vignette|Forage vertical pour trouver de l'eau vignette|Forage pour trouver du pétrole 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. Par exemple, des puits sont forés pour : trouver et exploiter des ressources naturelles enfouies (eau, pétrole, ressources minières) ; la géotechnique ; la géothermie ; l'environnement et la décontamination de sols ; 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 , à une installation avec un puits de pétrole ou bien à une plate-forme pétrolière pour l'exploitation pétrolière .
En 2014, une étude scientifique de données officielles provenant d'Australie, Autriche, Bahreïn, Brésil, Canada, Pays-Bas, Pologne, Royaume-Uni et États-Unis montrait que plus de quatre millions de puits d'hydrocarbures terrestres avaient déjà été forés rien que dans ces pays. Une fois l'exploitation terminés, très peu d'entre eux sont surveillés, et des pertes d'intégrité de cuvelage ou béton sont régulièrement constatées.
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 () qui transmet le mouvement directement aux tiges de forage.
Système Rotary vignette|200px|Image légendée d'un forage 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 (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 »Ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie de la France, décret 2000-278 du 22 mars 2000 complétant le règlement général des industries extractives institué par le décret -331 du 7 mai 1980 modifié.
Turboforage Le turboforage est une variante du forage rotary. Dans celui-ci, les tiges de forage ne tournent pas, et le trépan est fixé directement sous la turbine, qui est mise en rotation par le fluide de forage (eaux boueuses). Le turboforage a été mis au point par la société Neyrpic et les équipements commercialisés à partir de 1956 sous le nom commercial de Neyfor. Plus rapide mais bien plus cher que le forage rotary, le turboforage est rapidement cantonné à des usages spécifiques, particulièrement l'off-shore.
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 . 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 .
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 , tels les quartzites, et picots courts pour les terrains moins 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 parler 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
Levage Mât et derrick vignette|Derrick en Roumanie Le mot derrick utilisé dans le domaine pétrolier désigne une tour en bois ou en métal soutenant le dispositif de forage d'un puits de pétrole. Le mot anglais a d'abord désigné une potence ou gibet et viendrait de , célèbre bourreau de Tyburn, principal lieu des exécutions capitales des criminels anglais. Puis il désigne plus généralement un dispositif de levage. Au , en français, le terme est appliqué au cadre supportant l'appareil de forage dans une plate-forme pétrolière terrestre.
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 ) 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.
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 ou sondeurs par poste, soit 3x8 (France), soit 2x12 (autres pays) 1 ou 1 ou second 1 ou chef de poste 1 ou chef de chantier 1 jour et nuit 1 jour et nuit 1 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 suivantsMinistère de l'Énergie et des Mines d'Algérie, décret exécutif 94-43 du 18 Chaâbane 1414 correspondant au 30 janvier 1994 fixant les règles de conservation des gisements d'hydrocarbure et de protection des aquifères associés, 3 (JORA : 008 du 13 février 1994) : le cisaillement du train de tiges la suspension du train de tige, obturation ferme ; la maîtrise du puits avant sa réouverture.
Système de chauffage Sous climat très froid, comme 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 comme le tube qui isole tout le puits des terrains encaissants et qui durant les opérations contient le fluide de forage.
Tubage intermédiaire