Que sont les outils de forage et pièces de forage rotary ?
Les outils de forage rotary constituent l'ensemble des équipements du drill string (train de tiges) et du BHA Bottom Hole Assembly utilisés en forage pétrolier, gazier ou géothermique. Le BHA regroupe en partie basse du train de tiges : drill bit (trépan), drill collars (masses-tiges lourdes en acier 4145H, longueur 9 m, masse 1-3 tonnes/unité pour mise en charge sur le trépan), heavy weight drill pipes HWDP, stabilisateurs (lames intégrales ou strap, OD nominal hole size), reamers (élargisseurs sous-réamer), shock subs, jars, MWD/LWD (Measurement and Logging While Drilling), motors de forage (PDM Positive Displacement Motor type Moineau) ou turbines. Les drill bits sont les outils de coupe en bout du BHA : tricônes (rouleaux dentés acier ou TCI Tungsten Carbide Insert, 3 cônes coniques), PDC bits (Polycrystalline Diamond Compact, cutters diamant synthétique fixés sur corps acier ou matrix carbure, durée vie 100-500 m), bits diamant naturel ou impregnated pour formations très dures. La vitesse de forage ROP Rate of Penetration varie de 1 m/h (granite, schistes durs) à 100+ m/h (sables non consolidés).
En France, Drillstar Industries (Pau 64, Pyrénées-Atlantiques, 100 salariés, CA 30 M€/an) est leader français BHA et fabrique stabilisateurs intégraux et strap, hole openers fixed cutter, reamers under-reamer, drill collars, drilling jars, fishing tools (overshots, washover pipes, milling tools). La société, fondée 1973 à Pau berceau du pétrole français (Lacq), exporte 80 % de sa production : Mer du Nord (Equinor, Aker BP, Shell), Afrique de l'Ouest (TotalEnergies Angola, BP Mauritanie), Moyen-Orient (ADNOC, Saudi Aramco, Oman), Amérique Latine (Pemex, YPF), Asie. Diamant Drilling Services et CDD Forage à Pau 64 et Toulouse 31 sont spécialisés outils de forage diamant. SLB Smith Bits et Reed-Hycalog (NOV National Oilwell Varco) sont les leaders mondiaux drill bits PDC (parts marché 30 % chacun). Halliburton Drill Bits (Security DBS), Baker Hughes (Hughes Christensen), Atlas Copco Epiroc complètent l'offre. Le secteur français parapétrolier outils de forage emploie environ 1 500 personnes, concentré à Pau et bassin aquitain (Pau 64, Bordeaux 33, Toulouse 31, Lacq 64).
Spécifications techniques et procédés de production
Principales familles d'outils de forage fabriqués en France :
Familles de produits et caractéristiques
| Outil | Spécification | Application | Fabricant français |
|---|---|---|---|
| Drill collars masses-tiges | OD 4 3/4 à 11 pouces, longueur 9 m | Mise en charge sur trépan BHA | Drillstar Pau 64 |
| Stabilisateurs intégraux | OD 6 1/8 à 26 pouces | Stabilisation trajectoire forage | Drillstar Pau 64 |
| Hole openers et under-reamers | Pilot 12 1/4 enlarging 17 1/2 pouces | Élargissement trou existant | Drillstar Pau 64 |
| Drill bits PDC fixed cutter | Diamètres 6 à 26 pouces | Forage formations moyennes à dures | SLB Smith Bits, NOV, Baker Hughes (importés) |
| Drill bits tricônes TCI | Diamètres 6 à 36 pouces | Forage formations dures abrasives | SLB, NOV, Baker Hughes (importés) |
| Drilling jars hydrauliques | OD 4 3/4 à 9 1/2 pouces | Libération stuck pipe coincement | Drillstar Pau 64, importations |
Grades et conditionnements commerciaux
- Stabilisateurs intégraux (Drillstar Pau 64) : usinés monobloc en acier AISI 4145H trempé revenu, 3 ou 6 lames droites ou hélicoïdales, hardfacing tungsten carbide pour résistance abrasion, gamme OD 6 1/8 à 26 pouces.
- Hole openers fixed cutter (Drillstar Pau 64) : cutters PDC ou TSP Thermally Stable Polycrystalline, pilot section 12 1/4 enlarging 17 1/2 ou 26 pouces, applications conducteur 36 pouces, surface hole 26 pouces, intermediate 17 1/2 pouces.
- Drill collars (Drillstar Pau 64) : usinés acier AISI 4145H trempé revenu YS 110 ksi mini, longueur 9,15 m API, masse 1,2 à 3 tonnes/unité, taraudages API NC50, NC56, NC77 selon OD.
- Drilling jars hydrauliques (Drillstar Pau 64) : libération stuck pipe en forage, déclenchement coup haut ou bas par accumulation pression hydraulique, force jar 100-500 kN, qualification API Spec 7-1 et tests cycliques fatigue.
- Fishing tools overshot et washover pipe (Drillstar Pau 64) : repêchage matériels perdus en fond de puits, overshots type Bowen Sucker Rod, washover pipes diamètre 4 à 13 pouces, milling tools pour fraisage casing perdu.
Normes et réglementations
Référentiels normatifs et réglementaires applicables aux outils de forage rotary :
- API Spec 7-1 : Specification for Rotary Drill Stem Elements, exigences matériaux et essais drill pipes, drill collars, HWDP, subs, taraudages API.
- API RP 7G : Recommended Practice for Drill Stem Design and Operating Limits, dimensionnement train de tiges, fatigue, doglegs, torques maximum.
- API Spec 7-2 : Threading and Gauging of Rotary Shouldered Connections, taraudages API NC, REG, FH, SH avec tolérances et essais.
- ISO 10424-1 et 10424-2 : Petroleum and natural gas industries - Rotary drilling equipment, équivalent international API 7-1 et 7-2.
- NACE MR0175 / ISO 15156 : Materials for use in H2S-containing environments, qualification matériaux pour services acides sour wells.
- DS-1 (Drill Stem inspection standards) : standards inspection drill string utilisés industrie mondiale, classement Premium Class 2 Class 3.
Procédés industriels détaillés
Étapes industrielles de fabrication d'un outil de forage type stabilisateur ou drill collar :
Approvisionnement barre forée acier 4145H
Approvisionnement barres forgées acier AISI 4145H (Cr-Mo) chez fournisseur type Aubert et Duval Issoire 63 ou Industeel ArcelorMittal Le Creusot 71, masses 1-3 tonnes/barre selon OD final.
Traitement thermique trempe revenu
Traitement thermique trempe à l'huile + revenu à 580-620 °C pour acier 4145H, propriétés mécaniques YS 110 ksi mini, UTS 140 ksi mini, dureté 285-341 HB, ductilité CVN > 27 J à 21 °C.
Usinage CNC tournage extérieur
Usinage CNC tournage extérieur du diamètre nominal (tolérance +/- 0,4 mm), surfaçage extrémités, alésage intérieur bore 2 1/4 à 4 pouces selon OD, longueur typique 9,15 m API.
Usinage des taraudages API
Usinage CNC des taraudages API rotary shouldered (NC50, NC56, NC77, REG selon OD) sur tours dédiés, contrôle au calibre API gauge et au plug ring, certification 100 % pièces.
Hardfacing carbure tungstène
Hardfacing par projection laser ou TIG MIG des lames stabilisateurs ou zones d'usure drill collars, dépôt 4-8 mm tungsten carbide matrix nickel, dureté 60+ HRC, résistance abrasion x 10.
Contrôle non destructif et certification API 7-1
Contrôle non destructif 100 % : magnétoscopie particules MPI toutes surfaces, ultrasons UT 100 % volume, ressuage PT taraudages, marquage API monogramme 7-1, certificat 3.1 EN 10204, traçabilité heat number.
Le marché français
Le marché mondial des outils de forage et drill bits représente environ 6 Md$ en 2024, dont 3,5 Md$ drill bits (PDC, tricônes, diamant) et 2,5 Md$ drill string accessories (drill collars, stabilisateurs, jars, fishing tools). Les leaders drill bits : SLB Smith Bits (25 % parts marché), NOV Reed-Hycalog (20 %), Baker Hughes Hughes Christensen (18 %), Halliburton Security DBS (15 %), Varel International (5 %, racheté Sandvik 2014), Atlas Copco Epiroc (5 %). Le segment BHA et stabilisateurs est plus fragmenté : NOV, SLB, Halliburton, Weatherford, Drillstar (France), Stabil Drill US, Wenzel Downhole Canada. La croissance est modérée +3 %/an, soutenue par reprise exploration et géothermie deep (GeoVision DOE US, projets Eden EGS Soultz-sous-Forêts 67).
Drillstar Industries (Pau 64, 100 salariés, CA 30 M€/an, fondé 1973) exporte 80 % de sa production : Mer du Nord (Equinor, Aker BP, Shell, BP), Afrique de l'Ouest (TotalEnergies Angola block 17, BP Mauritanie-Sénégal GTA, ENI Mozambique Coral South), Moyen-Orient (ADNOC offshore Émirats, Saudi Aramco onshore, PDO Oman, KOC Koweït), Amérique Latine (Pemex Mexique, YPF Argentine Vaca Muerta shale), Asie (Pertamina Indonésie, ONGC Inde). L'entreprise s'est diversifiée vers la géothermie deep (projet Eden Geothermal Cornwall UK, Soultz-sous-Forêts 67 Alsace, Bouillante Guadeloupe) et le stockage CO2 (CCUS Carbon Capture Storage). Le CA est passé de 25 M€ en 2020 (chute Covid) à 35 M€ prévu 2025 avec reprise upstream.
La transition énergétique impacte ambivalentement le secteur français parapétrolier upstream : pression baissière sur exploration pétrole onshore conventionnel (Lacq Total fermé 2013, gisements Aquitaine en déplétion) compensée par diversification vers géothermie profonde EGS Enhanced Geothermal Systems (potentiel France métropolitaine 1 000 MW à 5 000 m profondeur), stockage hydrogène en cavités salines (3 sites prévus 2030 France), CCUS Carbon Capture Utilization Storage (projet Antwerp@C, CO2 réinjecté gisements North Sea déplétés), forage géothermique basse énergie (réseaux chaleur urbains Paris, Bordeaux). Le bassin de Pau 64 (cluster historique Total Lacq, IFP Énergies Nouvelles, Drillstar, écoles d'ingénieurs UPPA Université de Pau) conserve une expertise mondiale unique en forage, géosciences et complétion.
Applications et débouchés industriels
Programmes publics et industriels structurants pour la filière française outils de forage :
- EVOLEN (ex-GEP-AFTP) : association française parapétrolière, 250 membres, promotion exports outils de forage et transition compétences vers géothermie hydrogène CCUS.
- France 2030 géothermie profonde (100 M€ 2023-2030) : développement EGS Enhanced Geothermal Systems, soutien outils de forage adaptés roches dures granitiques.
- Plan IFP Énergies Nouvelles Rueil-Malmaison 92 + Solaize 69 (250 M€/an R&D) : R&D forage haute température HT 200 °C+ pour géothermie EGS, mud cooling techniques.
- École IFP School Rueil 92 (600 ingénieurs/an) : formation drilling engineering et géosciences, alimentation cadres techniques bassin Pau 64 et exports.
- Programme Pôle de compétitivité AVENIA (basé Pau 64) : géosciences, énergies du sous-sol, géothermie, stockage CO2 et H2 en cavités, soutien R&D 50 M€/an cumulés.
Questions fréquentes
Qu'est-ce qu'un BHA Bottom Hole Assembly et un drill string ?
Le BHA Bottom Hole Assembly est la partie basse du train de tiges (drill string) en forage rotary pétrolier. Il regroupe en partie inférieure : drill bit (trépan PDC ou tricône en bout), drill collars (masses-tiges lourdes en acier 4145H, longueur 9,15 m, masse 1-3 tonnes/unité pour mise en charge WOB Weight On Bit sur le trépan), heavy weight drill pipes HWDP, stabilisateurs (lames intégrales OD = hole size pour stabilisation trajectoire), reamers (élargisseurs sous-reamer), shock subs (amortisseurs vibrations), drilling jars (libération coincements stuck pipe), MWD/LWD (Measurement Logging While Drilling pour mesures fond), motors de forage PDM Positive Displacement Motor type Moineau. Le drill string total mesure 1 000 à 5 000 m de longueur avec drill pipes 5 à 5 7/8 pouces OD en acier ou aluminium, taraudages API NC50. La table de rotation surface ou top drive entraîne le train en rotation 60-200 rpm, le fluide de forage circule à 1 000-4 000 L/min.
Qui fabrique les outils de forage en France ?
Drillstar Industries (Pau 64, Pyrénées-Atlantiques, 100 salariés, CA 30 M€/an, fondé 1973) est le leader français BHA et fabrique stabilisateurs intégraux et strap, hole openers fixed cutter, reamers under-reamer, drill collars, drilling jars, fishing tools (overshots, washover pipes, milling tools). L'entreprise est née à Pau berceau du pétrole français (gisement Lacq Total fermé 2013) et exporte 80 % de sa production vers Mer du Nord (Equinor, Aker BP), Afrique (TotalEnergies, BP), Moyen-Orient (ADNOC, Saudi Aramco). Diamant Drilling Services et CDD Forage à Pau 64 et Toulouse 31 sont spécialisés outils de forage diamant et coring (carottage). Les drill bits PDC et tricônes sont majoritairement importés des leaders mondiaux SLB Smith Bits (25 % parts marché), NOV Reed-Hycalog (20 %), Baker Hughes (18 %), Halliburton (15 %). Le bassin de Pau 64 emploie environ 1 500 personnes dans le parapétrolier français.
Quelle différence entre drill bit PDC, tricône et bit diamant ?
Un drill bit PDC Polycrystalline Diamond Compact est un trépan fixed cutter avec cutters en diamant polycristallin synthétique fixés sur un corps acier ou matrix carbure-tungstène cobalt. Les cutters de 13 à 19 mm assurent une coupe par cisaillement de la roche. Durée vie 100-500 m formations moyennes (calcaires, grès), ROP Rate Of Penetration 20-50 m/h. Coût 30 000 à 80 000 € (8 1/2 à 12 1/4 pouces). Un drill bit tricône a 3 cônes coniques rotatifs avec dents acier (formations tendres) ou TCI Tungsten Carbide Insert (formations dures). Coupe par concassage indentation. Durée vie 50-300 m, ROP 10-30 m/h, coût 15 000-40 000 €. Adapté formations très dures, abrasives ou hétérogènes. Un bit diamant impregnated (diamant naturel ou TSP Thermally Stable Polycrystalline) cible formations ultra-dures (granite EGS géothermie, basalte, quartzite) avec ROP faible 1-5 m/h mais durée vie 500-2 000 m, coût 50 000-150 000 €. La sélection dépend de la lithologie.
Combien coûte un BHA complet de forage pétrolier ?
Le coût total d'un BHA Bottom Hole Assembly complet de forage pétrolier varie fortement selon la profondeur et la complexité. Pour un puits onshore conventionnel 3 000 m : drill bit PDC 8 1/2 pouces 40 000 €, motor PDM Moineau 5LZ7800 80 000 €, MWD/LWD basic 200 000 €, drill collars 6 unités x 25 000 € = 150 000 €, stabilisateurs 4 x 15 000 € = 60 000 €, drilling jar 30 000 €, soit total BHA 560 000 €. Pour un puits HPHT High Pressure High Temperature 6 000 m offshore : drill bit PDC 12 1/4 pouces hardfacing 80 000 €, RSS Rotary Steerable System SLB PowerDrive 500 000 € (location 30 j), LWD avancé 1 M€ (location 30 j), drill collars Inconel 600 000 €, stabilisateurs HPHT 150 000 €, jars 60 000 €, soit total BHA 2,4 M€ équipement + location. Le coût de location journalier complet rig + BHA + équipement varie 80 000-250 000 €/jour offshore, 40 000-80 000 €/jour onshore.