Procédé et dispositif de forage pour l'étude et l'exploitation du sous-sol

Abstract

 L'invention concerne le forage d'un trou pour l'étude du sous-sol.
La tête de roto-percussion (46) agit sur le tube de forage (4) dont la base porte un taillant. Ce­lui-ci est solidaire de la chemise (23) à l'intérieur de laquelle est injectée l'eau du forage. L'eau et les débris de roche remontent puis sortent par l'ouverture d'évacuation (48).
Application : forage à flux inverse permettant d'extraire en (48) des carottes ou des débris de roche qui remontent à l'intérieur du tube axial dès qu'ils sont prélevés et ainsi ne risquent pas d'être pollués par les terrains précédemment traversés.

Description

[0001] La présente invention est l'application nouvelle à un mode de forage existant (le forage percutant avec mar­teau hors du trou) d'une technique particulière de circula­tion (la circulation inverse double tube) déjà utilisée dans les forages mais dans des domaines totalement différents par exemple : le forage au tricône.

[0002] On sait depuis longtemps forer le sol à l'aide d'­un taillant vissé à l'extrémité inférieure d'un tube dontle sommet est soumis simultanément à la percussion et à la ro­tation données par un marteau de surface.

[0003] Au fur et à mesure de la progression du forage, on visse sur le sommet du tube des éléments tubulaires sur lesquels le mécanisme de forage agit à nouveau.

[0004] Le tube est utilisé pour injecter un fluide (air, eau,...) dont le rôle est de nettoyer le taillant, de déga­ger le fond du trou des débris de roche et de les remonter jusqu'à la surface par l'espace annulaire entre tube et ter­rain.

[0005] Cette méthode présente 2 inconvénients principaux:
- le fluide chargé des débris du creusement peut être pol­lué par d'autres débris arrachés à la paroi au cours de la remontée, ce qui empêche de reconstituer la succession des terrains traversés.
- les manchons qui servent à assembler les éléments tubu­laires entre eux faisant saillie dans le forage, ils contri­buent à la dégradation de la paroi et créent un risque per­manent de coincement.

[0006] La présente invention a pour but d'éviter ces in­convénients et de réaliser des forages de meilleure qualité et de faire du "forage avec marteau hors du trou" un véri­table outil de reconnaissance géologique en obtenant un bon échantillonnage des terrains traversés et ce, à un moindre coût que le carottage traditionnel.

[0007] Le procédé selon l'invention pour réaliser un fo­rage percutant à circulation inverse avec marteau hors du trou est caractérisé en ce que l'eau est injectée entre une chemise et un tube concentriques progressant simultanément

[0008] L'eau parvenue à la base sort autour du taillant, nettoie le fond du forage, puis par le trou central du tail­ lant et l'intérieur du tube remonte avec les débris de ro­che jusqu'en surface.

[0009] Grâce à cette application nouvelle du procédé, les débris de roche remontent
- dès qu'ils sont prélevés (pas de pollution de l'échantil­lon au cours de la remontée)
- très rapidement (faible section de l'intérieur du tube)
- sans être rebroyés le long du forage par les manchons ce qui permet d'obtenir des éléments de roche d'une taille fa­cilitant leur identification et leur étude.

[0010] Un dispositif de forage selon l'invention pour la mise en oeuvre du procédé comprend un tube axial dont le som­met reçoit la frappe d'un marteau et dont l'intérieur sert à la remontée des débris qui sont éjectés en surface.

[0011] Selon une caractéristique de l'invention ces dé­bris sont éjectés en surface soit dans l'axe du marteau par l'aiguille qui traverse le piston, soit latéralement sous le marteau.

[0012] Le dispositif de forage est caractérisé en ce qu'­autour du tube axial se trouve délimité, par une chemise, un volume annulaire qui est raccordé, sous le marteau, à une tête d'injection d'eau et, au fond du trou, au taillant lui-­même.

[0013] Selon qu'il est nécessaire de livrer au géologue un forage chemisé ou non on utilisera 2 dispositifs diffé­rents.

[0014] Si le trou doit être livré nu on emploiera un em­pilage d'éléments monoblocs double-corps composés d'un tube axial et d'une chemise périphérique filetée mâle à une ex­trémité et femelle à l'autre, ces filetages servant à accou­pler les éléments monoblocs double-corps entre eux et à les entraîner en rotation.

[0015] Le tube est centré à l'intérieur de la chemise par un dispositif qui laisse celle-ci à l'abri des ondes de choc transmises par le tube et qui autorise un certain coulisse­ment entre tube et chemise.

[0016] Si le trou doit être chemisé, il est préférable d'utiliser l'autre dispositif. Le tube axial sera constitué par des allonges tubulaires classiques filetées mâle à leurs deux extrémités et assemblées entre elles par des man­chons.

[0017] La chemise périphérique sera formée par des éléments filetés mâle d'un côté , femelle de l'autre et vissés les uns aux autres.

[0018] A la différence du dispositif monobloc dou­ble-corps le tube axial et la chemise périphérique ne sont reliés entre eux qu'à leurs extrémités, sous le mar­teau et au taillant.

[0019] Selon une caractéristique de l'invention outre la frappe qui est , dans tous les cas , transmise par le tube jusqu'au taillant , l'entraînement en rota­tion du taillant peut être assuré de deux façons , soit par le marteau agissant sur le tube , soit par une tête de rotation indépendante agissant sur la chemise.

[0020] Quant à la chemise qui, dans tous les cas, progresse avec le taillant, elle peut l'accompagner de deux façons , soit en ne tournant pas , soit en étant mise en rotation ou bien par le tête de rotation ou bien par un dispositif lié au taillant.

[0021] Dans ce dernier cas les filetages des élé­ments du tube et ceux des éléments de la chemise devront être réalisés de sens opposé.

[0022] Suivant une autre caractéristique de l'inven­tion, le marteau possède un piston tubulaire que traverse une " aiguille " creuse dont le diamètre intérieur est identique à celui du tube axial , ce qui donne un trajet rigoureusement rectiligne pour les débris de roche remon­tés par l'eau , si bien qu'on peut les recueillir à la sortie du tube au-dessus du marteau.

[0023] Cette configuration particulière permet , sous réserve de modifications mineures du taillant , la remontée continue de carottes , améliorant encore ainsi la qualité de l' échantillonnage des terrains tra­versés.

[0024] Le dessin annexé , donné à titre d' exemple non limitatif , permettra de mieux comprendre l' inven­tion et les avantages qu 'elle est susceptible de pro­curer.

Figure 1 est une coupe longitudinale schématique montrant la partie supérieure d'une installation de forage selon l'invention.

Figure 2 montre l'extrémité inférieure au niveau du taillant.

Figure 3 montre une variante de la Figure 1, per­mettant en outre de recueillir des carottes au dessus du marteau.

Figure 4 illustre la zone de raccordement entre deux éléments du tube central.

Figure 5 est une vue de la base du tube axial et du premier élément de la chemise périphérique.

Figure 6 illustre le mode de dévissage entre deux éléments de la chemise périphérique.

Figure 7 illustre la structure inférieure, dans la zone du taillant.

Figure 8 montre la circulation de l'eau et des sédiments dans la zone du taillant.

Figure 9 est une coupe suivant IX-IX (Figure 10).

Figure 10 montre la liaison du taillant avec la base du tube axial et de celle de la chemise périphérique.

Figure 11 montre le forage terminé, tel qu'on le livre chemisé.

Figure 12 détaille une structure possible dans la zone supérieure de la Figure 1 en position "forage".

Figure 13 est une coupe transversale suivant XIII-­XIII (Figure 12) montrant une clé de déblocage.

Figure 14 correspond à une autre vue de la Figure 12, mais en position "manoeuvre".

[0025] On a représenté sur les Figures 1 et 2 le schéma d'un dispositif de forage à flux inverse selon l'invention.

[0026] Le marteau roto-percutant 1 comprend un piston 2 qui frappe à la manière connue sur le tronçon supérieur 3^d′ un tube 4. Celui-ci est constitué par une suite d'allonges tubulaires telles que 5, 6, 7, 8, 9 assemblées les unes à la suite des autres. Pour cela, chaque allonge possède à son sommet une zone filetée 10 (Figure 4) et à sa base une autre zone filetée 11. Les deux filetages sont de même sens et l'assemblage s'effectue à la manière connue par vissage dans un manchon fileté 12 de deux zones filetées adjacentes 10 et 11 (Figure 4).

[0027] A son extrémité inférieure, le tube (composé d'al­longes tubulaires) est vissé sur le taillant 13 par l'in­termédiaire d'un manchon fileté 14. Ce manchon 14 présente la particularité d'avoir le filetage côté opposé au tail­lant plus facile à dévisser que ceux des zones précitées 10 et 11. A cet effet, on peut prévoir :
- dans la partie supérieure du manchon 14, pour son assem­blage avec l'allonge tubulaire inférieure 9 du tube 4, un filet 15 à profil trapézoïdal ;
- dans la partie inférieure du manchon 14, pour son assem­blage avec le filetage 16 du taillant 13, un filet 17 à pro­fil cordon, par exemple du genre classé sous la référence R 45 dans la norme européenne (Figures 2 et 7).

[0028] Par ailleurs, entre l'embase proprement dite du taillant 13 et son filetage mâle 16, on prévoit sur le corps un tronçon 18 pourvu de cannelures longitudinales 19. Ces dernières coulissent librement dans le sens axial (flèche double 20, Figure 2) entre les cannelures correspondantes 21 prévues à l'intérieur de l'extrémité 22 de l'élément in­férieur 24 d'une chemise 23 formée par vissage les uns au bout des autres, d'éléments tels que 24, 25, 26, 27, 28.Ces éléments de chemise 24 à 28 sont assemblés dans le prolon­gement les uns des autres par des filetages mâle 30 et fe­melle 31 taillés dans les zones renforcées 29. Le pas de ces derniers filetages présente la particularité d'être de sens inverse des filetages 10,11, 15, 17. Autrement dit, les uns sont filetés "à droite", les autres "à gauche". Ainsi, lorsque le marteau 1 entraîne par son sommet le tube de fo­rage 4, c'est la partie inférieure de celui-ci qui, par les cannelures 19, 21, entraîne en rotation le pied de la chemise 23. Grâce à cette disposition, la rotation commandée par le marteau 1 tend à serrer tous les assemblages vissés, aussi bien ceux du tube 4 que ceux de la chemise 23.

[0029] Par ailleurs, des pions de centrage 32 sont pré­vus sur la paroi intérieure de la chemise 23, répartis dans les zones renforcées 29 et éventuellement dans les éléments de chemise 24 à 28. Ces pions sont destinés à prendre appui contre l'extérieur du tube 4, pour définir autour de lui un espace intermédiaire annulaire 33 où circulera le fluide de forage (air ou eau).

[0030] Enfin, pour augmenter les sections de passage pré­vues pour le fluide de forage, on prévoit préférablement sur le trépan 13 une large gorge périphérique 34 (Figures 2, 7, 10) et des canaux fraisés longitudinaux 35. On prévoit aussi que le nombre des cannelures mâles 19 (par exemple trois sur la Figure 9) est inférieur à celui des cannelures 21 du man­chon 22 (par exemple six), ce qui laisse libres de larges passages d'eau ou d'air 36 (par exemple trois).

[0031] Dans l'exemple de la Figure 1, le tronçon supé­rieur 3 est surmonté par une surface de frappe 37 et il pos­sède une ouverture de sortie latérale 38 qui communique avec l'espace intérieur 39 du tube de forage 4.

[0032] Par ailleurs, l'espace annulaire 33 est obturé à sa partie supérieure par un touret d'injection étanche 40 qui entoure le tube 4 mais reste isolé de la frappe du pis­ton 2, alors que cet espace 33 débouche latéralement sur un canal d'alimentation 41 relié à une injection d'air comprimé ou d'eau sous pression.

[0033] Le fonctionnement est le suivant :

[0034] Le tube axial 4 sert à transmettre au taillant 13 les ondes de choc et le mouvement de rotation. Le fluide (air ou eau) injecté par le canal d'alimentation 41 descend dans l'espace annulaire 33 puis, par les passages 36, 34, 35 parvient à la zone de creusement 42 située au fond du trou qu'il nettoie et d'où il évacue les débris 43. Ceux-ci sont remontés par l'espace central 39, puis éjectés par l'ouver­ture 38. Ainsi, les débris de roche remontés ne risquent pas d'être pollués par les terrains déjà traversés.

[0035] En fin de forage, il suffit de bloquer avec une clé 44 (Figures 12 et 15) le sommet de la chemise 23, puis de provoquer la rotation du tube 4 en sens inverse du sens utilisé pour le forage. C'est au niveau du manchon 14 que les filetages se desserrent et se dévissent, si bien que la chemise 23 et le trépan 13 restent en place dans le trou 45 (Figure 11) lorsque l'on a extrait le tube 4. Ainsi, le trou 35 peut être livré tubé.

[0036] Dans la variante de la Figure 3, on prévoit dans le marteau 46, un piston 47 qui présente la particularité d'être percé. Ce piston annulaire est traversé par une ai­guille tubulaire 48 qui prolonge vers le haut le tube 4. L'intérêt de cette disposition est d'évacuer les sédiments 43 suivant un trajet entièrement rectiligne jusqu'à l'ou­verture d'évacuation finale 48. Grâce à cette structure, on peut donc recueillir par l'ouverture supérieure 48, non seulement des débris de roche, mais également des carottes permettant l'étude plus complète des terrains.

[0037] On a représenté sur les Figures 12, 14, une réali­sation possible du dispositif de tête reliant le tube 4, la chemise 23 et le marteau 1 selon les Figures 1 et 2.

Revendications

1 - Procédé pour la réalisation d'un forage (45) à circulation d'eau à l'aide d'un taillant (13) équipant l'­extrémité inférieure d'un tube de forage (4), caractérisé en ce qu'au sommet du tube (4) on injecte autour de celui-­ci le fluide du forage qui parvient en bas autour du tail­lant (13), après quoi il remonte par le trou central (39) du tube (4).

2 - Procédé suivant la revendication 1, caracté­risé en ce qu'on prévoit autour du tube axial (4), une che­mise périphérique (23) dont la base est entraînée par le taillant (13) avec lequel elle demeure dans le trou (45) après la fin du forage.

3 - Dispositif de forage pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un tube de forage (4) dont le sommet (3) reçoit la frappe d'un piston (2), (47) et l'entraînement en rotation du marteau (1), (46) carac­térisé en ce qu'autour du tube (4) dont elle est séparée par un espace libre annulaire (33) est prévue une chemise de tubage (23) dont la partie supérieure est raccordée à une tête d'injection de fluide (40), (41), alors qu'au-des­sus de cette tête d'injection dépasse le tube axial (4) pourvu à cet endroit d'une ouverture (38), (48) pour l'éva­cuation des débris de forage (43) remontés par le fluide en circulation.

4 - Dispositif de forage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la mise en place des allonges tu­bulaires vissées successives (5) à (9) et (24) à (28) s'ef­fectue par des filetages (10), (11), (15), (17) d'un sens donné pour le tube axial (4) et par des filetages (30), (31) du sens opposé pour la chemise (23), à savoir des filetages à gauche pour l'un et des filetages à droite pour l'autre.

5 - Dispositif de forage suivant le revendication 4 et la revendication 5, caractérisé en ce que la liaison d'entraînement entre le tube axial (4) et la chemise péri­phérique (23) se situe au fond (42) du forage, dans la zone du taillant (13).

6 - Dispositif de forage suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il suf­fit d'agir au sommet du forage en bloquant la chemise (23) alors qu'on fait tourner le tube (4), pour désolidariser au niveau du filetage 15 en fond de forage, le tube 4 et la chemise 23, si bien qu'on peut remonter le tube axial (4) alors qu'on abandonne en place la chemise (23) pour garnir désormais la paroi intérieure du trou (45).

7 - Dispositif de forage suivant l'une quelcon­que des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le piston (47) est un piston percé que traverse une aiguille tubulaire qui prolonge le tube axial de forage (4), four­nissant ainsi aux débris un trajet rigoureusement rectili­gne du taillant (13) jusqu'à une ouverture d'évacuation (48) qui la surmonte, si bien qu'on peut recueillir au sommet du tube (4) des carottes intactes, remontées par le fluide de forage.

8 - Dispositif de forage suivant l'une quelcon­que des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la paroi interne de la chemise tubulaire (23) comporte des pions d'écartement (32) qui en dépassent pour prendre ap­pui autour du tube axial (4) afin de définir un espace intermédiaire annulaire (33) rigoureux.

9 - Dispositif de forage suivant l'une quelcon­que des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que l'élé­ment inférieur (22) de la chemise (23) comporte des canne­lures longitudinales intérieures (21) dans lesquelles sont encastrées à coulissement des cannelures (19) réparties en plus faible nombre autour du corps (18) du taillant (13), ce qui laisse libres pour le fluide des canaux de passage (36) entre les cannelures (21).

Dessins