Brevet FR2356802A1 — publié le 19780127

La présente invention concerne le domaine du forage de puits de grande profondeur, et a pour objet un dispositif de forage profond entratné en rotation et actionné à percussion par des explosifs ou par du gaz combustible. les dispositifs de forage profond existants, qui sont actionnés mécaniquement en rotation et à percussion présentent un faible rendement dans le cas du forage d'un puits de grand diamètre, du fait que des poids percutants trop grands conduisent souvent à un serrage et à la rupture de l'outil de percussion. Aussi est-il souvent néeessaire de continuer le forage à un diamètre réduit lors de forages profonds. le procédé connu de forage Rotary est très cottes et souvent inutilisable dans le cas de forages de grand diamètre dans des roches dures, à cause des forces énormes à transmettre. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. Elle a, en effet, pour objet un dispositif de forage profond essentiellement constitué par un tuyau principal entraîné de manière connue en rotation, ou en rotation en va-et-vient, par un dispositif d'entrainement, par un ensemble de percussion et de forage actionné en percussion par des explosifs, et par un dispositif d'amenée des explosifs, et de dégagement des douilles vides fonctionnant de préférence par circulation d'eau. Conformément à une caractéristique de l'invention, l'ensemble de percussion et de forage est constitué par un outil de percussion, par une chambre dtexplosion, par un corps de chargement de l'explosif, et par une chambre annulaire entourant la chambre d'explosion, débouchant dans le tuyau principal, et servant à l'évacuation des produits de forage. Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps de chargement présente une forme générale de cylindre étagé, avec une partie inférieure de plus gros diamètre, et est pourvu de deux alésages diamétralement opposés. La partie inférieure de plues gros diamètre est montée contre la paroi supérieure de la chambre d'explosion et présente sur sa face tournée vers la paroi de la chambre d'explosion des évidements semi-sphériques coopérant avec des billes poussées par des ressorts, en vue de l'assujettissement en rotation du corps de chargement. La rotation du corps de chargement en position d'explo sion de la charge et en position d'éjection de la douille vide est obtenue par l'intermédiaire d'un vérin à simple effet agissant sur la partie supérieure du corps au moyen de sa tige de piston et drun axe excentré. Conformément -à une autre caractéristique de l'invention, le dispositif d'amenée de 'explosif et de dégagement de la douille vide est constitué par deux conduites longeant le tuyau principal, et dont l'une sert à l'engagement et à l'amenée de ltexplosif, ainsi qu'à la commande du corps de chargement, et dont l'autre sert à ltévacuation de la douille vide. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'outil de percussion est monté pivotant sur la base d'une jupe concentrique à la chambre d'explosion, et pouvant coulisser à l'intérieur de cette dernière. Conformément à une variante de réalisation de l'invention, l'ensemble de percussion et de forage est constitué par une chambre d'explosion formée à sa partie inférieure par une membrane double, par une chambre de guidage et de maintien de l'outil, par un dispositif d'amenée, et par un dispositif d'allumage d'un gaz combustible. L'invention sera mieux comprise grâce à la description ciaprès, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins hématiques annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue d'ensemble en coupe du dispositif conforme à l'invention la figure 2 est une vue en coupe, à plus grande échelle de l'ensemble de percussion et de forage du dispositif, suivant la figure 1, et la figure 3 est une vue en coupe analogue à celle de la figure 2 d'une variante de réalisation du dispositif conforme à l'invention. Conformément à l'invention, et comme le montre plus particu lièrement, à titre d'exemple, la figure 1 des dessins annexés, le dispositif de forage profond est essentiellement -constitué par un tuyau principal 1 entraîné de manière connue en rotation, ou en ro tation en va-et-vient par un dispositif d'entraînement 2, par un ensemble de percussion et de forage 3 actionné en percussion par des explosifs, et par un dispositif d'amenée des explosifs et de dégage ment des douilles vides, formé par deux conduites 4 et 4', et fonc tonnant de préférence par circulation d'eau. L'ensemble de percussion et de forage 3, représenté à plus grande échelle à la figure 2, est constitué par un outil de percussion 5, par une chambre d'explosion 6, par un corps 7 de chargement de l'explosif, et par une chambre annulaire 8 entourant la chambre d'explosion 6. Cette chambre annulaire 8 se termine à sa partie supérieure en forme de cône, débouche dans le tuyau principal 1, et sert à l5évacuation des produits de forage vers ledit tuyau principal 1. l'outil de percussion 5 est monté pivotant au moyen de deux axes 9 sur la partie inférieure d'une jupe 10 coneentrique à la chambre drexplositon 6. Cette jupe 10 peut, en outre, coulisser à l'intérieur de la chambre 6 grâce à au moins deux axes 11 solidaires de la paroi de la chambre 6, et coopérant avec des rainures longitudinales 12 de la jupe 10. le pivotement de l'outil 5 est rendu possible, lors d'un soulèvement de l'ensemble 3, grâce à la prévision, d'une part, d'un évidement 13 d'un côté de la paroi de la jupe 10, et, d'autre part, d'une masselotte, ou analogue, non représentée, sur la face de outil tournée vers l'intérieur de la chambre 6, du coté opposé à l'évidement 13. l'outil 5 présente la forme d'un ovale dont le petit axe correspond à celui reliant les axes 9. le corps de chargement 7 présente la forme générale d'un cylindre étagé, dont la partie inférieure 14 est de plus gros diamètre, et est montée contre la paroi supérieure 15 de la chambre d'explosion 6. le corps 7 est pourvu de deux alésages 16 diamétralement opposés, reliés entre eux par une conduite transversale 17, et débouchant, en position de repos du dispositif, sur les conduites 4 et 4r, En vue de son arrêt en rotation, le corps 7 est, en outre, muni sur la face de sa partie inférieure 14 opposée à la paroi 15, d'évidements semi-sphériques 18, dans lesquels peuvent être poussées des billes 19 au moyen de ressorts 20. A sa partie supérieure, le corps 7 est pourvu d'un axe excentré 21 sur lequel agit la tige de piston 22 d'un vérin à simple effet 23. Ce dernier est commandé par la pression d'eau régnant dans la conduite 4 d'amenée de l'explosif au corps 7. l'équilibrage de la pression à l'intérieur du vérin 23 est réalisé au moyen d'une source d'eau extérieure provenant du puits 24 en cours de forage par l'intermédiaire d'une conduite 25 pourvue d'un filtre 26. La chambre d'explosion 6 est reliée à la chambre annulaire 8 par l'intermédiaire de trous 27 disposés à la partie périphérique supérieure de la paroi de ladite chambre 6, qui est, en outre, maintenue sous niveau d'eau constant par l'intermédiaire d'une soupape 28 la reliant au travers d'une conduite 29 et d'un filtre 30 au puits 24. Enfin, le corps de chargement 7 est relié. à la chambre 6 par l'intermédiaire d'un trou excentré 31 qui correspond dans sa position à la position occupée par l'alésage 16 portant la charge explosive 32 au moment de l'explosion de ladite charge. le dispositif de forage conforme à l'invention fonctionne de la manière suivante l'ensemble de percussion et de forage 3 est descendu au bout du tuyau principal 1 à l'intérieur du puits 24 délimité par des tubes 33 jusqu'à ce que l'outil 5 touche le fond du puits en laissant une légère possibilité de déplacement de la jupe 10 à l'intérieur de la chambre d'explosion 6. L'ensemble 3 est mis en rotation, ou en rotation en va-et-vient, au moyen du dispositif d'entrainement 2, et une charge explosive 32 est introduite à travers des vannes 34, 55 dans la. conduite 4 qui est reliée, à son extrémité sortant du puits, à une pompe 36. La charge 92 est alors acheminée sous pression dteau dans l'alésage 16 disposé, en position de repos du. corps 7, en face de la conduite 4.Arrivée dans cet alésage, la charge est maintenue par la partie arrière de sa douille, et obture l'alésage 16 provoquant une montée en pression à l'intérieur de la conduite 4. Cette montée en pression a pour effet d'actionner, par l'intermédiaire d'une conduite 37, le vérin 23, qui déplace le corps 7 vers sa position d'explosion de la charge, dans laquelle ce dernier est bloqué par les billes 19 coopérant sous l'action des ressorts 20 avec les évidements 18. Dans cette dernière position, le corps 7 déclenche, de manière connue, un percuteur non représenté qui fait exploser la charge.Sous l'effet de lfexplosion, il se produit à l'intérieur de la chambre 6 une onde de choc agissant dans un premier temps sur l'outil 5, de manière à ébranler le sol sous ledit outil, puis les gaz dus à lrexplosion sont évacués à travers les trous 27 dans la chambre annulaire 8, puis dans le tuyau principal 1. Pendant ce temps, une partie de l'eau se trouvant dans la chambre 6 est expulsée à travers un trou central 38 de l'outil 5, de manière à entraîner les produits de forage, et une autre partie de l'eau est entraînée par les gaz d'explosion.Ce mélange eau-gaz-produits de forage provoque un courant ascendant à l'intérieur de la chambre annulaire 8, qui à son tour provoque une dépression à la base de ladite chambre 8 ayant pour effet une aspiration partielle de l'eau entourant l'ensemble 3 dans le fond du puits 24, cette eau entraînant par ailleurs les produits de forage enlevés par les extrémités de l'outil 7. Lors de l'évacuation de l'ensemble eau-gaz-produits de forage à travers le tuyau principal 1, vers une fosse 39, le corps 7 continue à tourner sous l'effet de la pression d'eau à l'intérieur de la conduite 4 jusqu'à ce que les deux alésages 16 soient à nouveau alignés avec les conduites 4,4', l'alésage 16 portant la douille vide 40 étant maintenant en face de la conduite 4'. La circulation d'eau à travers les conduites 4,4' est alors rétablie par l'inter- médiaire des alésages 16 reliés entre eux par la conduite transversale 17, et la douille 40 est éjectée à travers la conduite 4' dans un bassin de récupération 41.En même temps, la pression à l'intérieur du vérin 23 baisse, et est équilibrée par la pression de l'eau dans le puits 24, par l'intermédiaire de la conduite 25 pourvue du filtre 26, le ressort dudit vérin 23 repoussant le piston dans sa position de repos entraînant ainsi le corps 7 dans sa position de départ. La chambre d'explosion 6 se remplit à nouveau d'eau à travers la soupape 28, la conduite 29 et le filtre 30, et le cycle cidessus est repris. De préférence, le puits 24 est maintenu en communication avec la fosse 39, et la pompe 36, alimentant les conduites 4,4' est reliée à aspiration au bassin de récupération 41. En outre, l'alimentation en charges explosives peut être effectuée, de manière connue, en un cycle automatique. Conformément à une variante de réalisation de l'invention, et comme le montre la figure 3, l'ensemble de percussion et de forage 3' fonctionne à sec et est alimenté en gaz combustible A cet effet, l'ensemble 3r est constitué par une chambre d'explosion 42 présentant à sa partie inférieure une membrane double 43, par une chambre 44 de maintien et de guidage de l'outil 5', et par un dispositif d'amenée et d'allumage d'un gaz combustible. La chambre 44 correspond sensiblement dans sa forme à la chambre d'explosion du mode de réalisation suivant les figures 1 et 2, et présente également une jupe coulissante 10', dans laquelle est monté pivotant l'outil 5t. Dans la chambre d'explosion 42 débouche une conduite 45 amenée de gaz terminée par un injecteur 46, et pouvant être fermée par un tiroir coulissant 47s ou analogue. L'échappement des gaz d'explosion hors de la chambre 42, s1effectue à travers une conduite 48 pourvue au-dessus de la chambre 42, d'un tiroir coulissant 49, et à son extrémité opposée à la chambre 42 d'un clapet de fermeire 50. La membrane double 43 est creuse en vue de son refroidissement par une circulation d'air saturé d'eau, cet air étant amené par l'intermédiaire d'une conduite 51, et se dégageant dans la chambre 42, après explosion à travers une soupape centrale 52, dont la partie de siège inférieure 53 agit, lors de ladite explosion, sur l'outil 5' par l'intermédiaire d'un axe 54 solidaire dudit outil 5'. L'allumage du gaz en vue de l'explosion est réalisé au moyen d'un dispositif 55 constitué par un ensemble cylindre et piston 56 en communication avec la chambre d'explosion 42 et agissant sur un contacteur relié à une batterie 57, ou autre source de courant, de manière à provoquer l'allumage d'une bougie 58, ou analogue. En outre, dans la chambre 59 renfermant le dispositif d' al- lumage 55 pénètre de l'air sous pression au moyen d'une conduite 60 reliée à la conduite 51. Enfin, l'outil 5t qui est muni du côté opposé à l'évidement 13tus de préférence sur l'axe 54, d'une masselotte 61, destinée à le faire pivoter lors d'une remontée de l'ensemble 3' à l'intérieur du puits, présente dans sa partie centrale un ou plusieurs trous 62 permettant le dégagement des produits de forage se trouvant sous l'outil lors de lrexplosion. L'évacuation de l'ensemble des produits de forage est effectuée par aspiration à travers le tuyau principal 1', l'air comprimé au cours de l'explosion apportant une poussée supplémentaire à ces produits à évacuer. les divers tiroirs coulissants utilisés sont de préférence du type à simple effet et sont commandés de manière connue par l'air sous pression amené par la conduite 51. Le dispositif suivant la figure 3 fonctionne de la manière suivante : L'ensemble 3' étant descendu au fond du puits, et étant en trainé en rotation, ou en rotation en va-et-vient, de l'air sous pression est amené par la conduite 51 et actionne le tiroir 49 dans le sens de la fermeture et le tiroir 47 dans le sens de l'ouverture. le gaz combustible est alors injecté à travers l'injecteur 46 dans la chambre 42. Dès que la pression de gaz désirée est atteinte, le tiroir 47 se ferme, et ensemble cylindre et piston 56 est actionné et agit sur un contacteur relié à la batterie 57, ou analogue, provoquant l'allumage de la bougie 58 et ainsi l'explosion du gaz dans la chambre 42. Sous l'effet de l'onde de choc, la membrane 43 a tendance à se déplacer vers le bas; ainsi, la partie inférieure 53 de siège de la soupape centrale 52 frappe sur l'axe 54 de manière à ébranler le sol sous l'outil 5'. Après l'explosion, le tiroir 49 est ouvert et le gaz de combustion est évacué à travers la conduite 48 et le clapet 50 dans le tuyau 1'. L'air saturé d'eau servant au refroidissement de la membrane 43 pénètre alors dans la chambre 42, et le cycle recommence. Grâce à l'invention, il est possible de forer des puits de grande profondeur et de très gros diamètre, permettant, par exemple, la mise en place d'échangeurs de chaleur directement au fond des puits, et ainsi, une économie notable sur le cotit d'une installation complète de pompe de chaleur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. -REVENDiCATiONS- 1. Dispositif de forage profond, caractérisé en ce qu'il est essentiellement constitué par un tuyau principal entraîné en rotation, ou en rotation en va-et-vient, par un dispositif dlen- tratnement, par un ensemble de percussion et de forage actionné en percussion par des explosifs, et par un dispositif d'amenée des explosifs et de dégagement des douilles vides fonctionnant de préférence par circulation d'eau. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de percussion et de forage est constitué par un outil de percussion, par une chambre d'explosion, par un corps de charge ment de l'explosif, et par une chambre annulaire entourant la chambre dtexplosion, débouchant dans le tuyau principal, et servant à ltéva- cuation des produits de forage 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'outil de percussion et de forage est monté pivotant sur la base d'une jupe concentrique à la chambre d'explosion, et pouvant coulisser à l'intérieur de cette dernière. 4. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le corps de chargement de l'explosif présente une forme-générale de cylindre étagé avec une partie inférieure de plus gros diamètre, et est pourvu de deux alésages diamétralement opposés, la partie inférieure de plus gros diamètre étant montée contre la paroi supérieure de la chambre d'explosion, et présentant sur sa face tournée vers ladite paroi des évidements semi-sphériques qui coopèrent avec des billes poussées par des ressorts, en vue de l'assujettissement en rotation du corps de chargement. 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 et 4, caractérisé en ce que le corps de chargement peut être ae- tionné en rotation, en vue de son passage en position d'explosion de la charge et en position d'éjection de la douille vide, au moyen d'un vérin à simple effet agissant avec sa tige de piston sur un axe excentré solidaire de la partie supérieure du corps. 6. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'amenée de l'explosif et de dégagement de la douille vide est constitué par deux conduites longeant le tuyau principal, et alignées en position de repos du corps de chargement avec les alésages de ce dernier, l-'une de ces conduites étant destinée à l'engagement et à l'amenée de l'explosif, ainsi qu'à la commande du corps de chargement, et l'autre servant à l'évacuation de la douille vide. 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'outil de percussion et de forage présente la forme d'un ovale, dont le petit axe correspond à celui reliant les axes de pivotement de l'outil sur la jupe, cette dernière étant munie d'un côté, dans le sens du grand axe de l'outil, d'un évidement permettant le basculement dudit outil, lequel est pourvu, du c8té opposé à l'évidement, d'une masselotte. 8. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre d'explosion est pourvue à sa partie périphérique supérieure de trous traversant la paroi de ladite chambre. 9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2, 3 et 7, caractérisé en ce que l'outil de percussion et de forage est pourvu dans sa partie centrale d'un ou de plusieurs trous. 10. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de percussion et de forage est constitué par une chambre d'explosion présentant à sa partie inférieure une membrane double, par une chambre de maintien et de guidage de l'outil, munie d'une jupe coulissante, par un dispositif d'amenée et par un dispositif d'allumage d'un gaz combustible. 11. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que dans la chambre d'explosion débouche une conduite d'amenée de gaz terminée par un injecteur et pouvant être fermée par un tiroir coulissant, ou analogue. 12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la chambre d'explosion est munie d'une conduite d'évacuation des gaz pourvue du côté de la chambre d'un tiroir coulissant, et du c8té opposé à la chambre d'un clapet de fermeture. 13. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la membrane double est creuse et est munie sur son bord d'une entrée d'air saturé d'eau reliée à une conduite d'amenée, et dans sa partie centrale d'une soupape d'échappement de cet air vers la chambre d'explosion après chaque explosion, la partie de siège infé rieure de cette soupape étant disposée immédiatement au-dessus d'un axe solidaire de l'outil de percussion et de forage, et agissant lors de l'explosion sur ledit axe. 14. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif d'allumage est constitué par un ensemble cylindre et piston, en communication avec la chambre d'explosion, et par un contacteur relié, d'une part, à l'ensemble cylindre et piston, et, d'autre part, à une batterie, ou autre source de courant, ce contacteur étant, par ailleurs, relié à une bougie d'allumage, ou analogue. 15. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 10 et 13, caractérisé en ce que l'axe solidaire de l'outil est pourvu, du côté opposé à l'évidement de la jupe, d'une masselotte. 16. Dispositif suivant la revendication 13, caractérisé en ce que la conduite d'amenée d'air saturé d'eau est reliée aux tiroirs coulissants en vue de leur commande.