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EXPLORATION

12 décembre 2017

Connaissez vos limites: capacités de cintrage de tiges de forage et applications de trous déviés

Cet article a paru à l'origine dans Coring Magazine 2017, numéro 5.

Trous déviés et limites de tiges de forage

Un des problèmes courants de carottage filaire consiste à percer avec succès des trous déviés, sans fissure ni courbure permanente du train de tiges. La plupart des opérateurs comprennent que toute déviation doit se produire sur plusieurs longueurs de tige et que toute partie de la déviation ne doit pas induire une charge de flexion dépassant la capacité de toute tige de forage qui passe. Toutefois, un indice de déviation simple de la tige de forage n’est pas disponible car la capacité restante dans chaque tige dépend fortement de sa position dans le train de tiges, des charges de forage appliquées et des déformations antérieures. En fin de compte, la capacité de toute tige de forage est déterminée par deux limitations de son matériau en acier: la limite de flexion élastique du matériau du corps central et la limite de fatigue du matériau de l'extrémité mâle.

Propriétés du matériau des joints

Tous les aciers souffrent de fatigue (fissuration fragile, rapidement suivie de séparation) lorsqu'ils sont soumis à une sollicitation alternée pendant une période suffisante (limite de fatigue), tels que le pliage d'un trombone jusqu'à ce qu'il se claque. Considérez que lorsqu'une tige de forage traverse une déviation, elle est soumise à une charge de flexion alternée. C'est-à-dire qu'à chaque rotation, le matériau est soumis à une tension par l'extérieur du pli et à une compression par l'intérieur. De plus, l'amplitude de la charge de flexion induite augmente avec la taille de la tige de forage et la rigidité au centre du corps (augmente avec la résistance à la flexion).

POINTE: Les écarts ne sont pas recommandés pour les applications de taille «P». Seul HRQ ™ V-Wall ™ ou HXQ ™ W-Wall ™ est recommandé pour les déviations dans les applications de taille "H".

Figure 1 - Force de fatigue

Une règle d'ingénierie simple veut que la limite de fatigue puisse être évitée si les charges alternées sont limitées à moins de 50% de la limite d'élasticité. Cependant, cette règle ne doit être utilisée que pour les aciers autrement déchargés ou soumis à une précharge en compression. Par exemple, alors que les tiges situées près du trépan subissent toujours une poussée de compression, celles-ci situées à proximité de la foreuse sont finalement soumises à une tension de retrait à mesure que la profondeur du trou augmente (davantage lorsque le trou est sec), ce qui peut réduire la résistance à la fatigue à moins de 25%. limite d'élasticité (en fonction de l'ampleur du retrait, voir la figure 1 ci-dessus).

De la même manière, une résistance supplémentaire à la fatigue se dégrade dans l'extrémité mâle où une tension supplémentaire est induite par le couple de serrage requis dans chaque joint. Cette réduction est partiellement compensée lorsque le traitement thermique est appliqué aux joints de tige, renforçant la résistance du matériau. Les joints de tige de forage RQ ™ et XQ ™ (lancement prochain) de Boart Longyear présentent une résistance mécanique de 175% (comparé au matériau du corps central), tandis que les tiges concurrentes en offrent généralement 140%.

POINTE: Toujours suivre les recommandations de couple de serrage pour s'assurer que les joints traversant une déviation restent fermés tout en empêchant une tension excessive induite dans l'extrémité mâle, afin de résister aux charges en flexion alternées.

Un décalage supplémentaire est disponible en utilisant les corps intermédiaires V-Wall ™ et W-Wall ™ (lancement prochain) flexibles. La réduction de la rigidité à mi-corps, approximativement égale au pourcentage de réduction de poids, réduit la charge de flexion appliquée aux joints de tige.

Compte tenu de ce qui précède, une «règle de déviation» simple contre les défaillances en fatigue consiste à choisir le joint de tige le plus solide et le corps central le plus flexible, dans la plus petite taille possible, en planifiant toute déviation répartie sur autant de joints de tige que possible. une profondeur où le minimum de retrait sera requis par la déviation afin de compléter le trou.

Cependant, même les chaînes de tiges dans les trous droits sans déviations planifiées souffrent occasionnellement de défaillances de fatigue des extrémités mâles du fait de la flexion des corps intermédiaires par une réponse dynamique inattendue de la charge, comme indiqué ci-dessous.

Propriétés du matériau du corps

La figure 2 montre une courbe typique de charge (contrainte) par rapport à une déformation (contrainte) pour un matériau de corps central de tige de forage typique. Tous les aciers reprennent élastiquement une forme non chargée lorsqu'ils sont chargés au-dessous de la limite élastique (partie droite de la courbe) mais se déforment ou se plient plastiquement lorsqu'ils sont chargés au-delà. Une fois qu'une chaîne est courbée de façon permanente, le couple requis pour tourner la chaîne augmente de manière significative en raison de la charge latérale et du frottement contre le trou et le carter, ce qui entraîne une usure importante au centre du corps et un risque de fissuration thermique des extrémités femelles. chauffage et trempe dans le fluide de forage). En outre, les charges de flexion associées peuvent provoquer des défaillances en fatigue des extrémités mâles, similaires aux charges de flexion par déviation.

Figure 2 - Propriétés des matériaux du corps central

Dans le passé, il restait dans le matériau des contraintes résiduelles qui réduisaient la limite d'élasticité, principalement causée par l'étape de redressement final dans le processus traditionnel du laminoir à tube étiré à froid. En conséquence, la limite d'élasticité typique était bien inférieure à la limite d'élasticité du matériau, comme le montre la figure 2. Il y a plusieurs années, Boart Longyear a collaboré avec des partenaires nord-américains de la fabrication de tubes afin de mettre au point une dernière étape de traitement thermique permettant de la limite d'élasticité. Un équipement unique de test de la flexion du corps complet a été développé, capable de détecter quelques microtrains de déformation du corps moyen sous des charges de flexion alternées, qui est maintenant déployé pour le contrôle de la qualité et pour garantir des performances de pointe. Cependant, cette amélioration matérielle ne répond pas complètement à la réponse dynamique de la charge.

Réponse dynamique de la charge et résonance harmonique

Au cours de nombreuses années, des échantillons de tiges de forage courbées de façon permanente ont parfois été renvoyés du terrain pour évaluation, c’est-à-dire des tubes provenant d’usines différentes, de produits chimiques différents, utilisés pour le traitement, etc. En plus des résultats d’examens métallurgiques standard, les essais de flexion du corps entier ont toujours Les propriétés matérielles de la tige n'ont pas changé ni se sont dégradées (à moins que la tige ait été soumise à un travail à froid par un manipulateur de barres de type rouleau, ce qui réduit la limite élastique). En fait, certains opérateurs redressent les tiges en utilisant des méthodes de dressage à la presse (pour une dégradation minimale du travail à froid) et sont souvent assez chanceux pour éviter un second incident de flexion, mais pas toujours.

Un balayage laser 3D détaillé des formes de tige déformées montre que chaque tige de forage est réellement torsadée en une hélice partielle qui épouse une forme hélicoïdale (tire-bouchon), formant généralement un tour complet (pas) sur quatre longueurs de tige de trois mètres, avec une course totale -out (amplitude) qui remplit l'espace annulaire normalement situé entre les tiges et le trou ou le tubage. Cette forme hélicoïdale peut généralement être confirmée visuellement par un motif d'usure lourd unilatéral, dont le point central se déplace d'un quart de tour sur la circonférence d'un bout à l'autre.

La déformation nécessaire pour tordre une tige dans cette forme est assez petite, seulement environ 0,015% de déformation. Comme le montre la figure 2, cette déformation en torsion est une quantité de déformation qui est significativement inférieure à la déformation à 0,2% utilisée pour déterminer la limite d'élasticité traditionnelle. C'est-à-dire que les tiges de forage courbées en permanence ont tout simplement cédé légèrement, en raison d'une surcharge juste au-delà de la limite élastique. Une fois plié et tordu dans cette forme, la charge est transmise au trou ou au carter, ce qui entraîne un couple et une alimentation excessifs, empêchant ainsi un forage productif ou un cordage coincé et éventuellement une défaillance du joint de tige.

Une fois plié et tordu dans cette forme, la charge est transmise au trou ou au carter, ce qui entraîne un couple et une alimentation excessifs, empêchant ainsi un forage productif ou un cordage coincé et éventuellement une défaillance du joint de tige.

Grâce à l’expertise de Boart Longyear en matière de forage, ce scénario de chargement a été confirmé en recréant des incidents de torsion dans des chantiers distincts de Boart Longyear, avec différents appareils, afin d’évaluer différentes chaînes de test de taille «N». Le forage avec des cordes de test courtes depuis la surface à 45 degrés dans des conditions de sol sec, sans rinçage, assure une résistance maximale aux tiges en compression. Les cordes de test comprenaient des tiges RQ neuves et usagées (en bon état), des tiges Q ™ et des tiges de forage concurrentes, y compris celles revendiquant des traitements thermiques pour une plus grande résistance du corps moyen. Des tiges prototypes avec des traitements thermiques au niveau du corps moyen ont également été testées, leur résistance pouvant atteindre 140% (similaire à celle des joints de tige), ce qui a donné des résultats sans précédent sur les équipements de test de flexion du corps entier. Cependant, quels que soient le matériau du corps central et la résistance traitée thermiquement, toute chaîne de tringles peut facilement être entraînée dans une réponse dynamique à la charge non contrôlée. Cela génère de la traînée et de la résistance à un point de surcharge (en partie dû à la plate-forme et en partie à l'inertie du train de tiges) et à la déformation en une forme de tire-bouchon qui remplit le trou et permet une construction soudaine de charges jusqu'à ce que la plate-forme se bloque ou un joint de tige échoue.

POINTE: Lorsque les vibrations du forage sont évidentes, les enregistrements vidéo sur smartphone permettent souvent de confirmer visuellement une réponse dynamique de la charge et un tourbillonnement hélicoïdal, non perceptible à l’œil nu.

Heureusement, l’industrie du forage énergétique (pétrole et gaz) a également souffert du flambage des cordes, de la fissuration par contrôle thermique, des défaillances dues à la fatigue et de la flexion du corps central résultant de la réponse dynamique de la charge. Boart Longyear a utilisé l'expertise de plusieurs consultants en ingénierie pétrolière et gazière au cours des dernières années pour développer une compréhension complète de ces phénomènes, y compris des éléments «dynamiques» suivants.

Premièrement, considérez que toutes les cordes de tige deviennent rapidement instables.

Premièrement, considérez que toutes les cordes de tige deviennent rapidement instables. Les cordes à tiges fléchissent élastiquement sous leur propre poids et se «plient en fait de manière hélicoïdale» (forme d'un tire-bouchon) sous un poids nettement inférieur, compte tenu du couple et de la rotation (tourbillonnement hélicoïdal). Cependant, la forme voilée présente normalement une rigidité suffisante pour permettre le perçage sans effort excessif contre le trou, et les chaînes de tiges reviennent élastiquement en ligne droite une fois la rotation arrêtée, sans aucune déformation.

En fonction du poids sur le trépan, environ 100 premières barres sont toujours en compression et sujettes au flambement, tandis que les tiges ci-dessus sont amorties par la tension de rappel. Les efforts de flexion et de torsion maximaux possibles sont limités par l’espace annulaire entre les tiges et le trou ou le tubage. Le tubage à des profondeurs importantes avec des tiges introduit un anneau plus grand, permettant une déformation plus serrée du tire-bouchon avec des contraintes beaucoup plus grandes. En outre, certains opérateurs ont utilisé des tiges à paroi en V comme enveloppes, offrant des longueurs importantes avec un anneau encore plus grand, puis ont signalé une fréquence accrue d'incidents de torsion. De même, les nouvelles tiges PHD W-Wall, NXQ et HXQ W-Wall (bientôt disponibles) présentent une section d'épaisseur de paroi standard placée au milieu qui soutient les chaînes de tiges imbriquées (lorsqu'elles sont utilisées comme enveloppes) tout en réduisant le poids de manière équivalente. .

Deuxièmement, une fois enroulé dans un tire-bouchon élastique, le train de tiges agit comme un long ressort hélicoïdal dans lequel tout changement soudain des charges de forage ou de la traînée des trous est amplifié de façon dynamique et se reflète dans les vagues, de haut en bas du train de tiges. Ces changements de charge et de traînée peuvent se produire n'importe où dans le train de tiges, généralement dus à des changements soudains des conditions du sol ou à la déviation des trous. Par exemple, les applications de forage directionnel induisent des charges de réaction contre le trou, ce qui fournit des points de pression de contact élevés où des conditions de «glissement» peuvent se produire qui initient ensuite une réponse dynamique de la charge.

Troisièmement, comme pour tout système vibrant ou rotatif allongé, les cordes sont soumises à des fréquences de résonance naturelles ou à une résonance harmonique lorsque, à des vitesses de rotation critiques, de faibles charges d'entrée (excitation) produisent des charges de sortie et des déformations (résonance) très importantes. Le graphique de la figure 3 montre comment il est possible d'éviter les vitesses critiques pour tout train de tiges avec de petits ajustements de vitesse à des profondeurs moindres, mais cela devient plus difficile avec une profondeur croissante. Par exemple, les résultats d’acquisition de données d’expérimentation sur le terrain, illustrés à la figure 4, montrent comment les vibrations de torsion ont été réduites de façon spectaculaire avec seulement un léger ajustement de la vitesse.

Figure 3 - Éviter les vitesses critiques

Figure 4 - Éviter la réponse de charge dynamique

En conclusion, la résistance à la flexion de toutes les cordes est intrinsèquement limitée et est sensible aux déviations de trous. Les écarts doivent être minimisés et bien planifiés pour éviter une réponse dynamique de la charge et une surcharge potentielle. Les vibrations doivent être minimisées en ajustant la vitesse de rotation pour éviter l'amplification de charge des fréquences propres. Pour les applications exigeantes, sélectionnez toujours une tige de forage avec le matériau du corps central le plus performant et une connexion filetée offrant à la fois une cémentation résistante à l'usure et une trempe à durcissement direct élevée pour une meilleure résistance aux charges de forage et à la réponse dynamique de la charge.

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  • Messieurs, il est question de tiges liées à la fatigue dans les trous de forage directionnels (avec DHM ou Wedging). Quel est le maximum recommandé de jambe de chien (degrés par 30 mètres) pour les tiges de forage à fil (NQ et HQ)?
    Oleg

    • Bonne question! À titre indicatif, nous recommandons de limiter les écarts en fonction de la longueur des tiges de 3,0 m, pour NQ ™ à 0,8 degré et pour HQ à 0,6 degré. Si vous avez besoin de capacités supplémentaires, vous voudrez probablement vous pencher sur nos cannes RQ ™ et XQ ™, pour lesquelles nous recommandons jusqu’à 1,0 degré pour NRQ V-Wall ™ et NXQ W-Wall ™, et jusqu’à 0,8 degré pour HRQ V- Wall ™ et HXQ W-Wall ™.

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Chris Drenth

RENCONTRER L'AUTEUR Chris Drenth En tant que directeur technique de Performance Tooling chez Boart Longyear, Chris Drenth a joué un rôle déterminant dans la conception et l'innovation de tiges de forage pour l'exploration minière et d'outils filaires pendant plus de 23 ans. Il est un inventeur nommé dans plus de 25 brevets pour lesquels Boart Longyear a poursuivi sa protection. En tant que contributeur et innovateur respecté et apprécié dans l'industrie, Drenth est également connu pour avoir encadré de jeunes talents au sein de Boart Longyear. Fort de ses réalisations dans le développement de produits innovants et son leadership en ingénierie, Chris a développé et dirigé avec succès une équipe d'ingénieurs mondiale axée sur l'offre "Performance Tooling" de Boart Longyear pour les forages d'exploration et de production. Titulaire d'un baccalauréat ès sciences en génie mécanique avec distinction de l'Université Queen's, Chris a récemment reçu le «2017 Innovation Award» du magazine Mining. Chris a également reçu le «Utah Genius Award» en tant que top 10 des candidats à un brevet en 2011. Chris dirige actuellement les équipes d'ingénierie de conception «Performance Tooling» à Mississauga, en Ontario; Wuxi, Chine; et à Salt Lake City, Utah. Chris est un ingénieur en mécanique avec plus de 20 ans d'expérience internationale dans l'ingénierie liée aux équipements et outils d'extraction et de forage.

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