Application des alliages de cuivre au béryllium dans les systèmes de diagraphie en cours de forage (MWD/LWD)
Le cuivre au béryllium est largement utilisé dans l’industrie pétrolière, notamment dans la fabrication de composants non magnétiques tels que : colliers de serrage de trépan, colliers de forage flexibles, corps extérieurs résistants à la pression pour les instruments de mesure MWD/LWD, pulseurs, raccords filetés, outils de prélèvement d’hydrocarbures (gaz de schiste, etc.), et barres de forage non magnétiques. Avec les avancées technologiques de la Chine en matière d’exploration et de forage pétrolier, les systèmes de contrôle de forage ont connu de grands progrès. La technologie clé des systèmes MWD/LWD sans fil a été maîtrisée, marquant l’entrée de la Chine dans le cercle des grandes puissances pétrolières. Les tubes extérieurs en cuivre au béryllium MWD/LWD produits en Chine présentent une résistance à la pression atteignant 140 MPa, tout en résistant à l’érosion du magma et des sédiments, avec des performances équivalentes aux produits américains.
1. Application dans les systèmes MWD/LWD et RSS (Rotary Steerable Systems)
Le système de mesure Drilog de CNOOC (China National Offshore Oil Corporation) comprend plusieurs modules instrumentés tels que :
DIM (instrument de mesure MWD)
DSM (instrument de mesure des paramètres d’ingénierie)
ACPR (instrument intégré de résistivité et de gamma)
Ces modules sont connectés mécaniquement et électriquement pour former un système complet. Comme illustré, la connexion entre les modules MWD et DSM utilise un système de raccord adaptatif. Les connexions internes mécatroniques se font via des jonctions rigides et des adaptateurs, tous fabriqués en cuivre au béryllium C17200.
Les modules sont indépendants et facilement interchangeables. Les connexions doivent assurer une bonne étanchéité, conductivité, résistance à la corrosion, ainsi qu’une haute résistance à la fatigue.
2. Application dans les moteurs de forage non magnétiques pour les mesures directionnelles
Lors du forage directionnel, il est essentiel d’obtenir un environnement non magnétique pour garantir la précision de mesure. Pour cela, des barres de forage non magnétiques en alliage de cuivre au béryllium sont utilisées à la place des tiges magnétiques classiques.
Leur fonction :
Éliminer les interférences magnétiques,
Réduire l’écart entre le capteur et le trépan,
Bloquer les champs magnétiques des outils voisins et des parois du puits.
La plupart des enveloppes actuelles de moteurs non magnétiques sont en cuivre au béryllium.
3. Application dans les instruments de mesure près du trépan (Near Bit)
Pour une mesure précise de la trajectoire de forage, des dispositifs de mesure près du trépan sont utilisés.
Chez CNOOC, un instrument a été conçu à cet effet, intégrant des tubes de batterie et des supports de batterie en cuivre au béryllium.
Une comparaison entre des matériaux non magnétiques (N1310B) et du cuivre au béryllium (QBe2) a démontré que ce dernier :
Offre une plus grande plage de torsion admissible,
Présente une meilleure sensibilité à la contrainte,
Est donc plus adapté aux capteurs de mesure près du trépan.
Le module en CuBe permet d’augmenter l’amplitude de déformation mécanique, de réduire le gain de l’électronique de conversion, et d’améliorer la résistance aux interférences électromagnétiques du système.
4. Problèmes rencontrés lors des applications
Malgré ses nombreux avantages, l’utilisation du cuivre au béryllium présente aussi certains défis.
Lors d’essais industriels sur la foreuse directionnelle ZYWL-6000DS dans la mine de Jincheng, un forage de 1008 m a été réalisé avec succès.
Cependant, dans d’autres mines (Changping, Shuangliu), des ruptures de tiges non magnétiques en CuBe sont survenues avant 2000 m de profondeur, causant la chute d’instruments dans le puits.
Les ruptures ont été causées par des accidents de blocage dus à des effondrements de parois. Sous l’effet de la torsion et de la traction, les liaisons rigides ont cédé.
Le 28 décembre 2020, une panne similaire s’est produite sur la plateforme EP24-2 de CNOOC à Shenzhen.
Après 664 m de forage, le signal de l’instrument MWD a disparu. Après démontage, une rupture de la connexion rigide à l’intérieur du capteur a été constatée.
Analyse de la cause :
Rupture de fatigue due à une concentration de contraintes,
Baisse de ténacité du CuBe après traitement thermique (résistance > 1000 MPa, mais allongement < 5 %),
Erreurs de traitement thermique, usinage ou traitement de surface peuvent également contribuer à cette fragilité.
Conclusion
Le cuivre au béryllium, grâce à ses propriétés exceptionnelles, est inégalé dans certaines applications industrielles de haute exigence, y compris les systèmes MWD/LWD.
Cependant, des défaillances peuvent apparaître si ses particularités métallurgiques ne sont pas bien maîtrisées.
Il est donc impératif d’établir des normes complètes pour le traitement thermique, la finition de surface et l’usinage, afin d’exploiter pleinement les atouts du CuBe et garantir la fiabilité des composants dans les environnements de forage complexes.