Brevet FR2146264A1 — publié le 19730302

La présente invention concerne un coupleur d'entrainement de tarière creuse pour l'extraction d'échantillons de 801 en profondeur. Dans beaucoup d'opérations de forage du sol, un dispositif d'entrainement est accouplé à 11 extrémité supérieure d'une tarière rotative. Certains accouplements de technique antérieure reliant ensemble les dispositifs d'entratnement et les tarières consistent en une douille de configuration hexagonale soudée à la moitié inférieure dtun joint universel du type automoteur dont la moitié supérieure est boulonnée ou clavetée au dispositif d'entrainement. I1 est souhaitable, lorsqu'on effectue un forage dans le sol, de prélever fréquemment des échantillons du sol à différentes profondeurs. Les procédés de la technique antérieure pour obtenir des échantillons du sol consistent à faire descendre un carottier fixé à de longues tiges dans le trou foré, en passant dans une tarière à tige creuse, ou à descendre dans le trau après en avoir retiré une tarière à tige pleine. Un autre procédé pour obtenir des échantillons du sol consiste à abaisser un marteau fixé à un carottier dans le trou, en le retenant par un câble, après avoir retiré la tarière à tige creuse ou pleine. On retire la tarière ou les longues tiges avant de prélever 1' échantillon, dans ce? procédés de technique antérieure, à cause du joint automoteur de type universel, précédemment décrit, qui relie le dispositif d'entraanement à la tarière. L'invention a pour but de constituer un coupleur et un procédé permettant de prélever un échantillon sans qu'il soit nécessaire d'enlever la tarière, ce qui évite ainsi la perte de temps et les frais entraînés par le fait d'enlever et de remettre la tarière avant et après chaque prélèvement. L'invention concerne, à cet effet, un coupleur du type ci-dessus, caractérisé en ce que cette section porte une paire de premiers éléments verticaux et opposés fixés à celle-ci, un arbre d' entrainement creux en son centre étant muni d 'une paire de seconds éléments opposés et en saillie, des moyens de liaison étant placés entre l'arbre d'entrainement et la section de tarière pour assurer la liaison entre ces éléments, ces moyens supportant les premiers et seconds éléments et étant creux en leur centre de façon à permettre à un dispositif d'extraction d' échautillons de traverser l'arbre entraRnement et la section de tarière. le nouvel accouplement n'utilise pas l'ensemble en croix classique du joint universel, mais le remplace par un joint de type à cardan. Par suite, le carottier peut descendre à travers le dispositif d'entrainement, à travers l'accouplement et enfin passer dans la tarière à tige creuse. L'ensemble en croix des accouplements de technique antérieure était positionné au centre de l'accouplement, ce qui empêchait ainsi de faire passer le ca bottier à travers. L'invention s'étend à un procédé de prélèvement d'échantillons de sol en profondeur, procédé caractérisé en ce quton fait passer un carottier à travers le coupleur, creux en son centre, reliant une tarière creuse à un dispositif d'entrai- ment creux. La présente invention constitue un accouplement nouveau et amélioré pour relier une tarière et un dispositif d'entraînement de cette tarière. L'invention procure également un procédé d'extraction d'échantillons en profondeur qui ne nécessite pas de retirer la tarière du trou en cours de forage. le procédé conforme à l'invention permet au carottier de traverser le dispositif d'entraînement de la tarière pour pénétrer dans une tarière à tige creuse. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un appareil de forage mettant en oeuvre la présente invention, - la figure 2 est une vue partielle agrandie de l'accouplement reliant le dispositif d'entraînement de tarière et la tarière, cet accouplement étant représenté dans le cercle de référence 2 sur la figure 1, - -la figure 5 est une vue de dessus de l'accou- plement 40 représenté sur la figure 2, les éléments 44, 45t 56 et 57 étant enlevés;; - la figure 4 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 4-4 de la figure 2, en regardant dans le sens des flèches, - la figure 5 est une vue partielle schématique d'une tarière en place dans un trou, - la figure 6 est une vue semblable à celle de la figure 5, mais ne représentant seulement que 1 'échantillonneur dirigé vers le bas à partir de l'extrémité inférieure de la tarière, - la figure 7 est une vue partielle schématique d'une tarière et d'un dispositif d'entraînement, représentant la tarière en place dans le trou, et montrant une variante de réalisation de l'invention, - la figure 8 est une coupe axiale d'une partie de l'appareil illustrée sur la figure 7, - la figure 9 est une vue de dessus plane des différentes parties illustrées sur la figure 8, - la figure 10 est une vue de dessus plane de l'une des parties illustrées sur la figure 8, - la figure 11 est une vue de dessous plane de l'une des parties illustrées sur la figure 8. Dans le but de clarifier la compréhension des principes de l'invention, on se réfèrera maintenant à la réalisation illustrée dans les dessins et l'on utilisera un langage particulier pour la décrire. On comprendra néanmoins qu'il ne s'agit pas là de limiter la portée de l'invention, les variantes et lee modifications apportées au dispositif illustré, et les autres applications des principes de l'invention illustrées ici étant considérées comme devant normalement se présenter à un spécialiste de la technique concernée par l'invention. En se référant maintenant plus particulièrement à la figure t, on trouve représentée une vue en perspective d'un appareil de forage 20 possédant une plateforme 21 montée sur le chssis d'un camion et venant au-dessus des roues arrière 22 de celui-ci. Un mât 23 est fixé à la plateforme et représenté en position érigée. Pour accroître la mobilité de l'appareil, le mât 23 peut etre ramené en position horizontale. Des stabilisateurs 24 sont dirigés vers le bas à partir de la plateforme 21 de façon à fournir une plateforme stable pendant les opérations de forage et de prélèvement d'é chrntillon. Différents contrôles 25 sont prévus pour commander le mouvement de rotation et le mouvement vertical du dispositif de tarière et de prélèvement. Un dispositif d'entrainement à tête rotative 26 est monté de manière à pouvoir glisser sur une table 27 à déplacement latéral, montée sur la plateforme 21. La tête rotative 26 fait tourner l'arbre creux 28. L'extrémité supérieure de la section de tarière 70 est reliée à l'extrémité inférieure 30 de l'arbre 28 par l'accouplement 40. La tête rotative et l'arbre avancent verticalement vers le bas suivant la longueur du mât 23, de façon à faire avancer la tarière dans le trou. A un moment donné, la tarière a avancé suffisamment vers le bas, comme indiqué sur la figure 1, pour qu'il devienne nécessaire de séparer l'extrémité supérieure de la section de tarière de l'accouplement 40, afin d'introduire une nouvelle section de tarière entre la section de tarière située dans le trou et l'accouplement. Evidemment, la tête rotative et l'arbre avaijcent verticalement en remontant le long du mit quand il faut ajouter une nouvelle section de tarière. Une roue ou une poulie 35 quelquefois appelée poulie de tête, est montée pour tourner au sommet du mit 23, et reçoit un fil ou un câble 34 portant suspendu un marteau 36. L'extrémité opposée du cible 34 est enroulée sur un tambour 33 monté sur la plateforme 21. Le tambour 33 peut tourner de façon à faire monter et descendre le marteau 36. La figure 2 est une vue partielle agrandie du coupleur 40 utilisé pour relier l'arbre 28 à l'extrémité supérieure de la tarière 70. L'accouplement est représenté à l'intérieur du cercle 2 de la figure 1. La tarière 70 possède un tube creux 71 muni d'une hélice 72 fixée par soudure ou par tout autre moyen convenable sur le pourtour du tube creux. La figure 4 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 4-4 de la figure 2, et en regardant dans le sens des flèches. Au-dessus de la tarière 70, est monté de manière amovible un capot 55 percé au centre, qui constitue une pièce de construction dont l'extrémité inférieure peut recevoir de manière amovible l'extrémité supérieure de la section de tarière du haut. L'extrémité inférieure peut avoir des filets 62 destinés à recevoir le tube 71. L'extrémité supérieure du capot 55 possède une paire d'éléments verticaux 56 et 57. Un trou 63 traverse longitudinalement le centre du capot de façon à permettre la communication avec le centre creux 73 de la section de tarière. Les éléments 56 et 57 sont placés en oppositLon et possèdent chacun des coussinets identiques 56 destinés à recevoir les bras de support du coupleur 40. l'extrémité inférieure 30 de l'arbre 28 possède un rebord 31 faisant corps avec elle. Une plaque 41 percée en son centre est fixée de manière amovible au rebord 31 par des dispo sitif s de fixation classiques 42. Une autre paire d'éléments 44 et 45 sont fixés à la plaque 41, ils sont placés en opposition et traversent le coupleur 40. la plaque 41 est munie cl'un trou 43, aligné avec le trou 32 du rebord 31. De plus l'arbre 28 est muni d'un centre creux 38. les éléments 44 et 45 sont munis chacun de coussinets identique s aux coussinets 58. En se référant maintenant à la figure 7, on trouve représenté une vue de dessus du coupleur 40 de la figure 2 seul. Ce coupleur 40 possède un corps principal 46 se présentant sous la forme d'un anneau dont le centre 47 est creux. Quatre bras de support 48 à 51 pénètrent dans les coussinets 58 des extrémités adjacentes du dispositif d'entratnement supérieur de la tarière. L'anneau 46 a un diamètre intérieur plus grand que les extrémités adjacentes du dispositif d'entraînement et de la tarière.Plus précisément, la distance horizontale entre les surfaces extérieures des éléments 56 et 57 et entre les éléments 44 et 45 wst plus petite que le diamètre intérieur du coupleur 40. le coupleur est supporté par les éléments 44, 45, 56 et 57 et se trouve placé à l'extérieur de'eux-ci. Le coupleur est creux en son centre de façon à permettre à un échantillonneur ou dispositif de carottage de traverser l'arbre 28 et la tarière 70. On remarquera que les bras de support 48 à 51 sont situés dans le m & e plan et à intervalles de 90 degrés autour du corps d'anneau 46. Ia présente invention permet l'extraction d'éw chantillons en profondeur, sans qutil soit nécessaire d'enlever la tarière du trou en cours de forage. Quand la tarière tourne et descend verticalement dans le sol, et quand on ne désire pas obtenir d'échantillon, on place alors un bouchon à l'extrémité inférieure de la tarière creuse pour éviter que de la matière entre dans la tige de tarière creuse par son extrémité inférieure. La figure 5 est une représentation schématique d'une tarière en place dans le trou 24. À l'extrémité inférieure de la section de tarière inférieure, se trouve une téte de forage 81 qui gratte le fond du trou pour permettre d'en retirer le matériau qui monte le long de lthélice L'extrémité inférieure de la section de tarière et la foreuse sont représentées de fa çon partielle dans la position 80 illustrant la position du marteau 36 et du bouchon 82. Le diamètre intérieur du tube de tarière et de la foreuse est plus grand que le diamètre extérieur du marteau et du boueglon, de manière à permettre le mouvement du marteau et du bouchon à travers la foreuse et la tarière. Le marteau, comme cela a été décrit plus haut, est suspendu à un ble 34 représenté dans la zone partielle 83.Le cible monte dans la section de tariere, le coupleur et l'arbre et passe autour de la roue 35 pour s'enrouler sur le tambour 33. Le marteau et le bouchon descendent au bout du câble en passant dans l'arbre, le coupleur et la tarière, jusqu'à ce que le bouchon 82 vienne au Cond 85 du trou 24. Le poids du marteau 36 est suffisant pour maintenir le bouchon 82 juste dans le fond 85, lorsque la foreuse descend progressivement. Le bouchon 82 est fixé au marteau 36 wr un nombre quelconque de moyens de fixation classiques. La tarière tourne et descend à la profondeur dé- virée après que le marteau et le bouchon soient descendus. Quand la profondeur voulue est atteinte, la rotation et la progression de la tarière s'arrêtent. Le marteau et le bouchon remontent alors sous l'action du cible de remontée 34, le cibles le marteau et le bouchon passant à travers la tarière, le coupleur et l'arbre. Le bouchon 82 est alors retiré du marteau et le carottier 86 est monté sur le marteau. Le marteau associé au carottier descend ensuite gracie au câble 34 en traversant le centre du coupleur et la tarière, jusqutà ce que le carottier vienne reposer dans le fond 85. On peut trouver dans le commerce une grande variété de carottiers, l'un de ces carottiers étant décrit dans le brevet US. 3.180.438. On remonte ensuite le marteau d'une hauteur suffisante pour que lorsgu'on le lache, le carottier 86 s'enfonce de la profondeur voulue en formant ainsi un trou d'échantillon 84. L'enfoncement du carottier se produit pendant que le marteau est en place dans la tarière. On fait ensuite tourner et descendre la tarière de manière à libérer le carottier. La rotation de la tarière est ensuite stoppée et l'on fait remonter le marteau et le carottier hors de la tarière, du coupleur et de l'arbre, de façon qu'on puisse retirer l'échantillon du carottier 86. Le carottier est ensuite retiré du marteau et l'on replace le bouchon sur le marteau.Le marteau et le bouchon redescendent alors dans la tarière jusqu'au fond du trou et l'on répète le processus comme on le désire. Ce procédé d'extraction d'échantillons en profondeur permet de faire descendre le carottier dans la tige creuse de la tarière tout en laissant la tarière reliée à un dispositif d'entraSnement creux par un coupleur percé en son centre. De cette façon, la tarière n'est pas retirée du trou, ce qui permet d'avoir un accès permanent du carottier en profondeur, sans qu'il soit nécessaire d'enlever la tarière, les longues tiges des dispositifs de technique antérieure ou le démontage de la tarière et de son dispositif d'entraînement n'étant plus nécessaires. Une réalisation supplémentaire et préférée de l'invention est illustrée sur les figures 7, 8, 9, 10 et 11. La figure 7 représente une variante de coupleur 100 qui entre également dans le domaine de l'invention. La figure 7 représente également l'appareil standard décrit ci-dessus en se référant aux figures 5 et 6. Ainsi, sur la figure 7, est représenté un appareil 101 qu'on peut trouver dans le commerce, pour exercer un effort vers le bas et pour faire tourner l'arbre 102. Cet appareil qu'on peut trouver dans le commerce peut être par exemple le modèle Mobile B - 50 fabriqué par la Mobile Drilling Company Inc d'Indianapolis, Indiana. Le Modèle B-50 est muni d'un arbre de foreuse ouvert de 117,5 mm I.D, qui. constitue l'arbre 102. Le cible 105 correspond au cible 34 et part de la poulie de t8te (non représentée) correspondant à la poulie 35, pour aller à la rotule de marteau 106 à laquelle le câble est attaché.La rotule de marteau pivote par rapport au marteau 107 correspondant au marteau 36. Le marteau 107 possède une tête de marteau 110 qui vient frapper une enclume 111 reliée au carottier en profondeur 112 par la tige 115. On a également représenté la tête de coupe 116 de la tarière, tête qui correspond à la tête de foreuse 81 et qui se visse à l'extrémité inférieure de la tarière creuse 117. La tarière creuse 117 est vissée, à son tour, au coupleur 100. La figure 8 représente le coupleur 100 plus en détail que la figure 7. Un élément annulaire 120 (figure 7) est vissé intérieurement à son extrémité inférieure, et son extrémité supérieure est boulonnée à un attelage inférieur 121 qui comprend un plateau 122 muni d'une ouverture cylindrique 125 qui le traverse. À ce plateau sont fixés deux éléments verticaux 126 serrés par des éléments de support 127. La figure 8 représente l'attelage inférieur pouvant pivoter autour d'un élément transversal 130, et montre plus en détail la liaison de l'élément transversal 130 avec l'attelage supérieur 131. La liaison supportant l'attelage supérieur sur lJélément transversal est identique à la liaison entre l'attelage inférieur et l'élément transversal, et sera décrit à titre représentatif. Comme cela est représenté sur la figure 10, 1'élément transversal présente une configuration extérieure octogonale et une configuration intérieure cylindrique. Une tige 132 pénètre à pression dans chacun des trous 135. La tige 132 possède un poussoir support 136 fixé dessus. Le support 136 roule dans le coussinet 137 logé en pression dans le trou 140 de chaque élément 141 qui dépasse. Des vis de capot 44? scr.t fixées aux ments 141 qui dépassent, et fixent le capot de maintien 145 en position. Les deux éléments qui dépassent 141 sont fixés au plateau 146 et serrés par les éléments de support 147 reliés at pla- teau 146 et aux éléments qui dépassent 141. L'attelage supérieur comprenant le plateau 146 est Pillé au pivot 102 par 1es boulons 150. Les deux éléments transversaux 130 et le plateau 146 possèdent de grandes ouvertures cylindriques 151 et 152 qui les traversent respectivement. Il est évident que la réalisation des figures 7, 8, 9, 10 et 11 donne une Grande liberté aux mouvements de pivotement dans toutes les directions, mais qu'elle fournit, également dans les ouvertures 125, 151 et 152 une ouverture centrale par laquelle on peut faire passer des objets. Bien entendu, l'invention n1 est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés ,à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Coupleur creux pour entraîner une tarière, coupleur comprenant une section de tarière munie d'un tube creux et d'une hélice fixée autour, coupleur caractérisé en ce que cette section porte une paire de premiers éléments verticaux et opposés fixés à celle-ci, un arbre d ' entraînement creux en son centre étant muni d'une paire de seconds éléments opposés et en saillie, des moyens de liaison étant placés entre l'arbre d'entraînement et la section de tarière pour assurer la liaison entre ces éléments, ces moyens supportant les premiers et seconds éléments et étant creux en leur centre de façon à permettre à un dispositif d'extraction d'échantillons de traverser l'arbre d'entraînement et la section de tarière. 2.- Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de liaison sont constitués par un anneau circulaire muni de quatre bras dirigés radialement vers l'- intérieur dans les premiers et seconds éléments, l'anneau étant disposé à 1' extérieur des premiers et seconds éléments. 3.- Coupleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premiers et seconds éléments possèdent des coussinets destinés à recevoir les bras, ces bras étant situés dans le même plan à des intervalles de 90 degrés autour de l'anneau, l'arbre d 'entraînement possédant une extrémité inférieure munie d'un rebord et un plateau cenfrra2-creux au centre, fixé à celle-ci, les seconds éléments étant fixés au plateau et dépas- sant vers le bas à travers 1'vanneau, un capot étant vissé sur la section de tarière et fixant les premiers éléments à la section de tarière. 4.- Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de liaison comprennent un anneau annu laire placé à l'intérieur des premiers et seconds éléments, et en ce que ces moyens de liaison comprennent de plus quatre dis- positifs de support placés à des intervalles de 90 degrés autour de l'anneau, deux de ces dispositifs de support reliant les premiers éléments à l'anneau annulaire et deux de ces dispositifs de support reliant les seconds éléments à l'anneau annulaire. 5.- Coupleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'arbre d'entraînement possède un plateau, creux en son centre, fixé à celui-ci, ce plateau fixant les seconds éléments à l'arbre d'entraînement0 6.- Coupleur creux destiné à relier un dispositif d'entraînement de tarière creux à une section de tarière creuse adjacente, coupleur caractérisé en ce qu'il comprend un capotcreux en son centre, destiné à être monté au-dessus de la section de tarière et comprenant une paire de premiers eléments verticaux opposés, un plateau, creux au centre, destiné à 8tre monté à I'- extrémité inférieure du dispositif d'entratnement et possédant une paire de seconds éléments opposés en saillie, des moyens de liaison étant disposés entre le capot et le plateau pour relier cux-ci, ces moyens supportant les premiers et seconds éléments, les moyens de liaison étant creux en leur centre, ce qui permet à un dispositif de prélèvement dséchnntillon de traverser le coupleur. 7.- Coupleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de liaison sont constitués par un an lleau et en ce que la liaison avec les premiers et seconds éléments cst réalisée par quatre dispositifs de support, une première paire comportant des dispositifs de support coaxla'x et reliant 1' almeau aux premiers éldments, une seconde paire comportant des lispositifs de support coaxiaux et reliant l'anneau aux seconds éments, les dispositifs de support étant placés à des intervalles de 90 degrés autour de l'anneau. 8.- Procédé de prélèvement d'échantillons de sol en profondeur à l'aide d'un coupleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, procédé caractérisé en ce qu'on àit passer un carottier à travers le coupleur, creux en son centre, reliant une tarière creuse à un dispositif d 'entraîne- ment creux. 9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on descend et on remonte le carottier à l'aide d'un cible s 'enroulant sur une bobine. 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes dans lesquelles on fait descendre, -à l'aide d'un cabale, un marteau muni d'un bouchon; à travers le dispositif d'entraînement, le coupleur et la tarière, jusqu'à ce que le dispositif de bouchon vienne audessus du sol, on fait tourner et pénétrer la tarière jusqu'à une profondeur voulue après avoir descendu le marteau et son bouchon, on arrête ensuite la rotation et la progression de la ta rière, on fait remonter le marteau et le bouchon à l'aide du cible à travers la tarière, le coupleur et le dispositif d'entrainement, à la suite de cette étape d'arrêt et on monte le carottier sur le marteau aussitôt avant de faire descendre ce carottier. 11.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape dans laquelle on entraîne le carottier avec le marteau jusqu'à la profondeur voulue pendant que le marteau est en place dans la tarière et après la descente du carottier. 12.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes dans lesquelles on fait tourner la tarière à la suite de l'étape d'entraine- ment, de façon à libérer le carottier après cette étape d'entraî- nement, on arr8te la rotation de la tarière immédiatement avant de remonter le carottier, et on retire le bouchon du marteau après la remontée du marteau et du bouchon.