Quelques caractéristiques des techniques des forages

Une opération de forage peut avoir plusieurs objectifs. Il peut s’agir d’aller prélever un échantillon de roche à un endroit précis pour le ramener en surface ; on parle alors de forage carotté et on appelle carotte le morceau de roche prélevé au fond, du fait de sa forme plus ou moins cylindrique (figure 1).

Ces forages d’exploration peuvent avoir diverses profondeurs. Le plus profond jamais réalisé a atteint la profondeur de 12 345 m, au voisinage de l’ile de Sakhaline, en Russie orientale. Ils permettent, outre le prélèvement d’échantillon de roche, la réalisation in situ d’un certain nombre de mesures géophysiques. La description des variations continues d’une propriété physique le long d’un forage est appelée digraphie. Ainsi on parle par exemple de diagraphie sonique pour décrire les variations, le long du forage, de la vitesse de propagation d’ondes dites sonores, c’est-à-dire d’onde émises dans une gamme de fréquences couvrant le domaine de sensibilité de notre ouïe (20 Hz-10 000 Hz).

Mais le plus souvent les forages ont pour objectif la production des fluides en place dans la roche à une certaine profondeur, qu’il s’agisse d’eau potable (généralement moins de 100 m de profondeur), d’hydrocarbures (de 2 000 à 7 000 m), ou encore de fluides géothermiques (dans le domaine 150 – 5000 m). Ces forages sont réalisés avec une méthode destructive, c’est-à-dire que la roche est broyée en place par une tête de forage (Figure 2), ou trépan, poussée par un train de tige (Figure 3).

Les débris de roche (cuttings en anglais) sont ramenés en surface grâce à une circulation de boue injectée par le train de tige. La viscosité de cette boue est ajustée pour un entrainement optimum des débris et sa densité est ajustée pour assurer la stabilité du forage durant sa réalisation.

Pour les forages peu profonds réalisés pour la production d’eau potable, la technique de foration est souvent plus simple et utilise un marteau fond de trou. Cette technique est équivalente à celle du marteau piqueur, l’air comprimé étant amené au fond par le train de tige. A noter que la pression d’air doit être suffisante pour soulever le poids de la colonne d’eau qui emplit le forage. Ainsi, des surpresseurs permettant d’atteindre des pressions de l’ordre de 100 bars doivent être utilisés pour des profondeurs dépassant les 800 m. Dans la pratique cette technique est surtout utilisée pour les forages ne dépassant pas les 200 m de profondeur.

Lorsque le forage atteint une certaine profondeur, il doit être tubé régulièrement pour équilibrer les contraintes supportées par la roche à la paroi du forage. On parle, en français, du cuvelage (parfois aussi appelé tubage) du forage, (casing en anglais). Le cuvelage peut comporter, lors de sa fabrication  un certain nombre d’orifices, pour permettre la production de fluide recherchée. Mais le plus souvent le cuvelage est cimenté pour éviter toute remontée de fluide le long du forage à l’extérieur du cuvelage. La production de fluide est alors assurée, une fois le cuvelage mis en place de façon étanche, grâce à des perforations réalisées suivant diverses techniques qui varient selon les opérateurs.

Avec la technique classique de forage, le train de tige permet d’une part d’injecter la boue utilisée pour extraire les débris de roche, d’autre part de faire tourner sur son axe l’outil de forage. Cette opération de rotation implique des frottements importants tout le long du forage et donc engendre une usure rapide du train de tige pour les forages profonds. Pour parer à ces difficultés, des têtes de forage pouvant tourner sur elles-mêmes grâce à la pression de boue injectée, et ceci sans rotation du train de tige, ont progressivement été mises au point. Ces turbines ont apporté, de plus, la possibilité de mieux contrôler la direction de foration. Ces techniques permettent aujourd’hui des opérations de foration horizontale sur des distances atteignant la dizaine de kilomètres.