Tête d'injection sous pression

Abstract

 L'invention concerne une tête d'injection sous pression d'un liquide pour désagréger le terrain à partir d'un forage, ladite tête étant montée à l'extrémité d'un train de tiges ou de tubes comportant des moyens d'alimentation sous pression en liquide (48). La tête comporte un corps (32) et une paroi externe (34), corps dans lequel est montée au moins une buse d'injection (50) dont le diamètre d'entrée est égal à d, et qui présente un axe x,x', et des moyens formant conduit. Les moyens formant conduit (54) présentent une ligne moyenne dont la première extrémité (56) est raccordée à l'extrémité inférieure de la conduite d'alimentation en liquide (48) et dont la deuxième extrémité (58) est raccordée tangentiellement à l'axe x,x' de la buse (50). La ligne moyenne est définie par au moins une portion de courbe présentant un rayon de courbure variant de façon continue. La section droite des moyens formant conduit diminue de façon régulière sur au moins la moitié de sa longueur depuis sa première extrémité jusqu'à sa deuxième extrémité.

Description

[0001] La présente invention a pour objet une tête d'injection sous pression d'un liquide pour forer une excavation dans le sol et notamment une tête d'injection pour la mise en oeuvre de la technique connue sous le terme anglo-saxon de "jet grouting".

[0002] La technique dite du jet grouting consiste à désagréger le terrain à l'aide d'un jet de liquide à très haute énergie cinétique mis en oeuvre dans un forage, le jet de liquide provoquant l'érosion du sol dans lequel on veut réaliser une excavation. Pour former le jet, on utilise une buse qui est fixée à l'extrémité des tiges de forage, ces tiges permettant à la fois l'acheminement vers la buse ou les buses du liquide sous haute pression et la translation progressive de la buse dans le terrain. Plus précisément, la ou les buses sont montées sur un organe appelé le plus souvent moniteur ou tête d'injection qui est fixé à l'extrémité inférieure du train de tiges, ce moniteur pouvant lui-même être équipé à son extrémité inférieure d'un outil mécanique de forage. Comme on le sait, le liquide utilisé le plus souvent est un coulis à base de ciment qui permettra, après le forage, de réaliser un élément de sol en ciment moulé dans le terrain en place.

[0003] Le liquide qui est véhiculé par les tiges est envoyé depuis la surface par une pompe à des pressions de une à plusieurs dizaines de MPa. Le diamètre intérieur des tiges acheminant le liquide doit être assez grand pour limiter les pertes de charge dans les tiges. Ce diamètre peut être typiquement de l'ordre de 20 à 50 mm. En revanche, le diamètre de sortie de la buse doit être suffisamment réduit pour imprimer au jet de liquide une vitesse suffisante à sa sortie afin d'éroder le terrain à distance. Typiquement, le diamètre de sortie de la buse est compris, le plus souvent, entre 2 et 5 mm et la vitesse du liquide en sortie de buse est de une à plusieurs centaines de mètres par seconde.

[0004] Pour obtenir une grande qualité du jet, il est souhaitable que la forme intérieure de la buse soit optimisée pour conserver au jet de liquide une vitesse aussi élevée que possible au fur et à mesure que le jet s'éloigne de la buse vers le terrain afin qu'il puisse éroder le terrain le plus possible en employant un minimum d'énergie cinétique. Des formes de buses optimisées répondant à cet impératif sont couramment utilisées.

[0005] Cependant, même avec de telles buses, on constate que la perte d'efficacité du jet pour provoquer l'érosion du terrain est rapide, si bien qu'il faut des énergies cinétiques considérables pour que, lorsque l'on fait translater et, éventuellement, tourner les tiges, le terrain soit érodé à une grande distance de la buse par exemple à plusieurs décimètres. Le rayon d'action du jet de liquide sous pression pour former une colonne, un secteur de colonne ou un élément plan reste généralement médiocre de quelques décimètres à 1 ou 2 mètres suivant la méthode de mise en oeuvre, la nature du terrain et l'énergie employée.

[0006] Pour augmenter l'action du jet, on a proposé notamment dans le brevet américain 5 228 809 un mode de réalisation de la tête d'injection ou moniteur qui permet d'améliorer la qualité de ce jet.

[0007] Sur la figure 1 annexée, on a représenté la tête d'injection décrite dans ce brevet. La tête d'injection 10 comporte un corps 12 présentant une paroi latérale 14 définissant une cavité interne. Une buse d'injection de liquide sous pression 16 est montée dans la paroi externe 14 du moniteur. Sur cette figure, on a également représenté des éléments 18 de raccordement au train de tiges et des éléments 20 et 22 de raccordement à la conduite de liquide sous pression et à une conduite annulaire d'air circulant dans les tiges afin d'alimenter simultanément la buse de liquide et une buse annulaire d'air 16. Selon ce brevet, la buse 16 est alimentée à partir de la conduite 22 d'acheminement du liquide sous pression par un passage 24 ménagé dans le corps du moniteur 10 et par une tubulure 26 raccordant l'extrémité de ce passage à l'entrée de la buse 16. La tubulure 26 qui présente une section constante a une courbure régulière afin de limiter les perturbations du liquide sous pression entre la tige de forage et la buse 16 elle-même. Cependant, comme on l'a expliqué, la buse d'injection a un diamètre très réduit par rapport au diamètre de la conduite servant à acheminer le liquide sous pression à travers les tiges. La solution décrite dans le brevet américain mentionné ci-dessus n'est donc pas pleinement satisfaisante.

[0008] Un objet de la présente invention est de fournir une tête d'injection notamment pour la mise en oeuvre du jet grouting qui permette d'améliorer plus sensiblement la qualité du jet fourni par la ou les buses de la tête d'injection montée à l'extrémité inférieure du train de tiges.

[0009] Pour atteindre ce but selon l'invention, la tête d'injection sous pression d'un liquide d'érosion du terrain, montée à l'extrémité d'un train de tiges ou de tubes, ledit train comportant des moyens d'alimentation sous pression en liquide, ladite tête comportant un corps ayant une extrémité supérieure de raccordement à l'extrémité inférieure du train de tiges ou de tubes et une paroi externe, corps dans lequel est montée au moins une buse d'injection dont le diamètre d'entrée est égal à d, et qui présente un axe x,x', et des moyens formant conduit pour raccorder l'alimentation en liquide à l'entrée de ladite buse, ladite tête d'injection se caractérisant en ce que lesdits moyens formant conduit présentent une ligne moyenne dont la première extrémité est raccordée à l'extrémité inférieure de la conduite d'alimentation en liquide et dont la deuxième extrémité est raccordée tangentiellement à l'axe x,x' de la buse, ladite ligne moyenne étant définie par au moins une portion de courbe présentant un rayon de courbure variant de façon continue, la section droite desdits moyens formant conduit diminuant de façon régulière sur au moins la moitié de sa longueur depuis sa première extrémité jusqu'à sa deuxième extrémité.

[0010] On comprend que la qualité et la direction du jet produit par la buse sont sensiblement améliorées du fait de la réduction progressive et régulière de la section droite des moyens formant conduit, par exemple une tubulure, sur au moins la moitié de sa longueur depuis son extrémité de raccordement à la conduite d'acheminement du liquide sous pression jusqu'à son raccordement à l'orifice d'entrée de la buse d'injection. Cette caractéristique combinée au fait que la ligne moyenne des moyens formant conduit présente un rayon de courbure, qui varie régulièrement, permet de limiter au maximum les perturbations de l'écoulement de liquide dans cette tubulure et donc d'obtenir un jet dont l'énergie est maximale et dont la puissance érosive est maintenue à une distance maximale de la buse dans le terrain.

[0011] Selon un premier mode de mise en oeuvre, l'axe de ladite conduite d'alimentation coïncide sensiblement avec l'axe du corps de la tête d'injection et la ligne moyenne des moyens formant conduit comprend une première partie de courbe s'étendant entre la première extrémité et un point intermédiaire et présentant une courbure régulière dont la concavité présente un premier signe et une deuxième portion de courbe entre ledit point intermédiaire et la deuxième extrémité présentant une courbure régulière dont la concavité présente un signe opposé.

[0012] On comprend que, grâce à la configuration particulière des moyens formant conduit, par exemple la tubulure, avec ses deux portions de courbe, il est possible pour un diamètre externe donné de la tête d'injection d'augmenter la longueur de la tubulure et d'augmenter la longueur de la portion de la tubulure à grand rayon de courbure immédiatement raccordée à la buse.

[0013] Selon un deuxième mode de réalisation, la conduite de liquide sous pression se prolonge dans ladite tête d'injection et la première extrémité des moyens formant conduit est un piquage latéral sur ladite conduite sensiblement tangentiel à ladite conduite.

[0014] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles :

la figure 1 déjà décrite est une vue en coupe verticale d'une tête d'injection connue ;

la figure 2 est une vue en coupe verticale d'un premier mode de réalisation d'une tête d'injection ou moniteur selon l'invention ;

la figure 3 est une vue en coupe verticale d'un deuxième mode de réalisation de la tête d'injection ; et

les figures 4 et 5 sont des vues partielles en coupe horizontale montrant deux implantations possibles des buses à injection de liquide.

[0015] La tête d'injection 30 représentée sur la figure 2 comporte un corps 32 constitué par une paroi latérale cylindrique 34, une extrémité inférieure 36 comportant des moyens, par exemple un filetage 38, de fixation d'un outil mécanique de forage et une extrémité supérieure 40. Cette extrémité supérieure 40 comporte d'une part un filetage 42 de raccordement à l'extrémité inférieure d'une tige de forage 44 et d'autre part un manchon interne 46 de raccordement à la conduite 48 ménagée dans la tige de forage 44 pour l'acheminement du liquide sous pression qui est le plus souvent, comme on l'a déjà indiqué, un coulis. Dans le mode de réalisation particulier décrit, l'espace annulaire 50 entre la tige de forage 44 et la conduite 48 sert à acheminer de l'air sous pression. Il va de soi que, dans certains modes de réalisation, on ne trouverait pas cet espace annulaire.

[0016] Au-dessus de son extrémité inférieure 36, la paroi latérale 34 de la tête d'injection est munie d'une buse d'injection 50 d'axe x,x'. Dans le mode de réalisation décrit, l'axe x,x' de la buse 50 est sensiblement perpendiculaire à l'axe vertical z,z' de la tête d'injection mais, dans d'autres modes de réalisation, l'axe pourrait faire une angulation avec l'horizontale comprise, par exemple, entre + 15 degrés et - 15 degrés. En outre, comme le montrent les figures 4 et 5, la buse peut être en projection horizontale, perpendiculaire à la paroi externe du moniteur (buse 50' de la figure 4) ou sensiblement tangentielle à cette paroi (buse 50" de la figure 5) ou encore son axe xx' peut occuper toute orientation intermédiaire. A l'intérieur de la cavité 52 du corps de la tête d'injection, est montée une tubulure 54 servant à raccorder l'alimentation 46 en liquide sous pression à l'entrée 50a de la buse 50. On appelle S1 la section droite de la conduite 46 d'alimentation en liquide sous pression et s1 la section droite de l'entrée de la buse 50. La tubulure 54 dont on appelle L la ligne moyenne présente une première extrémité 56 de raccordement à la canalisation 46 et une deuxième extrémité 58 de raccordement à la buse. La première extrémité 56 de la tubulure 54 présente une section droite S'1 égale à la section S1 et sa deuxième extrémité présente une section droite s'1 égale à la section s1 de la buse. En outre, la section droite de la tubulure 54, c'est-à-dire la section de cette tubulure par des plans orthogonaux à la ligne moyenne L va en diminuant régulièrement de la valeur S'1 à la valeur s'1. Dans certains cas, la tubulure 54 pourra comporter des portions de tubulure cylindrique de longueur très limitée.

[0017] La section droite de la tubulure peut être circulaire mais elle peut également présenter une forme ovale, une forme d'ellipse, etc. Les sections terminales 56 et 58 sont, en général, circulaires, mais elles peuvent également être elliptiques. La ligne moyenne L de la tubulure 54 présente une courbure non constante mais qui varie régulièrement. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, la ligne moyenne L de la tubulure 54 comporte une première portion L₁ qui va de l'extrémité 56 à un point intermédiaire A et une deuxième portion L₂ qui va du point intermédiaire A jusqu'à la deuxième extrémité 58. La portion L₁ a un rayon de courbure qui garde le même signe, il en va de même de la portion L₂ mais le signe de ce dernier rayon de courbure est l'inverse de celui de la portion L₁. En d'autres termes, au point A, les portions L₁ et L₂ sont raccordées tangentiellement mais la ligne moyenne L présente un point d'inflexion au point A.

[0018] Ce mode de réalisation permet en particulier grâce à la portion L₂ de la ligne moyenne et donc la portion correspondante de tubulure d'augmenter la longueur de la partie de la tubulure présentant un grand rayon de courbure dans sa zone de raccordement à la buse. Cette disposition permet de stabiliser encore mieux l'écoulement du liquide sous pression dans la tubulure 54 à proximité de la buse 50.

[0019] Il va de soi que la tubulure 54 pourrait avoir d'autres formes dès lors que sa ligne moyenne présente des variations de courbure régulières et que sa section droite va en diminuant sensiblement régulièrement depuis sa première extrémité 56 jusqu'à sa deuxième extrémité 58 de raccordement à la buse. La tubulure pourrait ne présenter qu'un seul rayon de courbure et pourrait également ne pas avoir une ligne moyenne disposée dans un plan mais être constituée par une forme d'hélice ou de spirale, c'est-à-dire être une courbe à trois dimensions.

[0020] Il va également de soi que l'on ne sortirait pas de l'invention si la tête d'injection comportait plusieurs buses et que cette même tête d'injection comportait donc plusieurs tubulures semblables à la tubulure 54 et raccordées chacune à une conduite d'alimentation en liquide sous pression contenu dans les tiges de forage.

[0021] Il faut également observer que, grâce à la forme de la tubulure 54 montrée sur la figure 2, il est possible d'augmenter la longueur totale de la ligne moyenne L de cette tubulure tout en maintenant les dimensions externes de la partie utile de la tête d'injection à des valeurs réduites correspondant au diamètre D₁ et à la hauteur H₁. L'augmentation de la longueur de la tubulure 54 permet d'améliorer la progressivité de la diminution section droite pour des sections droites données aux deux extrémités de la tubulure. Dans le mode de réalisation décrit, le diamètre D₁ est inférieur à 15 cm et la hauteur utile de la tête d'injection H₁ est inférieure à 50 cm.

[0022] La figure 3 montre un deuxième mode de réalisation d'un moniteur conforme à l'invention. Ce moniteur se distingue essentiellement par le fait que la conduite 48 d'alimentation en liquide sous pression se prolonge dans le moniteur par une conduite 70 d'alimentation d'un outil mécanique qui peut être fixé dans le manchon taraudé 78. Lorsqu'il est monté, l'outil est alimenté par la conduite 70 via un clapet commandable 72. Dans ce cas la première extrémité 56' de la tubulure 54' est un piquage latéral sur la conduite 70. De préférence, ce piquage est sensiblement tangentiel à la paroi de la conduite 70.

[0023] On comprend que, dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, la ligne moyenne L' de la tubulure 54' est une courbe à trois dimensions. La tubulure 54' "s'enroule" autour de la conduite 70 pour aller du piquage 56' à l'entrée de la buse 50.

[0024] Dans la description précédente, la tubulure 54 est un élément de conduite séparée, monté dans le corps de la tête d'injection. Cependant, on ne sortirait pas de l'invention si le corps de la tête d'injection était réalisé par moulage et que la tubulure 54 était réalisée lors de ce moulage à l'aide d'une technique appropriée. Dans ce cas, le corps de la tête d'injection serait une pièce massive dans laquelle la tubulure 54 serait constituée par un évidement.

Revendications

1. Tête d'injection sous pression d'un liquide pour désagréger le terrain à partir d'un forage, ladite tête étant montée à l'extrémité d'un train de tiges ou de tubes, ledit train comportant des moyens d'alimentation sous pression en liquide, ladite tête comportant un corps (32) ayant une extrémité supérieure (40) de raccordement à l'extrémité inférieure du train de tiges ou de tubes et une paroi externe (34), corps dans lequel est montée au moins une buse d'injection (50) dont le diamètre d'entrée est égal à d, et qui présente un axe x,x', et des moyens formant conduit pour raccorder l'alimentation en liquide à l'entrée de ladite buse, ladite tête d'injection se caractérisant en ce que lesdits moyens formant conduit (54, 54') présentent une ligne moyenne dont la première extrémité (56) est raccordée à l'extrémité inférieure de la conduite d'alimentation en liquide (48) et dont la deuxième extrémité (58) est raccordée tangentiellement à l'axe x,x' de la buse (50), ladite ligne moyenne étant définie par au moins une portion de courbe présentant un rayon de courbure variant de façon continue, la section droite desdits moyens formant conduit diminuant de façon régulière sur au moins la moitié de sa longueur depuis sa première extrémité jusqu'à sa deuxième extrémité.

2. Tête d'injection selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens d'alimentation en liquide comportent une conduite de liquide sous pression (48) prolongée dans ladite tête d'injection par une conduite (70) d'alimentation d'un outil et en ce que ladite première extrémité des moyens formant conduit (54') est un piquage latéral (56') sur ladite conduite (70) d'alimentation de l'outil, sensiblement tangentiel à ladite conduite.

3. Tête d'injection sous pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première extrémité (56) de la ligne moyenne desdits moyens formant conduit (54) est raccordée tangentiellement à l'axe de l'extrémité inférieure de la conduite (48) d'alimentation en liquide.

4. Tête d'injection sous pression selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'axe de ladite conduite d'alimentation en liquide (48) coïncide sensiblement avec l'axe du corps (32) de la tête d'injection et en ce que la ligne moyenne des moyens formant conduit (54) comprend une première partie de courbe (L1) s'étendant entre la première extrémité (56) et un point intermédiaire (A) et présentant une courbure régulière dont la concavité présente un premier signe et une deuxième portion de courbe (L2) s'étendant entre ledit point intermédiaire (A) et ladite deuxième extrémité (58) présentant une courbure régulière dont la concavité présente un signe opposé.

5. Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens formant conduit (54, 54') ont une section droite sensiblement circulaire.

6. Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens formant conduit (54, 54') ont une section droite de forme ovale.

7. Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de buses d'injection et une pluralité de moyens formant conduit, chacun étant raccordé à une buse d'injection.

8. Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdits moyens formant conduit (54, 54') consistent en une tubulure distincte du corps (32) de la tête d'injection.

9. Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le corps de la tête d'injection est réalisé par moulage et les moyens formant conduit sont réalisés lors du moulage.

Dessins