Brevet FR2101113A1 — publié le 19720331

La présente invention est relative à un procédé de forage d'un sol au moyen d'une tete de forage directement entraînée par une turbine, cette tête présentant à cet effet un prolongement, axial sur lequel se répartissent, selon des couronnes parallèles, des aubes inclinées provoquant sa rotation à grande vitesse sous l'effet d'un agent fluide de commande sous pression se détendant à travers les aubes de la turbine. On connais dé7à des installations de forage du genre précité, dans lesquelles la turbine entraînant la tête de forage est commandée par un débit d'eau pressurisée, cette eau, une fois détendue à travers la turbine, servant également à remonter vers la surface du sol les déblais arrachés par la tête a fur et à mesure de son avance.On connaît pa- aill-eurs des turbines où l'agent fluide de commande ou fluide de travail, est constitué par une émulsion d'air et seau, ces turbines et, à titre plus particulier, celle qui a été-décrite dans la demande de brevet n 69/00659 déposée le 16 janvier 1969 au nom d Commissariat à l'Energie Atomique; étant notamment envisagées pour la propulsion en milieu liquide la turbine utilisant une partie de la détente de l'émulsion pour actionner un compresseur à eau, calé sur le même arbre. La présente invention a pour objet un procédé de forage consistant en une application nouvelle des turbines à émulsion A cet effet, le procédé considéré, utilisant une tête de forage actionnée par une turbine dont la partie mobile est solidaire de ladite ête, se caractérise en ce qu'il consiste à commander la rotation de cette turbine par l'intermédiaire d'un fluide de travail constitué par une émulsion de gaz et de liquide. Dans le cas le plus général, l'émulsion employée est une émulsion d'air dans l'eau. Selon une caractéristique importante de l'invention, la turbine utilise la détente de l'émulsion avec, pour une même pression en amont, un taux notablement supérieur à celui d'une turbine classique mettant en oeuvre comme fluide de travail un liquide seul. On sait que l'énergie transportée dans un gaz est notablement supérieure à celle transportée dans un liquide pour une même pression. Si l'on admet alors que les pertes par frottement sont négligeables, que le gaz subit dans la turbine utilisée une détente isotherme, que les vitesses d'écoulement du liquide et du gaz sont dans un rapport k donné et enfin que les sections de passage pour le gaz et le liquide sont égales, on pourra écrire la relation: w p0 Wg = k log =o (1) i i où W et W1 représentent respectivement les puissances g transportées par le gaz et par le liquide, et P0 et P1, les pressions en amont et en aval, à l'entrée et à la sortie de la turbine. Si on compare alors le fonctionnement de deux turbines, l'une actionnée par un liquide seul et l'autre par une émulsion de gaz dans un liquide, avec une même pression P0 à l'amont et des sections de passage égales pour le liquide et l'émulsion, en supposant que le rendement de ces turbines est égal à 1, on pourra écrire les égalités suivants: - à l'entrée de la turbine actionnée par le liquide seul, Po P1 21 gh (2) où P1 désigne la masse spécifique du liquide, g l'accélé- ration de la pesanteur et h la profondeur du forage; à la sortie de cette turbine, P' = P1 gh (3) La détente dans la turbine est donc égale à P - P' = P1 (4) 0 - à l'entrée de la turbine actionnée par l'émulsion, on aura de même P0 = P1 + #1 gh (5) à la sortie P' = (1 - a) P1 gh (6) d'où la détente sera égale à 0 - P' = P1 + a P1 gh (7) où a représente le taux de vide moyen dans la colonne montante, c'est-à-dire dans un élément cylindrique entourant la turbine, ce taux étant défini par le rapport du volume du gaz au volume total de l'émulsion. En comparant les égalités (4) et (7), on voit que la turbine à émulsion va permettre d'obtenir un taux de détente largement supérieur à celui dû à la turbine à liquide seul, et partant une puissance transmise à la tête de forage multipliée dans le même rapport. Le complément qui suit est relatif à un exemple schématique de mise en oeuvre, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence à la figure unique du dessin annexé qui illustre une vue en coupe axiale d'une turbine actionnant une tête de forage selon le procédé de la présente invention. Sur cette figure, la référence 1 désigne une tête de forage, de forme générale conique et d'un type en lui-même connu, rendue solidaire d'un axe 2 la prolongeant verticalement. Sur cet axe 2, sont répartis, selon plusieurs couronnes parallèles, des aubes 3 permettant, sous l'effet d'un fluide de travail approprié se détendant dans la turbine, de commander la rotation de la tête 1. L'axe 2 comporte à sa partie supérieure une butée 4 coopérant avec un palier 5 supportant verticalement la partie mobile de la turbine, ce palier 5 étant lui-même rendu solidaire d'un tube cylindrique 6 formant carter et à l'intérieur duquel tournent les couronnes d'aubes 3. Au-dessus de ces dernières est monté un chapeau cynique 7, à l'intérieur duquel se réalise l'émulsion constituant selon l'invention le fluide de travail de la turbine considérée. Ce chapeau 7 se prolonge axialement par un conduit 8 servant à amener à la turbine sous débit et pression donnés un premier fluide liquide, notamment de l'eau, ce conduit 8 étant lui-même entouré coaxialement par le tube 6 de manière à ménager entre eux un espace annulaire 9 réservé à la circulation d'un second fluide qui est gazeux et constitué dans le cas le plus général par de l'air.Le gaz sous pression traverse des orifices 7a prévus dans le chapeau 7 et vient se mélanger énergiquement à l'eau amenée dans l'axe du conduit 8, en créant une émulsion dont la détente sur les aubes 3 de la turbine réalise, conformément à l'invention, l'entraînement de celle-ci et de la tête 1 qui lui est liée. Avantageusement, une enveloppe cylindrique 10 est montée coaxialement au tube 6 pour délimiter avec ce dernier un second espace annulaire 11 par lequel s'effectue la remontée des déblais arrachés au sol par la tête de forage 1 au fur et à mesure de son avance. Sur le dessin, les flèches 12 et 13 schématisent le trajet suivi par le liquide et le gaz, tandis que les flèches indiquent le sens de la remontée des déblais. Compte tenu des hypothèses théoriques faites préalablement, les résultats obtenus sont les suivants: Pour une profondeur de forage de l'ordre de 100 mètres avec une pression à l'amont, notamment à l'entrée de la turbine de 30 bars, un taux de détente de l'émulsion égal à 20, un taux de vide moyen a égal à 0,7, et en admettant que la détente de l'émulsion engendre une vitesse de celle-ci dix fois supérieure à la vitesse du liquide seul entre les mêmes pressions. Le rapport des puissances réalisées entre la turbine à émulsion utilisée et une turbine à eau pressurisée classique, présente une valeur de W e = 17 we = 17 (4) Où We représente la puissance disponible dans la turbine à émulsion et W1 la puissance dans la turbine à liquide seul. On en déduit que, pour une même puissance de sortie les conduits d'alimentation de la turbine à émulsion peuvent notamment présenter des dimensions notablement plus faibles, ce qui dégage d'autant la section de passage autorisée pour la remontée des déblais arrachés par la tête de forage. Bien entendu, l'invention ne se limite nullement au mode de réalisation décrit et représenté non plus qu'à l'exemple d'application plus spécialement considéré; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATION Procédé de forage utilisant une tête de forage actionnée par une turbine dont la partie mobile est solidaire de ladite tête, dans lequel on commande la rotation de cette turbine par l'intermédiaire d'un fluide de travail constitué par une émulsion d'air et d'eau, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser ladite émulsion directement dans le corps de ladite turbine. Revendication déposée après premier projet d'avis documentaire.