Le monde en expansion du forage à circulation inverse

 

 

 

Le monde en expansion du forage à circulation inverse

 

 

Ce procédé respectueux de l'environnement est idéal pour les puits de grand diamètre dans diverses formations.

 

 

 

Le forage à circulation inverse est une technique de forage qui continue d’évoluer et qui apporte de réels avantages à l’industrie des ressources en eau et au-delà.

 

Un hybride de forage à circulation inverse à double tube est le forage à double tube inondé inversé, souvent appelé DTFR. Il s’agit d’un processus de forage respectueux de l’environnement et non invasif qui préserve l’écologie sensible à la fois au-dessus du sol et sous la surface.

 

DTFR utilise une combinaison d'eau de formation naturelle, d'eau propre ajoutée et d'air comprimé pour mobiliser les déblais de forage afin de permettre l'avancement de forages de grand diamètre dans des formations allant de la géologie non consolidée aux roches moyennement dures et fracturées.

Tige de forage à double tube de 85/8 pouces. Les connexions du tube intérieur et du tube extérieur sont réalisées simultanément.

 

 

Ceci est rendu possible grâce à la capacité unique du DTFR à fournir un effet stabilisant sur le trou de forage via sa colonne de fluide en exerçant doucement une pression hydraulique sur la paroi du forage.

 

DTFR utilise un trépan tricône équipé d'un manchon adaptateur conçu pour accepter les déblais qui se déplacent de la face du trépan à l'intérieur du trépan tricône et sont dirigés dans le tube intérieur de la tige de forage RC.

 

Cette technique hybride a gagné en popularité dans les communautés de forage à travers le pays auprès des entrepreneurs de la côte ouest, dans les déserts du sud-ouest, dans les plaines du Midwest, dans le sud de la Floride et sur les îles d'Hawaï. Il a également gagné du terrain à l’échelle internationale au Canada, en Australie et en Amérique latine.

 

 

Les applications DTFR sont généralement caractérisées comme des projets impliquant des puits de ressources en eau de grand diamètre dans une géologie sédimentaire et/ou métamorphique avec des profondeurs allant généralement de 500 pieds à 3 000 pieds où la gestion de l'environnement est importante.

 

 

 

 

Schéma A. Vue de surface d'une configuration de système inversé inondé à double tube.

 

 

 

Applications

 

Le DTFR a également été utilisé dans des applications trouvées dans l'industrie minière telles que les puits de déshydratation, la construction de puits de ventilation, de trous de pâte et de puits d'injection et d'élimination. Dans le secteur de la construction civile, elle a acquis une notoriété grâce à sa capacité à faire progresser le forage de fondations de grand diamètre dans les zones urbaines écologiquement sensibles.

 

Il a été utilisé à plusieurs reprises sur des projets riverains où le contrôle de la contamination est une préoccupation majeure. La circulation inverse de grand diamètre a également pris pied dans sa capacité à installer des enveloppes conductrices pour les puits de pétrole/gaz et géothermiques tout en protégeant les aquifères potables adjacents.

 

L'émergence récente du DTFR sur des projets de ressources en eau de grand diamètre est le résultat des pionniers de l'industrie et de leur succès dans l'application de cette technologie. Ses avantages uniques sont progressivement diffusés et de plus en plus utilisés au sein de la communauté du forage et proposés en option à leurs clients.

 

 

 

 

 

 

Diagramme B. Mouvement de l'air, des déblais et du fluide dans un forage inversé inondé à double tube.

 

 

 

 

Comment ça marche

Voir les diagrammes A, B et C. Le trou de forage est continuellement rempli de fluide de forage et une colonne de fluide est créée et maintenue entre la paroi du trou de forage et l'extérieur de la tige de forage à double tube.

 

L'air comprimé est ensuite introduit dans le trou via l'espace annulaire de la tige de forage RC à double tube (l'air circule dans le trou entre l'intérieur du tube externe et l'extérieur du tube interne).

 

Le flux d’air à l’approche du bas du train de tiges est redirigé vers le haut et à l’intérieur du tube intérieur. Le composant du train de tiges chargé de rediriger le flux d’air vers le tube intérieur en haut du trou est appelé « sous-injecteur d’air ». Son travail consiste à libérer l'air comprimé dans le tube interne où il se dilate et crée ainsi un flux dynamique ascendant, suivant le chemin de moindre résistance, qui transporte ensuite une boue composée d'air, de fluide de forage et de déblais de forage vers la surface.

 

Parfois, des pompes aspirantes sont également utilisées pour faciliter davantage l’écoulement ascendant de la boue de fluide de forage.

 

 

En atteignant la surface, la boue entre dans le cyclone où le fluide et les déblais sont séparés en utilisant le propre poids des déblais combiné à la force centrifuge pour effectuer la séparation. Une fois séparés, les déblais peuvent être visualisés et accessibles. Ensuite, le fluide de forage sortant du cyclone se déplace vers le shaker de schiste où il est nettoyé en éliminant les solides restants.

 

Le secoueur de schiste réalise l'élimination des solides et le nettoyage du fluide de forage en utilisant une plate-forme vibrante qui utilise une combinaison de tamis, de gravité et d'énergie vibratoire. Le nettoyage du fluide de forage est une étape vitale dans l'opération DTFR, car trop de solides transportés dans le fluide de forage peuvent finalement entraver le bon nettoyage des trépans et des trous et finalement coller le train de tiges.

 

Une fois nettoyé, le fluide de forage est ensuite renvoyé vers le réservoir de stockage de fluide et éventuellement vers le haut du trou de forage selon les besoins. Cette recirculation et ce nettoyage du fluide de forage constituent un cycle continu qui se poursuit tout au long du processus de forage.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schéma C. Assemblage de fond de trou utilisé dans le forage inversé inondé à double tube. Voir l’image de l’ouvre-trou à la page suivante.

 

 

 

Avantages du DTFR

 

Le DTFR répond positivement aux exigences de base nécessaires à la construction de puits municipaux et commerciaux de grand diamètre dans de nombreuses régions du pays. Le DTFR est également respectueux de l'environnement, permettant de contrôler à la fois les déblais et les rejets de fluides de forage, minimisant ainsi le ruissellement et la contamination du site.

 

Les formations qui peuvent contrecarrer l’utilisation du forage rotatif à air ou à boue avec circulation de pertes peuvent être forées efficacement avec le DTFR. Le fluide de forage associé au DTFR se déplace lentement : il n’érode donc pas la paroi du forage, mais protège et préserve le trou de forage en exerçant une pression hydraulique douce et uniforme contre sa paroi.

 

Cela assure la stabilité et permet l'avancement de puits de grand diamètre dans des formations non consolidées et/ou sédimentaires qui poseraient autrement des problèmes avec les techniques de forage conventionnelles.

 

Dans la plupart des cas, le DTFR ne nécessite pas l'utilisation de boue ou d'additifs et constitue une technique de forage non invasive utilisant à la fois de l'air à faible psi et un fluide de forage à faible débit.

 

La formation reste ouverte, non scellée ou remplie d'additifs pour fluides de forage, ce qui est important car cela permet à la fois un développement plus rapide du puits et entraîne souvent une amélioration de la qualité du puits et de sa production.

 

Les échantillons DTFR peuvent être considérés comme plus précis que les échantillons rotatifs d’air ou de boue car ils ne sont pas exposés à la paroi du trou de forage, ce qui pourrait contaminer l’échantillon. L'échantillon DTFR se déplace directement de la face du foret vers le haut, solidement contenue dans le tube interne, jusqu'à la zone de collecte.

 

L'échantillon est également propre sans revêtement de bentonite. Les déblais révèlent instantanément la formation actuelle en cours de forage. L'échantillon propre permet une identification et une caractérisation faciles de la lithologie, contribuant ainsi au placement optimal du tamis de puits.

 

Seul de l’air à basse pression est requis ; par conséquent, les compresseurs d’air hurlants et les appareils de forage à plein régime ne sont pas présents. Le site est plutôt relativement calme, minimisant ainsi les perturbations dans les zones peuplées et pour la faune.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les ouvre-trous sont couramment utilisés comme composant du BHA pour augmenter le diamètre du trou de forage. L'ouvre-trou peut suivre un alésage pilote de plus petit diamètre préalablement percé, une méthode utilisée pour garantir que l'alésage est d'aplomb avant que l'alésage final de plus grand diamètre ne soit terminé. Alternativement, selon la géologie appropriée, l'ouvre-trou peut être déployé près de la surface et atteindre le diamètre de forage souhaité en un seul passage.

 

 

 

 

 

Limites du DTFR

 

La préparation du DTFR nécessite un investissement substantiel : une plate-forme appropriée, des outils de forage, des agitateurs de schiste et un compresseur. Et les coûts associés à la technique DTFR ne commencent à être vraiment rentables que lorsque la taille du trou de forage atteint ou dépasse 20 pouces de diamètre. Les forages peu profonds de plus petit diamètre sont plus susceptibles d'être forés par des techniques conventionnelles de rotation à air et à boue, d'outils à câble ou de tarière. La plupart des projets DTFR ont au moins une profondeur de trou moyenne et varient généralement de 500 à 3 000 pieds.

 

 

Les outils à double tube sont relativement lourds ; par conséquent, l'appareil de forage doit avoir une capacité de charge au crochet adéquate (capacité de levage et d'abaissement). Il peut y avoir des limites de profondeur, mais si vous disposez d'un appareil de forage suffisamment grand, le DTFR a été utilisé avec succès à des profondeurs de plus de 10 000 pieds.

 

Bien que le site de forage puisse être relativement petit, il fait toujours au moins environ 125 pieds carrés, ce qui est plus grand que ce qu'exigent certaines autres techniques de forage. Le DTFR nécessite également une bonne source d’eau potable à proximité.

 

Le DTFR est moins efficace dans les formations ignées homogènes ultra-dures ; les taux de pénétration sont meilleurs dans les formations granulaires. Les pavés ultra-gros peuvent poser problème s'ils sont si gros qu'ils ne peuvent pas traverser la chambre à air RC. Le DTFR n’est pas non plus un bon choix pour le forage intensif d’argile collante, de limons et d’autres formations à grains ultra-fins.

 

Enfin, cela nécessite un opérateur expérimenté possédant une expertise dans l’utilisation de cette technique de forage.

 

 

 

Voix du terrain

Voici les commentaires d’entrepreneurs de forage DTFR expérimentés de tout le pays.

 

Gingerich Well and Pump Service LLC à Kalona, ​​Iowa

 

Klint Gingerich et son frère Korwin sont copropriétaires de Gingerich Well and Pump Service, une entreprise familiale fondée en 1956. L'implication de Gingerich dans le forage rotatif double a commencé en 2007 lorsque Klint a pris la décision d'utiliser la technique basée sur sa capacité à assurer le confinement des fluides de forage et le nettoyage efficace des forages de grand diamètre. Les principales applications de Gingerich pour le DTFR concernent des projets impliquant la construction de puits municipaux et commerciaux.

 

 

Gingerich Well and Pump utilise du DTFR dans des formations calcaires dures et sédimentaires de l'Iowa et des États voisins. Klint dit que les diamètres d'alésage de 20 pouces et plus conviennent bien au DTFR. Ses équipes utilisent un train de tiges de forage RC personnalisé de 8⅝ pouces OD × 5 pouces ID. Klint a choisi cette taille d'outils car le diamètre intérieur de 5 pouces de la chambre à air correspond au trou traversant de 5 pouces dans la tête supérieure de l'appareil de forage. Ainsi, avec des dimensions communes, il maximise le débit de fluide qu'il peut atteindre avec son équipement.

 

Le débit du fluide est un facteur clé dans le forage de grand diamètre car il a un impact direct sur le nettoyage du trou de forage, du trépan et sur la productivité globale de l'avancement du trou de forage. Un volume extrêmement important de déblais est généré lors du forage d'un forage de 20 à 40 pouces, et plus le volume d'écoulement pouvant être obtenu est grand, plus l'élimination des déblais du trou de forage est efficace.

 

Klint mentionne qu'il existe des limites au DTFR. Il affirme que les dépenses liées à la préparation au forage de grand diamètre nécessitent un investissement substantiel, tel que l'appareil de forage approprié, les outils de forage et l'équipement associé.

 

 

 

 

 

 

Dillon et Klint Gingerich de Gingerich Well and Pump Service LLC s'associent pour réaliser un projet de puits municipal utilisant le DTFR avec un Schramm TX 130.

 

 

 

 

Traut Companies à Waite Park, Minnesota

 

David Traut, MGWC, CVCLD, est vice-président de Traut Companies et a déclaré que l'inondation inversée est une bonne technique pour forer des puits d'eau de grand diamètre dans les formations calcaires fracturées communes au centre du Minnesota.

 

Il a utilisé pour la première fois l'inversion d'eau en 1999 et, grâce à son expérience, il en a fait une méthode sur laquelle il s'appuie pour les puits municipaux. Les zones de perte de circulation qui posaient des problèmes avec d'autres méthodes de forage ne lui posent plus de problème avec DTFR.

 

Traut peut exploiter le DTFR dans un espace relativement réduit (dimensions du site de 125 pieds carrés), en intégrant un appareil de forage et des équipements auxiliaires, notamment un réservoir de fluide de forage de 5 000 gallons, un compresseur d'air et un équipement d'élimination des solides.

 

 

 

 

 

 

Un agitateur de schiste éliminant les solides du fluide de forage.

 

 

 

Traut note que le volume d'air requis pour un forage DTFR est relativement faible par rapport à l'air rotatif. Il dit que l'air approximatif est de 500 à 600 cfm à 150 à 350 psi, le psi étant davantage fonction de la profondeur du trou.

 

Bien qu'il ne soit pas utilisé aussi fréquemment qu'un tricône lorsque des roches plus dures sont rencontrées, Traut utilise un marteau de fond avec un inverseur/packer positionné au-dessus de l'échangeur (crossover). Le déviateur/packer est un gros beignet en caoutchouc qui entoure la tige de forage RC et scelle partiellement contre la paroi du trou de forage. Il limite l’afflux d’eau vers le marteau. Une colonne d'eau est toujours maintenue au-dessus du déviateur/packer pour effectuer la stabilisation du trou.

 

 

L'utilisation d'un marteau pour Traut se fait dans les dolomies et les granites. Le mode marteau de fond nécessite des volumes d’air beaucoup plus importants à des pressions plus élevées. Les équipes de Traut utilisent généralement environ 3 000 cfm à 325 psi et plus, encore une fois, le psi étant une fonction liée à la profondeur du trou.

 

 

 

 

 

 

Les échantillons sont très précis grâce au forage inversé inondé à double tube. Photo gracieuseté des sociétés Traut.

 

 

 

Traut ajoute que le train de tiges à double tube est également utilisé comme train de tiges conventionnel. Au début du forage du trou de forage, les premiers 50 à 80 pieds doivent être forés de manière conventionnelle, car le processus DTFR nécessite une immersion lorsqu'une pression différentielle de hauteur suffisante est créée pour initier l'aspiration dynamique requise pour maintenir un écoulement ascendant robuste. De nombreux foreurs configurent leurs foreuses de manière à pouvoir passer du forage conventionnel au DTFR. Si, par exemple, d'épaisses couches d'argile collante sont rencontrées, le foreur peut choisir de forer de manière conventionnelle, comme

cela peut être une méthode plus rapide pour avancer dans l'argile avant de retourner au DTFR.

 

 

Puits et pompe municipaux à Waupun, Wisconsin

Mason Rens est un foreur principal chez Municipal Well and Pump, qui exploite deux foreuses rotatives doubles Foremost. Rens affirme qu'après des années d'expérience dans le forage de puits d'eau de grand diamètre, son entreprise a conclu que le DTFR était sa méthode préférée de construction de puits, en fonction de divers facteurs.

 

Premièrement, le DTFR permet un contrôle complet de l’évacuation des fluides de coupe sur site, minimisant ainsi la contamination. Le DTFR est également une méthode de forage non invasive. Du point de vue de Rens, il n'érode pas le trou de forage comme le forage rotatif à air et maintient la stabilité du forage même dans des formations non consolidées.

 

Les bentonites et les additifs pour fluides de forage ne sont pas requis pour le DTFR, de sorte que la formation n'est pas soumise à un compactage ou à un scellement non naturel. Ainsi, le développement d'un puits peut être plus rapide et plus complet tandis que la qualité et la production du puits peuvent être bien meilleures que celles des puits où des additifs fluides sont utilisés.

 

De plus, Rens affirme que la précision de l'échantillon avec le DTFR est supérieure car les déblais se déplacent rapidement et directement de la face du trépan vers le haut du tube interne jusqu'à la surface sans exposition à la paroi du trou de forage.

 

Le DTFR contient et protège l'échantillon de déblais dans le tube interne et le délivre rapidement directement à la surface pour examen minutieux, permettant une identification rapide et précise des changements de formation, ce qui, selon Rens, est la clé d'un placement optimal du tamis.

 

Un autre aspect mentionné par Rens est la réduction du bruit sur le site. L'appareil de forage et les compresseurs fonctionnent à des niveaux d'activité réduits par rapport à un appareil rotatif pneumatique, ce qui, en plus d'un dispositif de sécurité, signifie une consommation de carburant inférieure.

 

Avec le DTFR, un seul compresseur de 350 psi suffit même pour les perçages de grand diamètre. Les compresseurs et surpresseurs de secours ne sont pas nécessaires.

 

Rens souligne que la production utilisant le DTFR est exceptionnellement bonne dans les formations sédimentaires, courantes dans le Wisconsin et l'Illinois. Il ajoute que cela est particulièrement vrai pour les formations granulaires telles que les grès, les sables et les graviers.

 

 

Résumé

Le DTFR s'est principalement distingué dans les formations brisées/fracturées non consolidées, sédimentaires ou métamorphiques. Elle s'est bâtie une solide réputation en tant que technique de forage à faible consommation d'énergie, permettant de manière unique de réaliser des forages de grand diamètre dans une géologie non consolidée, tout en offrant des avantages clés en matière de confinement environnemental.

 

 

À mesure que le monde du forage se familiarisera davantage avec le DTFR, nous verrons probablement des innovations continues dans son application dans l’industrie des ressources en eau et dans d’autres domaines.