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.

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: Deviations are not recommended for ‘P’ size applications. Only HRQ V-Wall or HXQ Mur W is recommended for deviations in ‘H’ size applications.

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).

Similarly, a further drop in fatigue strength occurs in the male end where additional tension is induced by the make-up torque required in each joint. This reduction is partially offset when heat treatment is applied to rod joints, boosting material strength. Boart Longyear’s RQ and XQ (launching soon) drill rod joints feature 175 % material strength (compared to midbody material) whereas competing rods typically offer 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.

An additional offset is available by utilizing flexible V-Wall and W-Wall (launching soon) midbodies. The reduction in midbody stiffness, approximately equal to the percentage weight reduction, reduces the bend load applied to the rod joints.

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.

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.

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.

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.

Using Boart Longyear drilling expertise, this loading scenario was confirmed by recreating twisting incidents in separate Boart Longyear operations yards, with different rigs, in order to evaluate various “N” size test strings. Drilling with short test strings from the surface at a 45-degree decline into dry ground conditions, without flushing, ensures maximum drag with the rods in compression. Test strings have included new and used RQ rods (good condition), Q rods, and competing drill rods, including those claiming heat treatments for greater midbody strength. Prototype rods with midbody heat treatments were also tested, up to 140 % strength (similar to rod joints), which produced record-breaking results on the full-body bend test equipment. However, regardless of midbody material or heat-treated strength, any rod string can be easily driven into an uncontrolled dynamic load response. This generates drag and resistance to a point of overload (partly from the rig and partly from the inertia of the rod string) and deformation into a corkscrew shape which fills the hole and allows a sudden build of loads until the rig stalls or a rod joint fails.

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. 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.

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.