Brevet FR2096630A1 — publié le 19720225

La présente invention est relative à un procédé permettant d'effectuer le forage en milieu liquide d'un sol de densité moyenne et notamment d'un fond marin, en assurant la réalisation dans ce sol d'un trou pouvant atteindre une profondeur notable, l'enlèvement des déblais produits s'effectuant en 5 outre au fur et à mesure de l'avance du forage. On connaît déjà le procédé de forage et de dragage, dans lequel le rejet des déblais produits par un outil rotatif creusant le sol est obtenu par emploi d'une pression d'air comprimé, celui-ci créant avec le liquide environnant une émulsion dont la densité relativement faible provoque l'élévation 10 dans un tube de remontée des déblais. Ce procédé, généralement désigné sous le nom d"'air lift", fait appel par conséquent à un outil de forage mécanique qui, dans certains cas, peut être difficile à mettre en oeuvre et entraîne toujours line immobilisation de matériel importante. La présente invention a pour objet un procédé qui pallie les inconvé-15 nients de la méthode antérieure rappelée ci-dessus, en remplaçant notamment l'outil de forage par un jet dirigé d'une émulsion de gaz et de liquide, cette émulsion assurant d'une part la réalisation du trou à forer et d'autre part l'évacuation des déblais produits. A cet effet, ce procédé consiste principalement - en même temps qu'à 20 créer une émulsion de gaz et de liquide sous pression - à faire débiter cette émulsion à grande vitesse au voisinage immédiat du niveau du sol à forer et à entraîner les déblais produits par 1'émulsion à l'intérieur d'un tube de remontée à travers le milieu liquide. Avantageusement et selon une autre caractéristique, le procédé consiste 25 à faire débiter 1'émulsion sous forme d'au moins un jet légèrement incliné sur l'axe du trou à forer, créant un mouvement tourbillonnaire améliorant l'effet de forage. L'invention concerne par ailleurs un appareil ou lance d'injection, permettant simultanément de créer l'émulsion, de la mettre en vitesse et 30 d'orienter le jet produit, conformément au procédé de forage considéré. Dans ce but, la lance d'injection comporte une partie antérieure où est créée 1'émulsion, constituée d'un boîtier cylindrique à double paroi, comprenant une paroi intérieure percée d'un ensemble de trous de passage pour un gaz sous pression admis dans la région annulaire du boîtier comprise entre les deux 35 parois, tandis que la région axiale de l'élément limitée par la paroi intérieure du boîtier est directement alimentée par un débit liquide, et une partie postérieure, coaxiale à la partie antérieure, et présentant la forme d'une tuyère pour assurer la mise en vitesse à la sortie de la lance de 1*émulsion gaz-liquide créée dans la partie antérieure. 70 00171 2 2096630 De préférence, le gaz de 1*émulsion est constitué par de l'air et le liquide par de l'eau. En outre et selon une autre caractéristique, le gaz et le liquide sont admis au boîtier de la lance par des conduites d'amenée reliées à l'extérieur du milieu liquide respectivement à un compresseur et à 5 une pompe, L'invention concerne enfin une installation de forage pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisée en ce qu'elle comporte un tube de remontée de 1'émulsion et des déblais produits, présentant à son extrémité inférieure une partie évasée venant au cpntact du sol à forçr et au moins un appareil pour 10 créer, mettre en vitesse et orienter une émulsion gaz-liquide vers la surface du sol à forer, solidarisé de la partie évasée du tube et traversant celle-ci. D'autres caractéristiques de l'installation envisagée apparaîtront également à travers la description qui suit de deux exemples de réalisation, donnés à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés 15 sur lesquels : - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'une première variante d'une telle installation, - la Fig. 2 est une vue de détail à plus grande échelle de 1'extrémité d'une lance à émulsipn, entrant dans la réalisation de ^installation selon 20 la Fig. 1, - la Fig. 3 est une vue en coupe à plus grande échelle selon la ligne III-III de la Fig. t, - la Fig. 4 est une vue schématique en coupe également d'une autre variante de réalisation. 25 Comme on le voit sur la Fig, 1, l'installation représentée est prévue pour le forage d'un trou 1 dans un sol 2 dé densité moyenne, surmonté d'un environnement liquide 3>ce sol pouvant notamment être constitué par un fond marin. L'installation se compose principalement d'un tube cylindrique 4» pour la remontée vers la surface du milieu liquide 3 des déblais produits au cours 30 de la réalisation du trou 1, ce tube 4 se prolongeant à sa partie inférieure par un épanouissement 5 de forme conique, allant en s'évasant à partir du tube. Sur cette partie 5 sont fixés des appareils 6, au nombre de trois dans l'exemple décrit et régulièrement répartis autour de l'axe du tube 4, permettant de créer au voisinage immédiat du sol 2 une émulsion gaz-liquide et 35 plus particulièrement une émulsion d'air et d'eau. De préférence, ces appareils sont constitués par des lances à émulsion, dont la Fig. 2 illustre avec plus de détails la réalisation particulière. 70 00171 3 2096630 Chaque lance 6 se compose principalement d'une partie antérieure formée ù:an boîtier cylindrique creux 7> à l'intérieur duquel est montée une pièce conique 8, coaxiale et délimitant avec la surface du boîtier 7 une région annulaire séparée de la région centrale de ce boîtier. Cette pièce 8 comporte j un ensemble de trous de passage 9» ménagés à travers sa surface, de manière à permettre au gaz choisi, c'est-à-dire à de l'air comprimé admis sous pression dans la région annulaire de traverser la pièce 8 et de venir se mélanger du fait de la surpression avec un liquide, ici de lleau, s1écoulant dans la région centrale. L'air comprimé est amené au boîtier 7 par une conduite 10 ■ o reliée à son autre extrémité hors du milieu liquide 3 à un compresseur 11 (Fig. l), le passage dans le boîtier 7 s'effectuant à travers des orifices 12 prévus dans la face antérieure de celui-ci. De même, la pièce 8 est directement réunie à l'extérieur du boîtier 7 à une conduite d'eau 13 dont l'extrémité est reliée à une pompe de refoulement 14. L'air et l'eau ainsi introduits ; 5 sous pression donnée dans le boîtier de la lance se mélangent en créant une émulsion importante et contrôlée. A la sortie du boîtier 7j cette émulsion est reprise dans la partie postérieure de la lance constituée d'un prolongement 15 présentant intérieurement la forme d'une tuyère 16 réalisant la mise en vitesse de 1'émulsion à sa sortie à l'extérieur de l'appareil. Dans cette 20 tuyère se produit en effet la détente de l'énergie de pression de 1'émulsion et sa transformation- en énergie cinétique, de telle sorte qu'à la sortie 1!émulsion soit délivrée, sous la forme d'un puissant jet venant alors attaquer directement le sol 2 pour y forer le trou 1, le jet d'émulsion étant dans ce but et par suite d'un montage correspondant de la lance sur la partie 25 évasée 5 du tube 4> incliné vers le bas et dans la direction générale de l'axe du tube. Avantageusement cependant et comme le montre plus particulièrement la vue en coupe de la Fig. 3j les trois lances 6 portées par la partie 5 du tube 4 sont légèrement décalées par rapport à- cet axe, de manière à créer ensemble autour du trou 1 un vortex qui augmente la surface d'arrachement des 30 particules solides du sol 2 et facilite le forage par leur mise en mouvement circulaire à l'intérieur de la partie 5. Ces particules solides sont ainsi brassées énergiquement avec 1'émulsion d'air et d'eau, le mélange étant ensuite accéléré vers le haut grâce à la forme convergente de la partie 5 qui vient se raccorder finalement au tube 4 où ces particules sont aspirées 35 vers la surface du milieu liquide 3 et récupérées. Avec les vitesses de 1'émulsion que l'on peut couramment réaliser, il est possible de disposer d'une puissance suffisamment importante et dissipée dans un volume relativement réduit pour effectuer le forage de trous à des 70 00171 4 2096630 profondeurs notables dans des sols de densité moyenne et présentant une cohérence assez forte. Une application particulière et non limitative concerne notamment le dragage de graviers en mer à des profondeurs supérieures à 30m. A titre d'indication, on peut préciser qu'une lance à émulsion selon 5 l'invention, comparée à une tuyère classique en simple phase, permet d'atteindre pour une mêpie pression d'admission un gain sur la pression de sortie, donc sur la vitesse de l'ordre de quatre. Le procédé considéré présente en outre l'avantage de faciliter, en même temps que le forage proprement dit,, la remontée des déblais, l'émulsion formée par la lance dont la viscosité 10 est toujours supérieure à celle de l'environnement liquide, apparaissant au sein même du trou de forage et, par suite de sa densité plus faible, autorisant immédiatement la remontée des déblais. Ainsi, la création de 1'émulsion au voisinage immédiat du niveau du sol à forer, évite l'emploi simultané d'appareils de forage et d'ensemble de pompage pour la remontée des déblais. 15 H en résulte un accroissement du rendement et la possibilité de faire remonter des déblais de plus grandes dimensions» A noter enfin que dans les cas de sols durs nécessitant l'emploi d'outils de forage, on peut envisager d'utiliser la lance à émulsion comme un complément amenant les avantages déjà précisés en dehors du forage proprement dit. 20 La Fig. 4 illustre une autre variante de réalisation dans laquelle le tube de remontée 4 avec sa partie évasée 5 venant au contact du sol 2, est associé à un autre type d'appareil permettant la création de 1'émulsion d'air et d'eau, constitué par un propulseur tel que celui représenté schématique-ment en 17 et dont le détail de réalisation correspond notamment à celui 25 décrit et représenté dans la demande de brevet 69 0659 du 16 janvier 1969 au nom du Commissariat à l'Energie Atomique pour "Propulseur fonctionnant en milieu liquide". Dans cette variante, le propulseur, rendu solidaire de la partie 5j comporte une turbine couplée à un compresseur, ces deux organes étant incorporés dans le même bâti, la turbine absorbant une partie du tra-30 vail de l'émulsion de façon telle que la puissance récupérée sur son arbre soit égale, aux pertes près, à celle absorbée par le compresseur. Comme précédemment avec les lances à émulsion, on obtientà la sortie du carter des propulseurs des jets dirigés assurant le forage et la remontée des déblais. A noter que dans le cas du propulseur, la pompe à eau n'étant plus nécessaire, 35 il eu résulte une plus grande autonomie. 70 00171 s 2096630 Bien entendu comme il résulte déjà de ce qui précède, l'invention n'est nullement limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés elle en embrasse au -contraire toutes les variantes. 70 00171 6 2096630 REVENDICATIONS 1°/ Procédé de forage d'un sol en milieu liquide, caractérisé en ce qu'il consiste principalement - en même temps qu'à créer une émulsion de gaz et de liquide sous pression - à faire débiter cette émulsion à grande vitesse 5 au voisinage immédiat du niveau du sol à forer et à entraîner les déblais produits par 1.'émulsion à l'intérieur d'un tube de remontée à travers le milieu liquide. 2°/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait débiter 1'émulsion sous forme d'au moins un jet légèrement incliné sur l'axe 10 du trou à forer, créant un mouvement tourbillonnaire améliorant l'effet de forage. 3°/ Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que 1'émulsion est constituée d'air et d'eau. 4°/ Lance à émulsion pour la mise en oeuvre du procédé selon les reven-15 dications 1 à 3j caractérisée en ce qu'elle comporte une partie antérieure où est créée 1'émulsion, constituée d'un boîtier cylindrique à double paroi, comprenant une paroi intérieure percée d'un ensemble de trous de passage pour un gaz sous pression admis dans la région annulaire du boîtier comprise entre les deux parois, tandis que la région axiale de l'élément limitée par la paroi 20 intérieure du boîtier est directement alimentée par un débit liquide, et une partie postérieure, coaxiale à la partie antérieure, et présentant la forme d'une tuyère pour assurer la mise en vitesse à la sortie de la lance de 1'émulsion gaz-liquide créée dans la partie antérieure. 5°/ Lance à émulsion selon la revendication 4, caractérisée en ce que le 25 gaz et le liquide sont admis au boîtier de la lance par des conduites d«amenée reliées à l'extérieur du milieu liquide respectivement à un compresseur et à une pompe. 6°/ Installation de forage, caractérisée en ce qu'elle comporte un tube de remontée de 1'émulsion et des déblais produits, présentant à son extrémité 30 inférieure une partie évasée venant au contact du sol à forer et au moins un appareil pour créer, mettre en vitesse et orienter une émulsion gaz-liquide vers la surface du sol à forer, solidarisé de la partie évasée du tube et traversant celle-ci. 70 00171 7 2096630 7°/ Installation de forage selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'appareil est constitué par une lance à émulsion selon l'une des revendications 4 ou 5 3 ou par un propulseur selon la demande de brevet n° 69/0659 du 16 janvier 1969 pour "Propulseur fonctionnant en milieu liquide". 8°/ Installation de forages caractérisée en ce qu'elle comprend une lance à émulsion ou un propulseur, en complément d'un outil de forage classique. B. 3.508-3 PG/CG