il s'avère qu'elle fut définie en fonction des normes API et correspond à une longueur de 30 pieds.

Raccordement des tiges de forage

Les tiges de forage sont reliées entre elles par des filetages standardisés. Le diamètre des tiges est plus important au niveau des raccords afin de les renforcer et de les protéger contre l'usure.

Outils de forage

Pour le foreur, l'outil de forage qui se trouve au bout de la colonne de forage, est une des clés de son activité. L'outil doit être choisi dans un catalogue aussi varié que peut l'être la lithologie rencontrée. Si un outil de type marteau peut briser une roche compacte, il sera inefficace pour creuser une argile, à la différence d'une tarière et des outils de type trilame.

Selon son diamètre, l'outil peut peser de quelques kilogrammes à plusieurs centaines de kilogrammes. On distingue différents types d'outils de forage :

• couronnes qui sont des tiges, améliorées ou non, munies de dents ou de picots renforcés ;
• forages au diamant (diamant synthétique polycristallin), qui font appel à des outils de formes très variées [dont les formes de type tricône (trépan) et trilame] dont l'utilisation se restreint à l'industrie pétrolière et minière du fait du coût d'exploitation élevé. Les diamants ont la forme de pastilles noires prises dans la masse métallique de l'outil ;
• tricônes, outils montés par trois cônes rotatifs ou molettes (libres) munis de picots pour les terrains durs (longs picots pour les terrains très compétents^[pas clair], tels les quartzites, et picots courts pour les terrains moins compétents^[pas clair] tels les schistes), et de dents pour les terrains durs (calcaires) à argileux (marnes) - les dents étant plus longues lorsque le terrain est plus argileux. On trouve également des tricônes à pastilles faites de matériaux ultra-résistants (diamant et carbure de tungstène par exemple) ;
• trilames, outils montés par trois « lames » en chevron pour les terrains les plus argileux et en gradin ou escalier pour les terrains plus durs (marnes et calcaires) ;
• marteaux fond-de-trou (MFT), qui sont des outils à percussion prédestinés aux sols durs et cassants.

Les aléseurs ne sont pas à proprement dit des outils de tête, puisqu'ils peuvent être montés en complément de l'outil principal. Le but des aléseurs est d'agrandir un trou, ou simplement d'en racler les bords et parfois de compacter le fond du forage. On distingue donc les aléseurs compacteurs, en forme de pointe, ouverts à lames ou cylindriques, étagés, etc.

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  Tricône

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  Marteau fond-de-trou

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  Trilame

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  Tricônes

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  Tricône

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  Tricône

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  Tricône

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  Tricône

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  Tricône

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  Tricône

Fluide et système de circulation du fluide

Fluide

Le fluide dans un forage est un élément clé, car il évacue les déblais qui s'accumulent au fond du puits, il stabilise les parois du puits lorsque ce dernier est encore « nu » (sans cuvelage) et enfin il peut aussi lubrifier et refroidir l'outil en activité. Le choix d'un fluide ne s'arrête pas là : les eaux souterraines (parfois potables) peuvent être contaminées par certains fluides utilisés.
Pour évacuer les déblais de forage, soit le fluide doit circuler très vite (air comprimé), soit le fluide, alors liquide, doit être d'une densité et d'une viscosité contrôlées régulièrement par le foreur. L'ajustement de ces paramètres se fait par ajout de bentonite et de polymères pour la viscosité, ainsi que de baryte, formiate de césium ou de sels de sodium ou de potassium pour la densité. Le problème de l'évacuation des cuttings ne dépend pas uniquement des propriétés du fluide - la pression et le débit qui lui sont imposés, la surface de la colonne d'évacuation et les pertes sont d'autres facteurs dont il faut tenir compte.

Les divers fluides de forage sont :

• l'air comprimé ;
• l'eau ;
• la bentonite (ou « boues bentonitiques ») ;
• les gels de polymère - utilisés pour la fabrication des boues ou comme additifs ;
• les mousses ;
• le formiate de césium saturé dans l'eau est assez dense (densité d=2,3) pour que certains sédiments flottent ;
• la baryte en émulsion et les sels de sodium et de potassium augmentent aussi la densité des fluides.

Circulation des fluides

La circulation de l'air se fera au moyen d'un compresseur pour l'air comprimé, et de la puissance du compresseur dépendra la profondeur du forage. La boue, quant à elle, est envoyée au moyen de pompes spéciales. On appelle le fluide en circulation directe, celui qui descend par le train de tiges, et le fluide en circulation inverse celui qui descend par l'espace annulaire. La circulation inverse possède plusieurs avantages :

• si, lors de la circulation du fluide, les parois nues du forage s'éboulent, l'éboulis est repris directement par la circulation. Dans le cas contraire, l'éboulis pourrait s'accumuler plus facilement ;
• les échantillons de sol et d'eau prélevés pour analyse ne sont pas contaminés par les parois nues du forage.

Une « perte de fluide » indique habituellement la présence des fractures ou autres vides dans les terrains traversés. La perte de fluide mène habituellement à une diminution de la pression, ce qui peut poser des problèmes majeurs au foreur.

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  Schéma d'un forage en circulation directe

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  Schéma d'un forage en circulation inverse

Personnel présent sur un chantier de forage

Poste soit 3x8 (France), soit 2x12 (autres pays)

Appareil de forage ou rig de forage

• 1 à 4 roughneck ou sondeurs par poste, soit 3x8 (France), soit 2x12 (autres pays)
• 1 derrickman ou derrickhand
• 1 assistant driller ou second
• 1 driller ou chef de poste
• 1 toolpusher ou chef de chantier
• 1 drilling supervisor jour et nuit
• 1 company man jour et nuit
• 1 bitman jour et nuit

plus :

• 1 chef d'équipe surface et manœuvre
• 1 à 4 surfaciers

plus :

• 1 chef mécanicien
• 1 chef électricien
• 1 à 2 mécaniciens
• 1 à 2 électriciens
• 1 superviseur HSE

Systèmes auxiliaires

Bloc d'obturation de puits pour la maîtrise des venues

La maîtrise des éruptions provenant d'un puits, nécessite un bloc d'obturation consistant en un système de vannes. Cette maîtrise peut se faire en contenant les venues dans le puits (coiffage) ou en évacuant ces dernières. Dans le cas de forages pétroliers, le bloc d'obturation doit permettre de réaliser les points suivants^[2] :

1. le cisaillement du train de tiges
2. la suspension du train de tige, obturation ferme ;
3. la maîtrise du puits avant sa réouverture.

Système de chauffage

Sous climat très froid, comme par exemple au Québec, les fonctions principales du système de forage ne doivent pas geler ; pour cela, un système de chauffage est nécessaire. Un système typique comprend un chauffe-eau au Diesel et un réseau de tuyaux reliant le chauffe-eau aux différentes unités du forage. Le même système peut être utilisé pour les besoins du personnel du chantier.

Tubages, crépines, sabots

Tube guide ou cuvelage

Le tube guide est dans presque tous les cas nécessaire et peut être défini^[1] comme le tube qui isole tout le puits des terrains encaissants et qui durant les opérations contient le fluide de forage.

Tubage intermédiaire

Le tubage intermédiaire est facultatif et peut être défini^[3] comme « le tubage installé dans un puits après l'installation et à l'intérieur du tubage de surface et dans lequel les opérations de forage ultérieures peuvent être effectuées à l'intérieur du puits ».

Tubage de production

Le tubage de production isole l'encaissant du système d'exploitation (pompe et tiges). Ce tubage est cimenté dans l'encaissant, du moins dans la partie basse du forage si un tubage intermédiaire est utilisé.

Crépines

Les crépines sont les tubages possédant des espaces laissant passer le fluide de l'encaissant. Il existe une grande variété de matériaux et de modèles de crépines.

Sabot

Le sabot se trouve à la terminaison du tubage de production ou des crépines. Il est censé créer une zone morte du point de vue de la circulation en cas de pompage ou d'injection. Il permet la sédimentation de particules, et la mise à l'écart de la circulation des objets qui tomberaient malencontreusement dans la colonne.

Considérations juridiques

Pour des raisons économiques, sanitaires ou environnementales, la plupart des forages doivent faire l'objet de déclaration, d'autorisation, voire d'une étude d'impact, y compris dans certains pays les forages individuels.
Ainsi en France, depuis le 19 mai 2009, les particuliers doivent-ils déclarer leurs forages à la mairie ou sur un site Internet dédié aux Forages domestiques^[4]. Depuis le 1^er janvier 2009, la déclaration doit précéder d'au moins un mois le début des travaux, et les puits ou ouvrages existants au 31 décembre 2008 doivent être déclarés avant le 31 décembre 2009 auprès du maire de la commune.

Considérations environnementales

Un forage est une opération lourde qui peut induire la mobilisation d'importants volumes de terres, nécessite de grandes quantités de carburant et parfois d'autres produits tels des acides, et doit être dirigé par un personnel parfois nombreux. Il peut avoir des impacts différés dans l'espace et dans le temps. Dans le cas d'un forage pour l'alimentation en eau potable il faut s'assurer que l'aquifère qui sera exploité ne soit pas vulnérable à la présence du chantier.
Dans le cas de forages pétroliers, il faut s'assurer que le pétrole exploité ne pollue pas les alentours. Des impacts sismiques (« séisme induit ») sont également possibles autour des forages pétroliers ou gaziers importants.

Sol

Sous-sol

Bruit

Un forage peut être très bruyant.

Réhabilitation du site

Elle est dans certains cas obligatoire, et peut alors intégrer des mesures compensatoires ou réparatrices. Certains puits industriels, en fin de vie, doivent être soigneusement colmatés de manière à empêcher des transferts verticaux ou horizontaux de polluants entre les nappes ou de la surface vers le sous-sol.

Sécurité du personnel, accidents fréquents

Sécurité du personnel

La sécurité du personnel passe par la très bonne connaissance des machines, le rangement du chantier, la prise en compte des risques liés à l'objectif du forage et la protection individuelle des foreurs et des visiteurs (casque de protection, protection auditive, chaussures de protection, gants, masque anti-poussière, lunettes de sécurité, appareil respiratoire isolant, etc.). Un forage inclut habituellement la manipulation d'objets extrêmement lourds (trains de tiges, outils forants, pompes submersibles, etc.), de possibles travaux en hauteur du fait du mât de forage, de la soudure, de la mécanique (moteurs, pompes, compresseurs, etc.) et des branchements électriques. Un forage crée de la poussière. Il n'est pas non plus anecdotique de mentionner le stress qui retombe sur le personnel : délais, frustrations du fait du manque de résultat, cadences accélérées, fatigue. Ce stress doit être pris en compte par les superviseurs et les chefs d'équipe.
Les deux principaux risques pour le personnel de forage sont le happement par les tiges et les blessures aux mains. Les vêtements flottants (écharpes, tee-shirts amples…) sont généralement interdits et les combinaisons sont préconisées. Lors de la manipulation des tiges, il faut faire très attention au placement de ses mains : jamais de mains sous les tiges.
Selon la géologie et l'environnement, le forage peut mettre les foreurs et riverains en présence de gaz dangereux (dioxyde de carbone CO₂, sulfure d'hydrogène H₂S…) du fait de leur explosivité ou leur toxicité, de terres et de liquides contaminés (sous les décharges, les sites industriels…).

Accidents fréquents

Voici une liste non exhaustive d'accidents parmi les plus fréquents :

• présence de lignes électriques en hauteur, et risque de contact avec certains éléments hauts du forage (mât, grue) ;
• présence de lignes électriques, canalisations de gaz ou d'eau, de cuves à fioul dans le sous-sol, pouvant être forées ;
• pièces lourdes qui tombent d'une certaine hauteur créant de potentiels accidents/blessures (décrochage d'une tige, éboulement d'un amas de tiges, renversement d'un outil posé à la verticale, etc.) ;
• risque de chutes des structures élevées (plancher de forage, mât) ;
• assourdissement ;
• pincement des doigts, des bras ;

Problèmes et accidents techniques

Pertes de fluide

Il existe deux types de pertes :

• les pertes partielles : petite fissure provoquant la perte du fluide de circulation ; cette perte peut être maîtrisée en ajoutant des additifs à la bentonite pour l'alourdir ;
• les pertes totales : grande fissure qui peut dépasser largement les 500 m horizontalement, cette perte provoque la perte totale de la boue de forage, ce qui nécessite le forage à l'eau claire pour limiter les pertes ; on peut aussi envisager une cimentation partielle de la partie fissurée.

Ces pertes proviennent essentiellement des fissures (formations compétentes^[pas clair] fracturées) et cavités (karsts) rencontrées au cours du forage.

Coincement des tiges dans le trou

La non verticalité du trou (cf. déviation), des éboulements et des tubes brisés ou déboités sont des origines possibles du coincement des tiges de sondage dans le trou. Des objets qui tombent dans le trou et des éléments fragiles de la colonne, qui se brisent, peuvent également conduire au coincement des tiges.

Dévissages impossibles, vissages trop serrés

Un pas de vis mâle et un pas femelle peuvent rester coincés l'un dans l'autre. Il faut alors faire appel à des machines particulièrement puissantes utilisant des vérins hydrauliques pour dévisser les deux éléments.

Déviation

Souvent dû au fait que les formations géologiques ont un certain pendage, la déviation des trous de forage est assez fréquente. En tout premier lieu, il faut s'assurer de la verticalité du mât de forage qui sert de guide au train de tige. L'inclinaison du mât peut au besoin être adaptée pour corriger une déviation. La non-verticalité d'un forage est peu souhaitable, sauf dans le cadre de forages dirigés, les carottages et la géotechnique.

Éboulement

Surpression

Détachement d'une partie de la colonne de forage

Intentionnellement ou non, le foreur peut perdre une partie de la colonne de forage. Les causes peuvent être diverses : une tige peut se dévisser ou doit être dévissée, ou casser pour être remontée.

Les outils de repêchage servent à accrocher et remonter des trains de tiges ou autres morceaux qui se sont décrochés et sont tombés ou coincés dans le trou de forage.

Forage horizontal et forage dirigé

Le forage horizontal est une technique de génie civil permettant de faire passer des canalisations et des câbles sous des obstacles (chaussées, bâtiments, cours d'eau, etc.) sans intervenir directement sur ces obstacles. Ainsi, on pourra réaliser un forage horizontal perpendiculaire à l'axe d'une chaussée, sous la structure de celle-ci, afin d'y faire passer des canalisations sans avoir à réaliser de tranchée qui endommagerait la structure de la chaussée.

Le forage dirigé (Directional drilling) profond est une application récente nécessitant de puissants moyens informatiques. Grâce au forage dirigé, des ressources qu'il était difficile d'atteindre en forage classique du fait d'obstacles géologiques (lithologies rebelles), deviennent accessibles. Les secteurs pétrolier et gazier sont de gros demandeurs de forages dirigés, dont à puits multilatéraux, en particulier pour l'extraction du gaz de schiste, après fracturation hydraulique des formations géologiques schisteuses. Pour ces forages, on estime par modélisation ou suivi la direction empruntée.

Forage en mer

Les forages offshores sont réalisés en mer. Des navires spécialement équipés, comme le JOIDES Resolution, permettent de forer le fond des océans à une grande profondeur^[5].

Méthodes de tubages à l'avancement

Méthode du Casing drilling

La technique dite du Casing drilling a été développée et brevetée par la compagnie canadienne Tesco Drilling Technology^[6]. Cette méthode consiste à utiliser les tubes - qui formeront les parois du puits - comme tubes de forage ; c'est donc un double emploi pour un même tube. Les avantages sont en général multiples : gain de temps, forage dans des milieux avec un potentiel de perte total (le casing en général est alors posé dans cette zone).

Cette méthode est employée à travers le monde, sur certains champs d'Afrique de l'Ouest, afin de réaliser des économies de temps substantielles sur les phases de surface. D'autres exemples peuvent être cités comme en Algérie en collaboration avec l'entreprise algérienne EPE Steppe Forage à Laghouat dans la région de Batna « Amdoukel ». Le forage réalisé avec cette technique a atteint une profondeur de 650 m.

Pose de tiges simultanées lors du forage (méthodes Odex et Jucon)

Initialement développée par Atlas Copco, la méthode Odex suit la méthode du marteau fond de trou et comprend en plus un tube en acier qui repose par-dessus un aléseur excentrique^[7] ou sabot un peu plus large que le tube. Ce tube forme le tubage externe du forage. L'énergie de la percussion du marteau et le propre poids du tube enfoncent ce dernier dans le trou. L'Odex est composé de trois parties rétractables et formant l'outil forant. Le Jucon est quant à lui composé de quatre parties rétractables et est pour le reste très semblable à l'Odex.

Tubage enroulé

Cette technique (Coiled tubing (en)) permet de dérouler un tube continu (futur tube externe de l'ouvrage) avec l'avancement du forage en profondeur. Le tube continu est enroulé sur un cylindre et est injecté ou tiré par une structure en arc de cercle (arche) plongeant dans le puits et sur laquelle sont montées des chaînes à très gros maillons permettant d'appliquer une pression, contrôlée par des cylindres hydrauliques, sur le tube. Le passage du tube continu dans l'arche et les pressions exercées sur ce dernier pour l'injecter ou le retirer du trou accélèrent son vieillissement. Ce vieillissement est, entre autres, influencé par le rayon de l'arche d'injection. La technique du tubage enroulé possède de nombreux avantages, notamment dans la réalisation de forages déséquilibrés et de forages dirigés. Toutefois, cette technique s'avère parfois coûteuse, notamment si le matériel reste inutilisé, tandis que la mise en place du tubage peut (contre toute attente) être plus lente comparée à une installation traditionnelle.

Évaluation des sites de forage

Forages profonds

L’objectif des forages profonds tels celui du programme KTB ((en) Kontinentales Tiefbohrprogramm der Bundesrepublik Deutschland) qui a atteint 9 800 m en Allemagne ou du forage sg3 de 12 kilomètres dans la péninsule de Kola (Russie), est de mieux connaître la lithosphère et d’atteindre la zone de transition entre la croûte et le manteau supérieur : le Moho (discontinuité de Mohorovičić).

Si ces forages ont permis de confirmer la structure et la composition de la croûte, ou de tracer des profils sismiques régionaux, elles n’ont malheureusement pas permis d’atteindre à ce jour la couche sous-jacente tant convoitée. On a pu ainsi mesurer par exemple que la température des roches atteint environ 300 °C à 10 kilomètres de profondeur.

Comme la croûte océanique est plus mince que les plaques continentales, plusieurs projets de forage océanique ont vu le jour, MOHOLE puis DSDP^[8] (1968-1983) aux États-Unis, puis des programmes internationaux comme ODP^[9] (1985-2003) puis IODP^[10] (2003-2013). Pour l'instant, aucun navire n’a encore réussi à forer jusqu’à la discontinuité de Mohorovičić.

Exploitation des forages d'eau

Les forages visant à prélever de l'eau, selon leur importance peuvent induire un « cône de rabattement de nappe » voire une baisse de la nappe et du niveau piézométrique, voire un épuisement de la nappe avec disparition des sources ou de rivières ou de zones humides. Aussi, comme la plupart des formes d'exploitation de ressources naturelles sont-ils généralement réglementés. Un pompage important peut favoriser des transferts de polluants via les déplacements horizontaux de la masse d'eau souterraine ou via la descente verticale de l'eau. Pour ces raisons, des périmètres de protection des « zones de captage » peuvent être obligatoires autour d'un captage d'eau potable, ainsi que des mesures pour la protection du champ captant. Dans la plupart des pays, les forages individuels, agricoles ou industriels doivent être déclarés, et peuvent faire l'objet d'une taxe.

Uphole

Le uphole (ou carottage sismique) est une technique de géophysique.

Le principe consiste à placer une source dans un forage (explosif, air gun, sparker...) et à enregistrer les premières arrivées en surface à l'aide d'un sismographe et de géophones.

L'interprétation des données permet de proposer un profil vitesse/profondeur.

Notes et références

• Cet article est partiellement ou en totalité issu de l'article intitulé « Uphole » (voir la liste des auteurs).

Annexes

Articles connexes

• Plate-forme de forage
• Navire de forage
• Moho
• Fonçage

Bibliographie

• Bertrand Gonthiez, Réaliser et entretenir son puits, éd. Eyrolles, 2009.
• Michel Detay, Le Forage d'eau - Réalisation, entretien, réhabilitation, éd. Masson, 1993.
• Albert Mabillot, Le forage d'eau : guide pratique, éd. Lavoisier, 1989.
• Magdeleine Moureau, Gerald Brace, Dictionnaire du forage et des puits, éd. Technip, 2000.
• Jean-Paul Nguyen, Techniques d'exploitation pétrolière. Le forage, (Relié), éd. Technip, 1993.

Liens externes

• [PDF] Index des principaux textes de loi français sur le forage d'eau

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