Brevet FR2000454A1 — publié le 19690905

La présente invention concerne un dispositif d'étude topographique de trous de sonde et plus particulièrement des moyens servant à l'orientation d'échantillons carottés. On connaît un matériel destiné au même objet mais ce matériel 5 comporte un certain nombre d'inconvénients : Il est compliqué et onéreux et, par conséquent, coûte cher à entretenir et à remplacer lorsqu'il est perdu dans un trou de sonde, ne peut pas êtx-e inclus dans le train de:? tiges de forage pendant l'opération de forage, de sorte que des suites d'instruments 10 séparées sont nécessaires ce qui est coûteux du point de vue du temps et de la màin-d'oeuvre,en particulier dans degtrous profonds» est fragile et se détériore facilement en service® De plus, la profondeur de travail est limitée, et le facteur temps implique, l'incorporation d'un mécanisme d'horlogerie dans sa 15 construction, du temps nécessaire à un acide pour attaquer un tube de verre, du temps nécessaire à la gélatine pour se refroidir et se prendre en masse. Ce matériel commun ne peut pas être utilisé dans des forages réduits (trous de moins de 7,6 cm de diamètre), un tube carottier 20 spécial est nécessaire, un opérateur spécialisé est nécessaire, on utilise des agents chimiques tels que l'acide fluorhydrique qui, sont peu commodes à manipuler. L'invention a pour objet d'offrir un dispositif d'étude topo-graphique de trous de sonde et des moyens permettant l'orientation 25 d'échantillons carottés qui sont essentiellement exempts des inconvénients mentionnés ci-dessus. La présente invention a donc pour objet un matériel : - de conception simple et de fabrication peu coûteuse, - qui peut être inclus dans le train de tiges de forage pen-30 dant le cours normal du forage, - dont le fonctionnement au fond ne nécessite qu'un retardement de 3 minutes, - qui peut fonctionner à volonté sans dépendre d'un facteur temps, 35 - qui est robuste et peut être conçu pour fonctionner à une profondeur quelconque, -• qui peut être utilisé dans des forages réduits, - qui peut être adapté à un autre type de trains de tiges de forage tel qu'un train de fils métalliques, 40 - où un tube carottier spécial n'est pas nécessaire. Le seul 6V 00834 2000454 accessoire spécial nécessaire est une soupape de dérivation à action rapide dans le circuit de refoulement de la pompe, - dont 1'actionnement nécessite peu d'expérience* - où les agents chimiques utilisés sont "beaucoup plus faciles 5 et moins dangereux à manipuler que l'acide fluorhydrique, - où les frais de main-d'oeuvre et de produits chimiques associés à l'utilisation de l'instrument sont très faibles» L'instrument de la présente invention a ceci de commun avec tous les dispositifs utilisant un compas magnétique pour la détec-10 tion de direction qu'il se dérègle dans un milieu de roche fortement magnétique* Son application est réduite à des trous forés en dessous de l'horizontale. L'invention fournit donc un dispositif d'étude topographique de trous de sonde, qui comprend un cylindre creux dont l'extrémité 15 supérieure est prévue de manière à empêcher essentiellement l'échappement de liquide par cette extrémité du cylindre et présentant des trous traversant sa paroi près, de son extrémité inférieure pour admettre le liquide de forage, de sorte que de l'air peut être emprisonné dans la partie supérieure du cylindre, un tube à gel propre 20 à contenir un liquide gélifiable, un réservoir conçu pour contenir un second liquide capable, lorsqu'il est mélangé avec le premier liquide, de déclencher la gélification de ce premier liquide, et un passage faisant communiquer le tube à gel et le réservoir, une soupape fermant normalement le passage et propre à s'ouvrir, en cas de 25 brusque réduction de la pression exercée sur l'air emprisonné, pour permettre au second liquide de s'écouler dans le tube à gel et de se mélanger avec le premier liquide» D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite 30 en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation préférée conforme à 1'invention. la figure 1 montre l'ensemble allant, en descendant, d'une enveloppe de tige piston à un raccord de tige de forage. 35 la figure 2 montre un tube à gel, un liquide gélifié et un flotteur "calé" dégagé d'une enveloppe de tube à gel. la figure 3 est une vue en coupe longitudinale suivant la ligne 3-3 de la figure 1. ïour plus de clarté, l'invention sera décrite ci-après avec 40 ses constituants occupant leur position verticale normale, comme au 69 00834 3 2000454 commencement du forage» Toutes les pièces, à l'exception du flotteur magnétique, sont fabriquées en une matière non-magnétique, par exemple en laiton, en alliage d'aluminium et en acier inoxydable non-magnétique« 5 On voit sur la figure 1 un corps d'instrument 1, un cylindre 2, un piston 3, "une tige de piston 4, un injecteur 5, une soupape de retenue 6, un tube à gel 7, un flotteur magnétique 8, une enveloppe de tube à gel 9, une enveloppe de tige de piston 10, une monture d'instrument 11 et un raccord de tige de forage 12. 10 Dans l'ensemble formé par les pièces constitutives de l'ins trument, le piston 3 s'adapte dans le cylindre 2, la tige de piston 4 faisant saillie à travers un presse-étoupe 13 prévu dans la partie supérieure du cylindre. Le jeu entre les éléments 3 et 2 est par exemple d'environ 0,25 mm. L'enveloppe 10 de la tige de piston 15 présente une extrémité inférieure qui se visse sur la partie supérieure du cylindre 2 en s*ajustant par serrage contre un joint 24 de manière à former un logement étanche à l'eau pour l'extrémité de la tige de piston 4 qui fait saillie à travers le presse-étoupe 13. L'injecteur 5, solidaire de la face inférieure du piston 3 et 20 en alignement avec la tige de piston 4, traverse un presse-étoupe 14 prévu dans la partie supérieure du corps 1 de l'instrument et s1engage dans une chambre d'injection 15. L'extrémité inférieure du cylindrè 2 se visse dans un contre-alésage prévu dans la partie supérieure du corps 1 de l'instrument. Des trous d'eau 16 près du 25 fond du cylindre 2 donnent accès à l'intérieur du cylindre. En dessous de la chambre d'injection 15, une soupape de retenue comprenant une bille 6, un siège 6A et un ressort 6B, se visse dans un contre-alésage prévu dans la base du corps 1 de l'instrument. Un capuchon 60 présente un orifice de mesure 6D sur la base 3 0 du corps 1 de l'instrument. Une saillie 7A est prévue pour le tube à gel 7 qui est maintenu contre une bague d'étanchéité 26 sur la saillie. Le tube à gel 7 porte une ligne de référence 17 (figure 2) qui est alignée avec une ligne de référence 18 (figure 1) portée par le corps 1 de l'instrument. Un flotteur magnétique 8 affectant 35 la forme d'une balle sphérique contenant un système magnétique peut se déplacer librement à l'intérieur du tube à gel 7. Une forme de flotteur magnétique appropriée consiste en une sphère creuse ex^a-tière plastique dans laquelle un barreau magnétique 8A est monté diamétralement, l'enveloppe étant lestée au moyen d'un poids dispo-40 sé sensiblement en dessous de l'axe central du barreau, lorsque ce 69 00834 2000454 dernier est horizontal® le tube à gel 7 est enfermé et maintenu en position par -une enveloppe 9 étanche à l'eau qui se visse sur une saillie 9A du corps 1 de l'instrument et prend appui contre la bague d1étancheité 25» 5 L'instrument, dont l'enveloppe de tige de piston 10 occupe sa position la plus haute lorsqu'il est en position de travail, est logé dans une monture 11 à laquelle il est fixé par deux vis de réglage 19 qui maintiennent la ligne de référence 18 portée par le corps de l'instrument en alignement avec la ligne de référence 20 10 (figure 1) portée par la monture 11 de l'instrument. Des trous 21 de la monture 11 de l'instrument permettent le passage du liquide de forage traversant l'espace annulaire 24 au centre du train de tiges de forage. La monture 11 de l'instrument est fixée au raccord de tige de forage 12 au moyen de deux vis 23 qui maintiennent la li-15 gne de référence 20 de la monture de l'instrument en coïncidence avec la ligne de référence 22 (figure 1 ) du raccord de tige de forage 12. Pour la mise en service on retire le corps de l'instrument de la monture d'instrument 11 et on détache l'enveloppe 9 du tube à 20 gel, le tube à gel 7, la soupape de retenue 6 et l'enveloppe de tige de piston 10. On règle la course de 1'injecteur 5 en ajustant la longueur de saillie de la tige de piston 4 à travers le presse-étoupe 13» la longueur de course étant fonction de la quantité de réactif chimique utilisée. On utilise une petite poignée se vissant 2 5 dans l'extrémité de la tige de piston 4 en vue de ce réglage. On remplit la chambre d'injection 15 d1une solution de persuLfate d'aifr-monium ou drun autre catalyseur d'amorçage approprié, par le contre alésage ménagé dans la base du corps 1 de l'instrument à l'endroit où la soupape de retenue 6 s'adapte® Lorsque la chambre d'-30 injection 15 est pleine, on réajuste la soupape de retenue 6 et on nettoie l'extérieur de l*1 instrument en l'essuyant. Le tube à gel 7 est partiellement rempli par exemple d'une solution de AM9 et de DMAPîî ou d'un autre catalyseur d'amorçage approprié, puis on insère le flotteur juste en dessous du niveau du liquide, pour qu'il 35 échappe aux effets de la tension superficielle. La solution dite AM9 est un mortier vendu sous cette marque de fabrique par la firme Cj^anamid Australia Pty. Limited. C'est un mélange de deux monomères organiques, l'acrylamide et le U,H'-méthylènebis-acrylamide, dans des proportions qui produisent des gels très consistants à 40 partir de solutions aqueuses diluées, sous l'action d'une catalyse 69 00834 5 2000454 appropriée» La solution dite DMAPU" est le bêta-diméthylaminopro-pionitrile, catalyseur dramorçage qui peut être utilisé pour gélifier AM9» Le tube à gel 7 est adapté au corps 1 de l'instrument de sor-5 te que sa ligue de référence 17 coïncide avec la ligne de référence 18 portée par le corps de l'instrument» L'enveloppe 9 du tulie à gel est remise en place sur le corps 1 de l'instrument, de façon à maintenir le tube à gel 7 en position dans un logement étanche à l*eau. 10 Le corps de l'instrument, à présent entièrement chargé, est inséré dans la monture 11 de l'instrument, qui est déjà fixée au raccord de tige de forage 12. Des vis de réglage 19 le maintiennent dans sa position correcte» Finalement, on visse le raccord de tige de forage 12 dans une barre de forage en matière non-magnétique, 1 5 par exemple en alliage draluminium» Lorsqu'on met en place la tige de forage, logeant l'instrument, dans le train de tiges de forage, il est désirable de la placer aussi près que possible du tube carottier. Toutefois, il est nécessaire d* isoler l1instrument de 1'influence magnétique du tube 20 carottier en acier au moyen d'une longueur de tige de forage non-magnétique de trois mètres. De même, trois mètres de tige de forage non-magnétique sont nécessaires pour séparer l'instrument des tiges de forage en acier se trouvant au-dessus de lui dans le train de tiges. Ces considérations ayant été prises, on peut procéder à des 25 opérations de forage normales. Pendant les opérations de forage, du liquide de forage est envoyé par pompage de la surface au fond du trou en passant par l'espace annulaire des tiges de forage et du tube carottier- La plus grande partie du liquide qui entre dans la tige de forage conte-30 nant l'instrument traverse les trous 21 de la monture de l'instrument et arrive dans la tige de forage située en-dessous. Toutefois une certaine quantité de liquide entre par les trous 16 de la base du cylindre 2 et passe entre le piston 3 et la paroi du cylindre 2. La pression étant équilibrée des deux côtés, le piston 3 reste en 35 équilibre jusqu'à ce qu'il soit actionné à la fin du forage. Pour exécuter cet actionnement ~en vue d'obtenir une carotte orientée, on procède de la manière suivante.: 1. On fait tourner lentement les tiges de forage avec une a-vanee neutre pour éliminer la torsion, et on les laissé ensuite au repos dans le trou. - ■ 69 00834 6 2000454 2» On exerce une pression de haut en bas au moyen du mécanisme de forage sur les tiges de forage pour assujettir le tube carottier sur le' fond# 3. On accélère la pompe' de surface pour établir une pression 5 dans le circuit de pompage menant au niveau de fonctionnement de l'instrument, à savoir une pression de t4 bars. De l'air, emprisonné dans la partie supérieure du cylindre 2 lorsque les outils sont insérés dans le trou, est comprimé par le liquide de forage contenu dans le cylindre 2. 10 4» On ouvre rapidement -une soupape de dérivation à action instantanée Insérée dans la conduite de refoulement de la pompe pour relâcher brusquement la pression dans le circuit de la pompe. 5. La suppression brusque de la force agissante permet à l'air comprimé contenu dans la partie supérieure du cylindre 2 de 15 se détendre rapidement en créant une série d'impulsions qui se déplacent à travers le liquide contenu dans le cylindre 2^ers le piston 3» et le forcent à descendre en agissant sur sa surface supérieure. 6» Le mouvement de descente du piston 3 a pour effet que 20 l'injecteur 5 envoie le catalyseur d'amorçage, par l'intermédiaire de la soupape de retenue 6, dans le tube à gel 7. La turbulence à l'intérieur du tube de gel 7 disparaît rapidement et le flotteur magnétique 8 adopte une position influencée par le champ magnétique terrestre. 25 7. Au bout d'une période de temps déterminée régie par les proportions respectives des agents chimiques contenus dans le tube à gel 7» à savoir par exemple trois minutes, la gélification- de la solution de AM9 se produit. Ceci fixe les positions prises par le flotteur magnétique 8 et le ménisque de liquide dans le tube à gel 30 7. 8. On soulève avec précautions les outils de forage du fond en évitant de les faire tourner jusqu'à ce que l'extracteur de carottes ait eu la possibilité d'appuyer sur la carotte et de la rompre. 35 9. On retire progressivement les tiges de forage de la maniè re normale jusqu' à ce que la tige logeant 1'instrument soit atteinte. Avant de détacher cette tige, Il est nécessaire que la ligne de référence 22 portée par le raccord de tige de forage 12 soit projetée sur la tige située en dessous, puis au tube carottier. Un 40 moyen avantageux et précis de projeter la ligne de référence con 69 00834 7 2000454 siste à utiliser un télescope pivotant autour d'un axe horizontal, par exemple un théodolite, un niveau de Dumpy ou une alidade téles-copiqueo Bans un trou vertical, le télescope peut être réglé en tout point approprié, mais dans un trou qui se présente suivant un 5 certain angle, le télescope est placé de manière que le trou soit en pente vers lui et que l'axe du trou se trouve dans le même plan vertical que l'arc de la trajectoire du télescope. Le télescope étant en position, la tige logeant l'instrument est élevée aussi haut que possible et le télescope est élevé pour pointer la ligne 10 de référence 22 portée par le raccord de tige de forage 12. Lorsque le réticule vertical du télescope est.aligné convenablement avec la ligne de référence 22, on abaisse le télescope pour pointer la tige de forage ou le tube carottier exposé près du niveau du sol et on trace un repère à l'emplacement approprié. On répète 15 cette opération jusqu'à ce que la ligne de référence soit projetée à la base du tube carottier. 10. Lorsqu'on retire le tube carottier du trou, la ligne de référence projetée à la base du tube est marquée sur le côté de la carotte, si elle saille hors du tube, sinon elle est marquée 20 sur la face inférieure de la carotte, de laquelle elle est ultérieurement transférée. Cette marque se trouve à présent en alignement avec la ligne de référence 17 portée par le tube à gel 7 et l'orientation de la carotte est établie par référence au flotteur magnétique 8 se trouvant dans le tube à gel 7o Dans des conditions 25 dans lesquelles on peut éprouver des difficultés à adapter des morceaux individuels de carotte récupérés dans le tube carottier, «Les diamants traceurs adaptés dans le raccord de l'extracteur de carottes peuvent être utilisés pour placer des repères sur la carotte à mesure qu'elle entre dans le tube carottier. 30 Le procédé auquel on a recours pour actionner l'instrument lorsqu'il n'est utilisé que pour l'étude topographique de trous de sonde est identique à celui qui a été décrit pour l'orientation de la carotte, excepté qu'il n'y a pas à tenir compte des lignes de référence» L'inclinaison du trou se lit à partir du ménisque, en 35 utilisant un rapporteur approprié» L'azimut s'obtient en mesurant avec un rapporteur l'angle entre ime ligne passant par le point haut et le point bas du ménisque et une ligne passant par les pôles nord et sud du flotteur magnétique 8. Cet angle est converti en un relèvement au compas» 40 Le fonctionnement de l'instrument décrit ci-dessus, se réfè 69 00834 2000454 re à un train de tiges normal pour carottage. Avec des modifications appropriées, il peut être adapté à d'autres types de train de tiges» Dans le cas du forage avec train de remontage par l'intérieur des tiges, à l'endroit où le tube carottier traverse l'es-5 pace annulaire au centre des tiges de forage, il est nécessaire d'accoupler l'instrument avec le tube carottier au moyen d'un tronçon de matière non-magnétique d'une longueur de trois mètres par exemple» Des raccords destinés à la récupération de l'ensemble du tube carottier et de l'instrument doivent alors également être fi-10 xés à la partie supérieure de l'instrument. Des tiges de forage formant un train de tiges non-magnétiques de 6 mètres de longueur devraient être insérées dans le train de tiges derrière le tube carottier. 69 00834 2000454 BWgFETgAfIQSg : 1» Dispositif d ' stud-3 t cpograpiiique Se trous de sonde, caractérisé en ce qu'il comprend un cylindre creux dont l'extrémité supérieure est prévue de manière à empêcher substantiellement 5 l'échappement de fluide par cette extrémité du cylindre, -et présentant des trous traversant sa paroi près de son extrémité inférieure pour admettre le liquide de forage, de sorte que de l'air peut être emprisonné dans la partie supérieure du cylindre, un tube à gel propre à contenir un -liquide gélifiable,- un réservoir pré-10 vu pour contenir un second liquide capable, lorsqu'il est mélangé avec le premier liquide, de déclencher la gélification de ce premier liquide, et un passage faisant communiquer le tube à gel et le réservoir, une soupape fermant normalement le passage et propre à s'ouvrir, en cas de brusque réduction de la-pression exercée sur 15 l'air emprisonné, pour permettre au second liquide de s'écouler dans le tube à gel et de se mélanger avec le premier liquide. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube à gel est au moins partiellement rempli avec le premier liquide, le réservoir est au moins partiellement rempli avec le 20 second liquide, un flotteur magnétique étant au moins partiellement immergé dans le premier liquide. % Dispositif d'étude topographique de trous de sonde, caractérisé en ce qu'il comprend un cylindre creux ouvert à chaque extrémité, une enveloppe creuse de tige de piston fermée à son ex-25 trémité supérieure et ouverte à son extrémité inférieure et fixée de façon amovible à son extrémité inférieure de manière essentiellement étanche au-liquide à l'extrémité supérieure du cylindre, un piston monté coulissant avec un faible jeu dans le cylindre, une tige de piston fixée par son extrémité inférieure au piston et 30 pénétrant vers-le haut dans l'enveloppe de tige de piston, un premier élément d'étanehéité empêchant essentiellement le passage de liquide-entre le cylindre et l'enveloppe de la tige de piston, un corps d'instrument présentant un passage ouvert à chaque extrémité formé à travers lui, un prolongement creux d'extrémité supérieure 35 dii corps de l'instrument fixé de façon amovible à l'extrémité inférieure du cylindre? des trous ménagés à travers la paroi du cylindre en dessous du piston et au-dessus du prolongement, un in-jeeteur fixé à la face inférieure du piston et s'étendant vers le bas dans le passage du corps de l'instrument, un second -élément 40 d'étanehéité empêchant essentil- 69 00834 10 2000454 le passage du corps de 1'instrument et le cylindre au-delà de l'in-jecteur, une soupape de retenue prévue dans l'extrémité inférieure du passage du corps de l'instrument prévue pour permettre l'écoulement de liquide du passage du corps de l'instrument vers l'exté-5 rieur, mais non dans la direction inverse et un tube à gel fermé à son extrémité inférieure, ouvert à son extrémité supérieure, fixé près de son extrémité supérieure à l'extrémité inférieure du corps de l'instrument autour de la soupape de retenue de façon essentiellement etanche au liquide, les extrémités adjacentes de 1'injecteur 10 et de la soupape de retenue étant normalement distantes l'une de l'autre pour former une chambre d'injection dans le passage du corps de l'instrument, délimitée par les parois du passsage, le second élément d'étanehéité, 1'injecteur et la soupape de retenue* 4® Dispositif d'étude topographique de trous de sonde sui-15 vant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une monture d'instrument creuse entourant le tube à gel» ouverte à chaque extrémité, fixée par son extrémité supérieure à l'extrémité inférieure du corps de l'instrument, prévue pour être fixée par son extrémité inférieure à une extrémité d'un raccord de tiges de forage, 20 et présentant des trous ménagés à travers sa paroi au-dessus de sa ligne de liaison avec le raccord. 5. Dispositif d'étude-topographique de trous de sonde suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le tube à gel est au moins partiellement rempli avec un premier liquide gélifia-25 ble, la chambre d'injection étant au moins partiellement remplie avec un second liquide capable, lorsqu'il est mélangé avec le premier liquide, de -déclencher la gélifieation du premier liquide, un flotteur magnétique étant au moins partiellement immergé dans le premier liquide. 30 .6» Dispositif suivant la revendication 4 ou 5* caractérisé en ce qu'une enveloppe de tube à gel fermée à son extrémité inférieure est fixée par son extrémité supérieure ouverte à l'extrémité inférieure du corps de l'instrument, et est disposée entre le tube à gel et la monture» 35 7. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que des lignes de référence verticales sont tracées sur le corps de l'instrument, la monture et le tube à gel, les trois parties portant ces lignes étant maintenues relativement aux lignes de référence essentiellement dans le plan vertical. 69 00834 2000454 8« Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'une ligne de référence-verticale est tracée sur le raccord et que les autres parties, lorsqu'elles sont reliées au raccord, ont leurs lignes de référence essentiellement dans le même plaji verti-5 cal que celle du raccord»