Brevet FR2301710A1 — publié le 19760917

La présente invention concerne, d'une manière générale, la technique du forage de trous dans la surface de la terre qui utilise l'air comme milieu de circulation. L'invention se rapporte plus particulièrement à un appareil perfectionné pour produire un volume élevé d'air induit par une dépression et qui comporte une ouverture à passage direct sans réduction de la section de l'alésage pour permettre le passage des débris de forage et de l'air aspiré à travers l'appareil. Il est bien connu dans la technique antérieure d'utiliser l'air-comprimé comme fluide de forage. pour faire remonter les débris de forage jusqu'a la surface de la terre. Il est également connu dans la technique antérieure d'utiliser un système à dépression pour enlever les débris de forage au lieu d'utiliser de l'air comprimé. En outre, il est également connu de créer une dépression au moyen d'un appareil d'aspiration à fluide moteur comme représenté par exemple dans le brevet des EUA n0 3.031.127 aux noms de R. A. Duhaime et autres. Cependant, à la connaissance de la demanderesse, il n'y a aucun appareil ou procédé de la technique antérieure qui ait prévu l'utilisation d'un ajutage de venturi annulaire dans un appareil d'aspiration pour accélérer l'air moteur à une vitesse supersonique avant son mélange au courant d'air aspiré. Par conséquent, l'un des principaux buts de la présente invention est de réaliser un nouvel appareil d'aspiration à fluide moteur perfectionné. Un autre but de la présente invention est de réaliser un nouvel appareil d'aspiration à fluide moteur perfectionné comportant une ouverture sensiblement directe et sans réduction de section de l'alésage pour le passage de l'air aspiré. Les buts de l'invention sont réalisés, d'une manière générale, grace à un appareil qui utilise un ajutage annulaire qui entoure un alésage central et qui utilise un ajutage à col étranglé et à diffuseur divergeant à un angle déterminé pour accélérer l'air moteur à une vitesse supersonique avant son mélange à l'air aspiré dans l'alésage central. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus de la présente invention, ainsi que d'autres, seront plus facilement compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue en élévation, avec ccupe partielle, d'un équipement de forage utilisant l'appareil d'aspiration à fluide moteur selon la présente invention la figure 2 est une vue schématique, avec coupe partielle, représentant une tête d'Injection et un trépan de forage nonnes sur la tige de forage à double parti qui sont utilisables avec l'appareil d'aspiration à fluide moteur selon la présente invention la figure 3 est une vue en coupe verticale de l'appareil d'aspiration à fluide moteur selon la présente invention. On se référera maintenant plus en détail aux dessins et, en particulier, à la figure 1 sur laquelle une Tachine de sondage désignée par la référence générale 12 a été représentée positionnée à un emplacement de forage. La sondeuse 12 comporte un derrick 8 qui fournit un bâti support. Une tête ou châssis mobile 3 est monté de façon à pouvoir se déplacer le long du derrik 8. Un train de tiges 10 est accouplé à la tête motrice 3. Le train de tiges 10, représenté plus en détail sur la figure 2, est constitué par une tige de forage tubulaire à deux parois concentriques, comme représenté par exemple, dans le brevet des EUA nO 3.208.539 au nom de H. I. Henderson. Une tête d'injection 11, représentée de façon plus détaillée sur la figure 2, est raccordée à la partie suuérieure du train de tiges qui est,de son côté raccordée à un tuyau souple 13 qui passe autour d'une roue sup ort 1 qui est suspendue à une paire de poulies 5 et 6 montées sur le derrick 8. Le rayon de la roue support 1 corres ond ensiblement au rayon de courbure du tuyau 13. Ceci assure un rayon de courbure régulier pour l'écoulement des débris de forage dans le tuyau 13. La roue support 1 est montée à rotation sur un axe 14. L'axe 14 est raccordé, au moyen d'un câble de raccordement 4, aux poulies 5 et 5. Le câble de raccordement + est également fixé à un contre-poids 7. Le contre-poids 7 fournit une force d'équilibrage sensiblement égale au poids du tuyau 13. Le tuyau souple 13 est raccordé, à son autre extrémité, un dispositif d'aspiration à fluide moteur classique, désigné par la référence générale 15, un tel dispositif étant représenté d'une manière plus détaillée sur la figure 3 ; l'extrémité inférieure du dispositif d'àspiration à fluide moteur 15 est raccordée à une colonne montante 9 au moyen d'une bride 16 fixée au derrick 8. Un compresseur d'air 21 à sa conduite de sortie 22 raccordée à l'entrée 23 d'un robinet de répartition qui est désigné par la référence générale 24. L'une des conduites de sortie du robinet de répartition 24 est raccordée, par la conduite d'air 25, à l'entrée d'air moteur 26 du dispositif d'aspiration à fluide moteur 15. L'autre sortie du robinet de répartition 24 est raccordée, par la conduite d'air 27, qui est, de préférence, constituée par un tuyau souple, à l'entrée 28 de la tête d'injection 11. Le robinet de répartition 24 comporte un tournant 29 que l'opérateur peut déplacer en rotation pour déterminer si l'air passe par la conduite 25 ou la conduite 27 et l'importance de ce passage. Des soupapes de pression d'air 51 et 52 sont montées respectivement dans la conduite 27 et dans la conduite 25. Sur la figure 2 à laquelle on se référera maintenant, on a représenté, de façon plus détaillée, la tête d'injection 11. La tête d'injection t comporte un corps 31 qui entoure la tige de forage 10 à double paroi et qui est monté de façon à rester stationnaire par rapport à la tête motrice mobile 3 (représentée sur la figure 1), le corps 31 permettant à la tige de forage 10 de tourner librement par rapport audit corps. Deux garnitures d'étanchéité 32 et 33 sont prévues pour isoler l'air comprimé qui pénètre par l'orifice d'entrée 28 et empêcher ainsi les fuites d'air comprimé de l'intérieur du corps 31 vers l'extérieur. Plusieurs orifices, représentés par les orifices 34 et 35, sont formés entre les garnitures d'étanchéité 32 et 33 dans la paroi extérieure 36 de l'assemblage de tiges de forage concentriques 10.Les orifices 34 et 35 fournissent ainsi des moyens qui permettent à l'air comprimé qui entre par l'orifice d'entrée 28 de passer de l'intérieur du corps 31 jusque dans l'espace annulaire 39 formé entre la paroi extérieure 36 de la tige de forage et la paroi intérieure 37 de la tige de forage. Un ensemble de trépan de forage, désigné par la référence générale 38, est fixé à l'extrêmité inférieure ae l'assemblage de tiges de forage 10. L'ensemble de trépan de forage 38 peut tre l'un quelconque des divers modères bien connus des spécialistes de la technique qui permettent la communication entre l'espace annulaire extérieur 39 et le trou-de sonde et également entre le trou de sonde et l'espace central intérieur 40 par lequel les débris de forage sont retournés à la surface de la terre. Si désiré, le trépan de forage 38 peut être construit conformément aux enseignements du brevet des EUA n0 3.208.539 au nom de H. I. Henderson. Une garniture d'étanchéité 42 est positionnée entre l'extétrieur de l'assemblage de tiges de forage et la paroi 43 du trou de sonde, à des fins qui seront expliquées ci-après. En ce qui concerne maintenant le fonctionnement de l'appareil représenté sur les figures 1 et 2, on comprendra que, sauf si la garniture d'étanchéité 42 représentée sur la figure 2 assure une bonne étanchéité entre le train de tiges et la paroi 43 du trou de sonde, l'introduction d'air comprimé dans l'espace annulaire 39 a de fortes chances de provoquer le passage des débris de forage 41 au-delà de la garniture d'étanchéité 42 plutôt que par l'espace intérieur central 40 de la tige de forage. La demanderesse a quelquefois rencontré des difficultés pour réaliser une bonne étanchéité en utilisant la garniture d'étanchéité 42, en particulier lors du forage, dans les conditions qui règnent dans les régions artiques, à travers le pergélisol et autres formations non consolidées. La demanderesse a découvert, cependant, qu'en maintenant la répression régnant dans l'espace intérieur central 40 plus puissante ou plus grande Hue la pression de l'air comprimé dans l'es- pace annulaire 39 sur la base d'un rapport en unités de volume, les débris de forage 41 passent par l'espace central 40 au lieu de s'échapper au-delà de la garniture d'étanchéité 42. Le forage du trou commence avec la tête motrice mobile 3 au voisinage du sommet du derrick 8. Le train de tiges 10 est entraîné en rotation et le trépan de forage situé à la base du train de tiges 10 désintègre les formations terrestres pour former le trou de sonde désiré. A mesure que le trou de sonde sten- fonce plus profondément dans la terre, la tête motrice mobile 3 se déplace vers le bas. Lorsque l'air comprimé et/ou la dépression provoquent le passage des débris de forage vers le haut dans le passage central 40, les déblais et débris provenant du trou de sonde remontent dans le tuyau souple 13 et parviennent au dispositif d'aspiration à fluide moteur 15 et sont déversés par la colonne montante incurvée 9 soit sur la surface de la aieerre soit dans un véhicule collecteur. La roue support 1 supporte tuyau de raccordement 13.A mesure que la tête motrice mobile 3 se déplace vers le bas, la roue support 1 tourne autour de l'axe 14, assurant que le rayon de courbure régulier du tuyau de raccordement 13 est conservé. Le contre-poids 7 fournit une force de levage appliquée à la roue support 1 qui maintient une légère tension sur les deux extrêmités du tuyau de raccordement 13. Le tuyau de raccordement 13 est maintenu dans une position verticale pendant que la tête motrice mobile 3 se déplace dans le derrick 8. Comme représenté sur la figure 1, la rotation du tournant 29 du robinet de répartition 24, par l'opérateur de la sondeuse commande la quantité d'air qui est transmise à la tête d'injection 11 et également la quantité d'air qui est transmise au dispositif d'aspiration à fluide moteur 15. La soupape 51 montée dans la canalisation à air 27 raccordée à la tête d'injection 11 et la soupape 52 montée dans la canalisation à air 25 raccordée au dispositif d'aspiration à fluide moteur 15 fournissent des moyens qui permettent de contrôler et de commander l'air comprimé qui est refoulé dans l'espace annulaire 39 et la dépression qui est créée dans l'espace central 40.En se basant sur des tables d'étalonnage, les indications de la soupape 52, qui indique la pression de l'air comprimé dans la canalisation 25, sont facilement corrélées avec la dépression créée par le dispositif d'aspiration à fluide moteur 15. Ainsi, pendant que la tige de forage 10 et le trépan de forage 38 sont entraînés en rotation dans la surface de la terre au cours du forage d'un trou, l'opérateur règle la position du tournant 29 pour créer la combinaison désirée d'air comprimé et de dépression pour favoriser l'opération de forage. La demanderesse a également découvert que, selon les formations dans lesquelles le forage est effectué, il est quelquefois préférable de n'utiliser que de l'air comprimé et d'autres fois de n'utiliser qu'une dépression. Dans de tels cas, le tournant 29 est tourné à fond dans un sens ou dans l'autre pour obtenir l'effet désiré.Il doit être également bien compris que d'autres moyens pour déterminer si la dépression est plus forte que la pression de l'air comprimé consistent, par exemple, à vérifier si les débris de forage ont tendance au-delà de la garniture d'étanchéité 42ou , alternativement, si la garniture 42 n'est pas utilisée, à verifier si les débris de forage sont projetés hors du trou de sonde autour de l'extérieur de l'assemblage de tiges de forage 10. Sur la figure 3, à laquelle on se référera maintenant, on a représenté d'une manière plus détaillée, l'appareil d'aspiration à fluide moteur 15 selon la présente invention. L'appareil d'aspiration 15 comporte un corps principal 51 qui comporte un alésage sensiblement direct et rectiligne autour de son axe longitudinal 60. Le corps 51 comporte une partie de mélangeur C comportant une paroi tubulaire ayant un diamètre interne sensiblement uniforme et une partie de diffuseur D commençant au point 56 et se terminant à la paroi d'extrêmité 57. A partir du point 70, la paroi du corps 51 s'évase en une section de plus grand diamètre ayant des parois latérales 71 délimitant une chambre intérieure 54.Un élément de corps latéral tubulaire 53 est en combinaison fluidique avec la chambre 54 et comporte une entrée d'air 26 à son extrêmité pour recevoir l'air haute pression appelé d'une manière générale "air moteur". Un élément tubulaire 50 est logé à l'intérieur de la chambre 54 et a un diamètre intérieur sensiblement identique au diamètre intérieur de la partie C du corps 51 de façon à former un alésage à écoulement sensiblement direct pour l'air et les débris de forage aspirés qui entrent dans l'orifice d'entrée 59 du tube 50. Un joint d'étanchéité torique 52 est prévu entre la paroi 71 du corps et une partie latéralement saillante du tube 50 pour isoler l'air sous pression, introduit dans la chambre 54, de l'atmosphère environnante. La paroi évasée 71 a une partie de sa paroi intérieur qui s'étend obliquement par rapport à l'axe longitudinal 60 et l'extrémité du tube 50 opposée à l'orifice d'entrée 59 et s'étend également obliquement en direction de l'axe longitudinal 60 suivant un angle dont les caractéristiques seront examinées ci après. Les angles formés par la paroi latérale 71 et l'extrêmité du tube 50 sont choisis de telle sorte qu'une région de diffuseur B est formée à la suite de la région d'étranglement A. La demanderesse a découvert qu'il était possible d'obtenir un écoulement supersonique par cet ajutage annulaire. On doit rappeler que, sans dispositions spéciales, un écoulement à Mach 1 est le maximum qui peut être obtenu dans un ajutage. En utilisant le col formant étranglement A et la partie de diffuseur B qui diverge à un angle déterminé, l'air qui sort du col formant étranglement A peut-être accéléré à une vitesse supersonique. Selon les estimations de la demanderesse effectuées à partir de l'observation de l'appareil d'aspiration à fLuide moteur selon l'invention, la vitesse obtenue avec cet appareil d'aspiration à fluide moteur particulier est d'environ Mach 1,9. Etant donné que l'énergie cinétique de l'écoulement moteur est l'énergie transférée au mélange en écoulement avec l'air aspiré, la vitesse Mach 1,9fournit une énergie cinétique d'approximativement 3,6 fois l'énergie de l'écoulement à Mach 1. Il n'est pas besoin d'une puissance d'entrée supérieure pour obtenir la plus grande puissance de sortie. Le courant d'air aspiré, qui entre par l'orifice d'entrée 59 avec les débris de forage, suivant un trajet direct à travers le venturi sans Cfectuer aucun changement de direction, a tendance à maintenir l'air et les débris de forage aspirés en déplacement sans qu'ils adhèrent aux surfaces exposées ou s'accumulent sur des telles surfaces. Bien que divers angles puissent être utilisés pour fabrique 4 a partie de diffuseur B, la demanderesse a découvert que l'ap areil d'aspiration à fluide moteur fonctionne parfaitement lorsque la surface.intérieure de la paroi latérale 71 s'étend obliquement en formant un angle de 300 avec l'axe longitudinal 60 pour diriger l'air moteur vers l'axe longitudinal 60 suivant la ligne en pointillé 55 pour provoquer un mélange efficace. L'extrêmité, délimitant l'ajutage, du tube 50 s'étend obliquement en formant de préférence un angle de 410 avec l'axe longitudinal 60, divergeant ainsi de la surface intérieure de la paroi 71, pour diriger de la même manière-l'écoulement supersonique vers l'axe longitudinal 60 afin d'effectuer le mélange. On cor'prendra que, lors du fonctionnement de l'appareil d'aspiration à fluide moteur représenté sur la figure 3 en combinaison avec l'équipement représenté sur les figures 1 et 2, l'air haute pression est introduit à une pression d'approxl- mativerent 6,9 bars, par l'orifice d'entrée. Cet air est ensuite introduit dans la charc 74 qui entoure le tube 50 et qui se erbine par ltétranglement A. Après avoir traversé l'étranglement , l'air est accéléré dans la partie de diffuseur B en direction de l'axe longitudinal 60, provoquant l'écoulement de l'ar aspiré, de l'orifice d'entrée 59 ers la plaque d'extrêmité 57. Ceci crée naturellement une dépression dans le tuyau 13 et dans le passage central du train de tiges de forage 10 pour enlever les débris de forage 41 du fond du trou foré. Bien que le mode de réalisation préférentiel prévoit l'utilisation des angles spécifiquement indiqués dans la partie de diffuseur B, il est bien évident que d'autres angles peuvent être utilisés pour former une telle partie de diffuseur afin d'accélérer l'air moteur à une vitesse d'écoulement supersonique. L'inertie de l'air moteur est transférée à l'air et aux débris de forage aspirés lorsque le courant d'air moteur et le courant aspiré sont mélangés. Le courant mélangé se détend dans la partie de diffuseur D pour récupérer l'énergie du mélange comprimé, lorsqu'il se détend. REVENDICATIONS 1. - Appareil d'aspiration à fluide moteur caractérisé en ce qu'il comprend un premier élément tubulaire ayant un diamètre intérieur donné un second élément tubulaire ayant un diamètre sensiblement égal au diamètre donné ; un ajutage annulaire formé entre le premier élément tubulaire et le second élément tubulaire, les axes longitudinaux centraux de ces éléments tubulaires étant coalignés, cet ajutage comprenant un étranglement d'air et un diffuseur ; et des moyens pour introduire de l'air comprimé à travers cet étranglement et ce diffuseur, dans le second élément tubulaire en aspirant ainsi un courant d'air à partir du premier élément tubulaire dans le second élément tubulaire. 2. - Appareil d'aspiration à fluide moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diffuseur est constitué par des première et seconde parois divergentes. 3. - Appareil d'aspiration à fluide moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la preiére paroi fait un angle d'approximativement 300 avec les axes longitudinaux centraux alignés et en ce que la seconde paroi fait un angle d'approximativement 410 avec ces axes. 4. - Appareil d'aspiration à fluide moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une seconde partie de diffuseur coalignée avec le second élément tubulaire. 5. - Appareil d'aspiration à fluide moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ajutage provoque l'introduction de l'air comprimé dans le second élément tubulaire à une vitesse supersonique. 6. - Appareil d'aspiration à fluide moteur caractérisé en ce qu'il comprend un premier élément tubulaire ayant un alésage central un second élément tubulaire ayant un alésage central une chambre annulaire entourant le second élément tubulaire des moyens pour introduire un fluide compressible dans la chambre annulaire un ajutage annulaire faisant communiquer la chambre annulaire avec l'alésage central du premier élément annulaire l'ajutage comportant une partie formant étranglement et une partie formant ..ifuseur. 7. - Appareil d'aspiration à fluide moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les alésages centraux des premier et second éléments tubulaires sont coalignés. 8. - Appareil d'aspiration à fluide moteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un second diffuseur communiquant avec l'alésage central du premier élément tubulaire. 9. - Appareil d'aspiration à fluide moteur comprenant un corps ayant un orifice d'entrée et un orifice de sortie et comportant un passage à fluide entre ces orifices, ce passage étant en communication fluidique avec l'orifice d'entrée et avec l'orifice de sortie, l'axe central longitudinal de ce passage étant aligné avec l'orifice d'entrée et avec l'orifice de sortie ; et des moyens pour introduire un fluide comprimé à une vitesse supersonique dans le passage à fluide, obliquement en direction de l'orifice de sortie, pour aspirer un courant de fluide entre l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie. 10. - Un appareil d'aspiration à fluide moteur caractérisé en ce qu'il comporte un premier élément comportant un passage un second élément comportant un passage coaligné avec le passage du premier élénlent avec lequel il communique une chambre annulaire fixée à l'un au moins des éléments un ajutage faisant communiquer la chambre avec le passage du premier élément et dirigé en éloignement du passage du second élément l'ajutage comportant un étranglement et un diffuseur. 11. - Appareil dtaspiration à fluide moteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le passage du premier élément est ccaligné avec un second diffuseur avec lequel il com:unique.