Tribune d’expert : prévenir les défaillances de roulements des moteurs à boue

Dans le secteur de l’exploitation pétrolière et gazière, la méthode de lubrification des roulements pour moteurs à boue présente d’importants défis à relever, comme la prévention des défaillances de roulements. Des solutions existent pour rendre les roulements pour moteurs à boues plus fiables, comme nous l’explique Roland Muttenthaler, Responsable du Développement Commercial dans le secteur de l’industrie chez SKF. Une tribune en deux parties: d’un coté, la problématique et les enjeux. De l’autre, les process de SKF pour obtenir la fiabilité des roulements.

Partie 1 : La problématique et les enjeux.

Dans l’industrie pétrolière, les coûts des appareils de forage et des opérateurs associés s’élèvent à plus de 200 000 € par jour. La plus petite interruption dans la production peut engendrer des pertes colossales pour les sociétés gazières et pétrolières. La fiabilité est ainsi le facteur de réussite le plus critique dans ce secteur clé de l’énergie. Elle est au cœur de chaque développement dans le secteur de l’industrie pétrolière et gazière, du fait de son lien intrinsèque avec la productivité et la rentabilité.

Les roulements pour moteurs à boue utilisés pour le forage doivent être d’une fiabilité optimale pour pouvoir fonctionner dans ces conditions extrêmement rudes : les formations géologiques diverses, telles que la roche et le sable, expliquent pourquoi les charges axiales et les chocs sont particulièrement élevés et les défaillances nombreuses (corrosion importante, bagues fissurées, etc.).

Le défi de la lubrification par la boue

Mais, les défis à relever ne s’arrêtent pas là… En plus de devoir faire face à des charges sévères, les roulements pour les applications de forage sont « lubrifiés » par de la boue hautement abrasive contenant plus de 10 % de matières solides, comme du sable, par exemple. La conséquence directe de cela est l’usure par abrasion des bagues et des billes. De plus, les roulements pour moteurs à boue doivent pouvoir résister à des additifs chimiques agressifs, tels que les chlorures.

La lubrification des roulements pour moteurs à boue est effectuée de manière très simple : la boue est mise sous pression à environ 690 bars (10 000 psi) et injectée vers le fond de la colonne de forage. Elle traverse le moteur, lubrifie l’ensemble de roulements puis passe par le trépan et ressort de la colonne de forage, en emmenant avec elle à la surface les débris de forage. La boue et les débris sont ensuite filtrés sur l’appareil de forage avant d’être à nouveau injectés dans la colonne, en boucle fermée.

Les roulements, le « nouveau maillon faible » de la colonne

Historiquement, les activités de développement se sont surtout focalisées sur le trepan. Mais les améliorations apportées dans ses performances et la section de puissance du moteur ont fait du roulement le « nouveau maillon faible » de la colonne.

Cela a conduit SKF à utiliser toute son expertise en matière d’analyse des défaillances, d’ingénierie des matériaux, de réalisation d’essai et de conception pour mettre au point des roulements pour moteurs à boue d’une conception nouvelle permettant d’augmenter le temps moyen entre chaque défaillance.

Un moteur à boue SKF type comporte entre huit et douze rangées de roulements. Lorsque le roulement est neuf, la plus grande partie de la charge est absorbée par les premières rangées. Au fur et à mesure de l’augmentation de l’usure sur chaque rangée, la charge est transmise à la rangée suivante et ainsi de suite, jusqu’à ce que toutes les rangées soient usées de manière uniforme. L’absorption de la charge revient ensuite sur la première rangée et le processus se répète.

Les exigences changent selon les situations. SKF a donc développé un ensemble spécifique d’outils pour personnaliser l’ensemble de roulements pour moteurs à boue selon chaque projet, en tenant compte des contraintes dimensionnelles, des fluctuations dans la demande en forage, de la profondeur, de la direction du forage ainsi que des conditions géologiques. Ces outils comprennent des essais en interne, des essais sur le terrain et une étude des processus et des paramètres de fonctionnement.

Le forage devrait connaître un pic de croissance dans les années qui viennent. Une plus grande fiabilité se traduira nécessairement par un temps moyen entre chaque défaillance allongée. Les performances de pointe proposées par des entreprises telles que SKF offriront un avantage déterminant aux producteurs de pétrole qui souhaiteront se démarquer dans ce marché où la concurrence est féroce.

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Partie 2 : Comment SKF a fiabilisé ses roulements pour moteurs à boue

Le processus de conception SKF

Pour améliorer les performances et la fiabilité dans les applications de prospection pétrolière et gazière, les ingénieurs SKF ont utilisé des règles de conception brevetée par SKF et ses outils de simulation pour :

Définir avec précision le comportement de l’ensemble de roulements.
Modifier la conception de l’ensemble de roulements pour minimiser les contraintes et optimiser la capacité de charge.
Tester de nouvelles conceptions et de nouveaux matériaux.

Une analyse précise des charges de roulement est pratiquement impossible en fonctionnement car la tête de forage est inaccessible pendant l’exploitation. SKF a mis au point un banc d’essai qui simule des conditions de fonctionnement de base des ensembles de roulements pour moteurs à boue, pour rechercher les causes des défaillances prématurées de roulements. Grâce à ces bancs d’essais, l’entreprise a pu reproduire des schémas d’usure et de fissuration de bagues correspondant à des modes de défaillance type.

Cependant, la méthodologie SKF, va bien au-delà de l’analyse des roulements car elle comporte une étude complète de l’application et de l’environnement de travail. L’une des compétences uniques de SKF est son expertise dans le développement des matériaux et, en particulier, de l’acier.

Une analyse initiale des causes de défaillances menée par les ingénieurs SKF a montré que l’acier utilisé et les processus de post-production avaient un impact significatif sur la durée de service des roulements. SKF a fabriqué une petite série du nouveau modèle de roulement pour réaliser des essais sur banc.

En plus d’être dans un acier présentant une meilleure résistance à l’usure, les roulements ont été dotés de billes jointives pour augmenter la charge de base, de bagues interchangeables pour optimiser la répartition de la charge ainsi qu’une géométrie interne unique pour supporter les charges axiales induites par le forage et résister aux contaminants.

Les essais sur les bancs SKF ayant donné des résultats satisfaisants, les roulements ont été mis en service chez un client, sur le terrain. Les roulements étaient évalués lors des interventions d’entretien périodique du moteur de forage et étaient remis en service tant qu’ils étaient considérés comme étant en bon état. Dans ce cas spécifique, grâce aux changements dans la conception des roulements et une procédure de révision du moteur optimisée, les heures de fonctionnement ont pu augmenter d’environ 100 %.

Nous pensons que les solutions de roulements pour moteurs à boue SKF pourront fonctionner dans des conditions de forage pendant une durée beaucoup plus longue que les 50 à 200 heures habituelles pour ce secteur.