Brevet FR2359273A1 — publié le 19780217

La présente invention concerne un appareil carottier du type à cabale. En substance, l'appareil carottier comprend un tube intérieur coulissant dans un tube extérieur. Le tube intérieur est équipé inférieurement d'un manchon extracteur de carotte et supérieurement d'une tête. Le tube extérieur est formé par un train de tiges creuses et pourvu inférieurement d'une couronne de sondage. La tête de tube intérieur est suspendue à un câble pour l'extraction et éventuellement la descente de ce tube intérieur. La tête du tube intérieur présente une butée de suspension et des moyens de verrouillage de ce tube intérieur dans le tube extérieur. La butée de suspension repose, en position de sondage, sur une bague annulaire de suspension du tube extérieur. Les moyens de verrouillage sont engagés, en position de sondage, dans une encoche annulaire de verrouillage du tube extérieur. ur; p2ssae d'eau pour aettre dans la zone de sondage ge, sous l'action d'une pompe en surface, un débit d'eau refroidissant la couronne de sondage et évacuant de bas en haut les débris de sondage entre le tube extérieur et la paroi du trou foré. Dans la tec"mique du carottage d'un sol à l'aide dtun appareil carottier à cable, on prélève des échantillons cylin- driques de roche, ctest-à-dire des carottes, qui sont découpés par la couronne de sondage mise en rotation par le tube extérieur, qui sont engagés progressivement dans le manchon extracteur du tube intérieur lors du sondage ou du carottage et qui sont dégagés du sol restant et remontés à la surface par le tube intérieur à l'aide du câble susdit commandé par un treuil en surface. Au cours du sondage ou du carottage, liteau circulant jusou'au fond du trou foré refroidit la couronne de sondage et évacue vers la surface les débris produits. Les appareils carottiers connus du genre susdit ne présentent pas de moyen monté dans leur tube intérieur, pour controler le débit d'eau traversant leur circuit d'eau formé par ce tube intérieur et alimentant la zone de sondage et de carot- tape. Conséouernent, selon les conditions de sondage ou de carottage et notamment dans les cas où la perte d'eau est supérieure au débit injecté, les appareils carottiers connus risquent d'admettre dans la zone de sondage et de carottage, un dé bit d'eau insuffisant et même nul. Or, un tel débit d'eau défavorable ne peut être détecté par l'opérateur en surface, quta- près une période suffisamment longue pour provoquer un échauffement excessif de la couronne de sondage et la destruction ra pide de cet outil onéreux. Quelques données numériques d'un sondage et d'un carottage font comprendre le risque susdit des appareils connus. Généralement, le débit d'eau mis en oeuvre lors du sondage et du carottage d'un sol normal est tel que la vitesse ascensionnelle du courant d'eau ramenant les débris entre le tube extérieur et la paroi du trou foré dans le sol est de 50 cn/ sec. environ. Avec un appareil carottier dont lue tube extérieur a un diamètre extérieur de, 114 inm et un diamètre intérieur de 103 mm et tourne dans un trou foré de 122 mm, il est nécessaire de prévoir un débit d'eau de 47 litres/min. pour obtenir cette vitesse de 50 cm/sec. Lorsque le sondage et le carottage atteignent des roches très fissurées, il peut se produire dans les fissures, failles, etc., une perte d'eau dépassant fortement le débit d' eau injecté par la pompe dans le tube extérieur. Dès lors, il se crée un niveau d'eau dynamique situé dans le tube extérieur légèrement au-dessus du niveau phréatique. De ce fait, il faut considérer la charge d'une colonne d'eau dans le tube extérieur, équivalente aux pertes de charge e-t non nécessairement égale à la hauteur totale de la partie immergée de l'appareil carottier. Conséquemment, il y a alors un espace vide d'eau dans le tube extérieur qui peut, dans le cas choisi, être supposé s'étendre sur une hauteur de 28 mètres, entre la surface et le niveau d' eau effectif dans le tube extérieur. Lorsque le sondage et le carottage atteignent ensuite une couche d'argile, il peut se former un bouchon obturant le passage de l'eau au niveau de la couronne de sondage. Dès que le bouchon en question coupe le passage d'eau dans la zone de sondage ou de carottage, le débit d'eau injecté par la pompe doit d'abord remplir l'espace vide d'eau précité dans le tube extérieur, avant qu'une surpression se manifeste à cette pompe en surface, c'est-à-dire avant que l'opérateur soit informé que l'eau ne circule plus dans la zone de sondage et de carottage. Le laps de temps écoulé entre la formation complète du bouchon susdit et l'apparition de la surpression au manomètre de la pompe peut être de 4 minutes environ. Or, quelques secondes suffisent pour produire la destruction de la couronne de sondage en cas de marque de circulation d'eau. On comprend ainsi l'inconvénient des appareils connus quant au risque de destruction rapide de leur outillage de sondage, dans les trous en perte d'injection totale, lequel inconvénient est évité grâce à I'appareil carottier selon l'invention. A cet effet, dans l'appareil carottier selon l'invention, la tête du tube intérieur comporte une soupape réglable de contrôle du débit d'eau,- fonctionnant sous l'action de la pompe, au-dessus d'une pression d'eau prédéterminée indiquée à la pompe et au moins égale à la pression d'eau due à la différence des niveaux d'eau entre le niveau phréatique et le niveau de la pompe en surface, lorsque la profondeur de sondage et de carottage dépasse ce niveau phréatique ou au moins égale à la pression d' eau due à la différence des niveaux d'eau entre le fond du trou foré et le niveau de la pompe en surface, lorsque la profondeur de sondage et de carottage n'atteint pas le niveau pnréatique, de manière - à rester fermée pendant la descente du tube intérieur dans le tube extérieur, dusql'à la mise à butée de la tete du tube in térieur corse 1 se de susp^ns-on et -rerrouillac de 12- dite tête dans l'encoche de verrouillage, - à s'ouvrir ensuite pour le carottage sous l'effet d'une aug tentation de le pression indiquée à la pompe, pour que cette pression soit plus grande que la pression prédéterminée susdi te, - et à se refermer après le carottage-sous l'effet d'une diminu tion de cette pression produite par l'arrêt de la ponpe, en vue du déverrouillage et de la remontée du tube intérieur a vec la carotte. Ainsi, avec l'appareil carottier selon l'invention, ce n'est que lorsque le tube intérieur se trouve effectivement en position verrouillée propre au sondage et au carottage du sol, que la pression indiquée à la pompe en surface peut dépasser la valeur prédéterminée par le réglage de la soupape de contrôle. De la sorte, l'opérateur peut se rendre compte aisément si la pression indiquée à la pompe dépasse la valeur prédéterminée en question, auquel cas il est certain qu'un débit d'eau de refroidissement atteint la zone de sondage et de carottage. En out, ltopérateur peut aussi observer si cette pression ne monte pas subitement au cours du sondage et du carottage, suite à une obstruction par exemple accidentelle du passage d'eau notamment dans la zone de sondage et de carottage, auquel cas il arrête 1' opération an cours. Par ailleurs, avec des appareils carottiers connus du type précité, l'opérateur est certain de la mise en position verrouillée du tube intérieur dans le tube extérieur, uniquement par l'impact de la butée de suspension de ce tube intérieur contre la bague de suspension de ce tube extérieur. Cet impact produit un bruit transmis en surface par le tube extérieur, pour autant que l'appareil carottier travaille à des petites profondeurs dans le sol. La perception de ce bruit particulier par l'opérateur est donc aléatoire, difficile et même impossible pour des opérations à grande profondeur ou pour des opérations avec injection de boues de forage. En outre, l'opérateur coupe souvent les .rloteurs de l'apparei' et de la pompe, pour détecter le bruit en question. Au contraire, avec un appareil carottier selon l'invention et grâce à la soupape de contrôle réglable de cet appareil, l'opérateur dispose d'un moyen particulièrement sim-?le, rapide et efficace pour savoir quand et si le tube intérieur est en position correcte pour le sondage et le carottage. A cet effet, il lui suffit de suivre la pression indiquée à la pompe sens arrenter un moteur quelconque. Lorsque cette pression dépasse la valeur prédéterminée, réglée par la soupape de contra le, le tube intérieur est en position verrouillée et fonction nelle. Selon des caractéristiques constructives du nouvel ap- pareil carottier, la soupape de contrôle réglable comprend un obturateur sphérique dans un corps formé par un nanchon constitutif de la tête du tube intérieur. L'obturateur sphérique est sollicité axialement vers le haut par vm ressort de rappel, à prendre appui élastiauement sur un siège annulaire formé par la partie supérieure du corps. D'autre part, le ressort de rappel prend appui inférieurement sur~une rondelle de réglage déplaçable axialement dans le corps. -nfin, le manchon formant le corps de la soupape de contrôle est généralement le déflecteur de la tête du tube intérieur. D'autres détails et particularité de ltinvention ap paraitront au cours de la description et des dessins annexés au présent mémoire et qui représentent schématiquement et à titre d'exemple seulement une forme d'exécution de l'invention. Les figures 1A, 13, IC et ID sont des coupes axiales successives d'un nouvel appareil carottier. Ces coupes se raccordent respectivement suivant les lignes a-a, b-b et c-c des figures. L1appareil carottier représenté est du type à câble et sert à prélever des carottes de roches dans un sol. En substance l'appareil carottier comprend un tube extérieur 1 et un tube intérieur 2. Le tube extérieur 1 est constitué par un-train de tiges creuses coaxiales par exemple 3, 4, 5 et 6 vissées l'une par rapport à l'autre. Le tube extérieur 1 est pourvu inférieurement c'une couronne de sondage 7 garnie d'une concrétion diamantée. La couronne de sondage 7 est vissée à son tour sur la tige infé- rieure 6 du tube extrie'jr 1. Le bulce extérieur 1 dans son en- semble tourne en service autour de son axe sous l'action de mo- ens moteurs non représentés et installés en surface. Le tube extérieur 1 présente entre autres une encoche annulaire de verrouillage 8 et comporte en outre une bague de suspension o. Le tube intérieur 2 est un ensemble nécanique complexe coulissant dans le tube extérieur 1 pour sa mise en place et son extraction. En service, une partie du tube intérieur 2 reste stationnaire dans le tube extérieur 1 en rotation, tandis que 1' autre partie tourne conjointement à ce tube extérieur 1. Pour son coulissement dans le tube extérieur 1, le tube intérieur 2 est suspendu à un cable partant d'un treuil en surface et aboutissant à une tête d'accrochage 10 de ce tube intérieur. Le câble est mis en oeuvre chaque tois pour l'extrac- tion du tube intérieur 2 et éventuellement la descente de ce tube intérieur 2 en cas de manque d'eau dans le tube extérieur 1. Dans le tube intérieur 2, la tête d'accrochage 10 est nécaniquement reliée à un tube 11 porte-verrous. La partie inférieure du tube 11 porte-verrous est fixée à la partie supérieure d'un manchon déflecteur 12. Dans la partie inférieure taraudée du manchon déflecteur 12 est vissé un arbre 13 plein. Un écrou de blocage 14 est vissé sur la partie supérieure filetée de l'arbre 13 et appliqué contre le bord inférieur du manchon déflecteur 12. L'arbre 13 porte autour de lui et de haut en bas, une bague de retenue 15, des rondelles d'appui 16, des b a- gues d'expansion 17 entre celles-ci, une butée à billes' 18, un manchon d'entretoisement 19, une autre butée à billes 20, des rondelles ressort 21, et une autre bague de retenue 22.Les éléments mécaniques 15 à 21 entourant l'arbre 13 sont serrés entre les deux butées de retenue 15 et 22 par un écrou 23 autobloquant, vissé sur l'extrémité inférieure filetée de l'arbre 13. D'autre part, le manchon d'entretoisement 19 présenta une partie filetée sur laquelle est vissé un support 24 du tube intérieur. La partie inférieure taraudée du support 24 porte un tube 25 receptacle de la carotte, fileté superieurement et in férieurement. La partie inférieure du tube réceptacle 25 est vissée à son tour dans le manchon extracteur 26 lequel est pourvu intérieurement d'un ressort extracteur 27. Le tube il porte-verrous présente deux évidements 28 diaMr firaleLIent opposés. Ce tube il est pourvu de deux verrous opposés 29 pivotant autour d'une goupille élastique 30 servant d'arbore de pivotement. Les deux verrous 29 sont constamment sollicités par un ressort 31 à s'écarter de l'axe du tube intérieur 2 et à traverser les deux évidements 28. Le tube Interleur 2 comporte une bute de suspension 32 formée par un rebord du manchon dé-Flecteur 12. Cette butée de suspension 32 est destinée à coopérer avec la bague de suspension 9 du tube extérieur 1. Ainsi, l'ensemble des pièces 10 à 32 forme le tube intérieur 2 conventionnel et dans cet ensemble, les pièces 10 à 24, 29 à 32 constituent la tête du tube intérieur. Dans le tube extérieur 1, le tube intérieur 2 formè un passage continu d'un débit d'eau produit en surface par une pompe non représentée, équipée d'un manomètre. Le débit d'eau est destiné à traverser la zone de forage et de carottage pour refroidir énergiquement la couronne de sondage 7 et pour évacuer de bas en haut les débris de sondage entre le tube extérieur 1 et la paroi du trou foré. Dans exemple choisi, le passage d'eau dans le tuba extérieur 1 est formé d'abord par le tube extérieur lui-même, au-dessus du tube intérieur 2. Ensuite, de haut en bas, la passage d'eau est délinité entre le tube 11 porte-verrous et la tige creuse 3 et est poursuivi par les évidements 28 à l'intérieur de ce tube 11, d'où il se prolonge vers le bas à l'intérieur du manchon déflecteur 12. Par après, le passage d'eau repasse par des ouvertures latérales 33 du manchon déflecteur 12 entre celuI -ci et la tige creuse 5.Plus bas, le passage d'eau continue entre les tiges creuses 5 et 6 du tube extérieur 1 d'une part et l'arbre plein 13 avec ses accessoires, le support 24 et les tu bes 25 et 26 du tube intérieur 2, d'autre part Enfin, le pas saga d'eau débouche inférieurement entre le porte-ex-racteur 26 et la couronne de sondage 7 pour atteindre la zone de sondage et de carottage. Conformément à l'idée inventive, la tête du tube inté- rieur 2 comporte une soupape réglable 34 de contrôle du débit d' eau d'alimentation de la zone de sondage et de carottage. La soupape de contrôle 34 est branchée dans le tassage de ce débit d'eau. De préférence, la soupape de contrôle 34 se trouve lé gercement en dessous des verrous 29 et plus précisément au niveau du manchon déflecteur 12. 3n fait, dans l'exemple choisi, la soupape de contrôle 34 comprend un corps constitué par le manchon déflecteur 12 luimême, dans lequel est monté un obturateur sphérique 35 coopérant avec un siège annulaire 36 de la partie supérieure du manchon déflecteur 12. Lt obturateur sphérique 35 est constamment solli- cité vers le peut nar un ressort hélïcoïdal 37 taré pour être appliqué élastiquement sur le siège annulaire 35.La force de rappel du ressort hélicoïdal 37, c'est-à-dire la force d'appli- cation de l'obturateur 35 contre le siège annulaire 36, est réglable. Dans ce but, le ressort hélicoïdal 37 repose contre une rondelle de réglage 38 du côté opposé å l'obturateur sphérique 35. La rondelle de réglage 38 est déplaçable axialement dans le manchon déflecteur 12 en étant solidarisée à une vis de réglage 39 vissée dans un écrou de support 40 lui-même vissé dans la partie inférieure taraudée de ce manchon déflecteur 12. Toute rotation de la vis de réglage 39 entraîne une translation axiale de la rondelle de réglage 38 et une variation de la force de rappel du ressort hélicoidal 37 de la soupape de contrôle 34. Avant une opération de sondage et de carottage, le tube intérieur 2 est descendu dans le tube extérieur 1 avec la soupape de contrôla 34 fermée. La pompe injecte alors de l'eau dans le tube extérieur 1 au-dessus de la tête du tube intérieur 2. L'eau injectée est revenue par 11 obturateur sphérique 35 appliqué contre le siège annulaire 36 sous l'action de la pression exercée par le ressort hélicoldal taré 37. Lors de la descente du tube intérieur 2 dans le tube extérieur 1, la pression indiquée à la pompe ou plus précisément RU manomètre de cette pompe n'exode pas celle correspondant à la force de rappel du ressort hélicoldal 37, c'est-à-dire celle nécessaire à l'ouverture de la soupape de contrôle 34. Au moment e de arrivée du tube intérieur 2 en position inférieure propre au sondage et au verrouillage, la butée de suspension 32 de ce tube intérieur vient en contact avec la bague de suspension 9 du tube extérieur et le tube intérieur 2 est retenu et suspendu ainsi dans le tube extérieur 1, tandis que les verrous 29 du tube intérieur 2 pénètrent dans l'encoche annulaire 8 du tube extérieur 1 et le tube intérieur 2 est verrouillé ainsi par rapport au tube extérieur 1. - Aussitôt après la mise en position suspendue et ver rouillée du tube intérieur 2 dans le tube extérieur 1, inie augmentation de pression d'eau par la pompe occasionne l'admission subséquente d'eau dans ce tube extérieur 1, au-dessus de ce tube intérieur 2. Dès lors, lorsque la pression croissante de l'eau dans l'appareil carottier au niveau de la soupape de contr8le 34 atteint et dépasse celle correspondant à la force de rappel du ressort hélicoïdal 37, cette soupape de controle 34 s'ouvre et un débit d'eau traverse le passage précité du tube intérieur 2 dans le tube extérieur 1 aussi longterlps que ces pressions restent pareilles l'une par rapport à l'autre. En fait, la pression d'eau qui existe au niveau de la soupape de contrôle 34 et qui équilibre la force de rappel réglable du ressort hélicoldal 37 correspond à une pression prédéterminée indiquée à la pompe. Le réglage de la vis 39 dans la soupape de contrôle 34 est tel.que cette pression prédéterni- née indiquée à la pompe soit-au moins égale à la pression d'eau due à la différence des niveaux d'eau entre le niveau phréatique et le niveau de la pompe en surface, lorsque la profondeur de sondage et de carottage dépasse ce niveau phréatique ou au moins égale à la pression d'eau due à la différence des niveaux d'eau entre le fond du trou foré et le niveau de la pompe en surface, lorsque la profondeur de sondage et de carottage n'atteint pas le niveau phréatique. La pression prédéterminée indiqude de la ponte et provoquant ltouverture de la soupape de contre 34 est donc essentielle dens le fonctionnement et la mise en oeuvre de l'appareil carottier actuel. Dans ces conditions, a le lecture au manomètre de la pompe d'une pression supérieure à la pression prédéterminée en question, l'operateur est certain ae la posItion correcte suspendue et verrouillée du tube intérieur 2 dans le tube extérieur et dupassege de l'eau jusqu'en dessous de la couronne de sondage 7 quel que soit le niveau phréatique de l'eau dans le sôl. L'opérateur peut alors mettre en marche le moteur de rotation du tube extérieur 1 pour produire le sondage du sol et pour former une carotte de roche engagée progressivement dans le manchon ex- tracteur 26 et le tube réceptacle 27. Après formation de la carotte, la pompe est arrêtée et la pression de l'eau diminue et devient nulle à son manomètre. De même, le moteur d'entraînement du tube extérieur 1 est aussi stoppé. Dès lors, la soupape de contrôle 34 se ferme et le tube intérieur 2 peut être relevé pour Cotre d'abord déverrouillé et ensuite remonté à la surface afin de récupérer la carotte. De la sorte, d'une manière générale, la soupape de réglage 34 reste fermée pendant la descente du tube intérIeur 2 jusqu'à miss à butée et verrouillage dans le tube extérieur 1, s'ouvre ensuite pour le carottage sous o l'effet d'une augmen- tation de pression indiquée à la pompe motrice pour que cette pression dépasse la pression prédéterminée susdite et se referme ensuite après carottage, sous l'effet dtune diminution de cette pression due à l'arrêt de la pompe, en vue du déverrouil lage et de la remontée du tube intérieur 2. Il est à noter qu'en cours de sondage et de carottage une brusque augmentation de la pression indiquée à la pompe informe nrnédi2temerS l'opérateur c'il y a une perte de charge anormale, par exemple une obstruction de passage de l'eau au niveau de la couronne de sondage 7 et qutil y a lieu d'arrêter la rotation du tube extérieur 1 pour ne pas détruire cette couronne de sondage 7 diamantée et conséquemment onéreuse. revendications 1.- Appareil carottier du type à cabale, correnant dans un tube extérieur formé par un train de tiges creuses et pourvu Inférieurement d'une couronne de sondage, un tube intérieur équipé inférieurement d'un manchon extracteur de carotte et supérieurement d'une tête, laquelle est suspendue à un câble pour l'extraction et éventuellement la descente du tube intérieur, la tête du tube intérieur présentant d'une part, une butée de suspension reposant en position de sondage sur une bague de suspension du tube extérieur, et d'autre part, des moyens de verrouillage engagés en position de sondage dans une enccche annulaire de verrouillage de ce tuoe extérieur, le tube intérieur forlm,ant de haut en bas dans le tube extérieur un passage d'eau pour admettre dans la zone de sondage, sous l'action d'une pompe en surface, un débit d'eau re roidissanb la couronne de sondage et évacuant de bas en haut les débris de sondage entre le tube extérieur et la paroi du trou foré, caractérisé en ce que la tête du tube intérieur comporte une soupape réglable de contrôle du débit d'eau, fonctionnant sous l'action de la pompe, au-dessus d'une pression d'eau prédéterminée, indiquée a le pon- pe et au moins égale à la pression d'eau d å la difrence des niveaux d'eau entre le niveau phréatique et le niveau de 12 pompe en surface, lorsque la profondeur de sondage et de carottage dépasse ce niveau phréatique ou au moins égale à le pression d' eau due à la différence des niveaux d'eau entre le fond du trou foré et le niveau de la pompe en surface, lorsque la profondeur de sondage et de carottage n'atteint pas le niveau phréatique, de manière - à rester fermée pendant la descente du tube intérieur dans le tube extérieur jusqu'à la mise à butée de la tête de ce tube intérieur contre la bague de suspension et verrouillage de la dite tête dans l'encoche de verrouillage, - à s'ouvrir ensuite pour le carottage, sous lteffet d'une aug mentation de la pression indiquée à la pompe, pour que cette pression soit plus grande que la pension prédéte-m.inée sus dite, - et à se refermer enfin après le carottage sous l'effet d'une diminution de cette pression produite par l'arrêt de la pompe, en vue du déverrouillage et de la remontée du tube intérieur avec la carotte. 2.- Appareil carottier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soupape de contrôle réglable comprend dans un corps formé par un manchon constitutif de la tête du tube intérieur, un obturateur sphérique sollicité axialement vers le haut par un ressort de rappel, à prendre eppui élastiquement sur un siège annulaire formé par le partie supérieure du corps, le ressort de rappel prenant appui inférieurement sur une rondelle de réglage déplaçable axialement dans ce corps 3. - Appareil carottier selon la revendicetion 2, carac- térisé en ce que le ranchon formant le corps de la soupape de contrôle réglable est le manchon déflecteur de la tête du tube intérieur.