Brevet FR2414614A1 — publié le 19790810

La présente invention concerne un nouveau dispositif de forage de terrains dans lequel,pendant le fonctionnement du dispositif, le fluide d'irrigation balaie la zone de contact entre outil de forage et les terrains, suivant une direction radiale dirigée de la paroi vers le centre du trou foré, ce qu'on désigne habituellement par "circulation inverse". L'intéret de forer en circulation inverse est bien connu des spécialistes et ne sera, en conséquence, pas rappelé ci. L'invention pourra entre bien comprise et tous ses avantages apparat- tront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées parmi lesquelles - la figure t représente schématiquement un mode de réalisation de l'inven tion, - la figure 2 est une vue de dessous de l'outil, - la figure 3 montre une variante de réalisation, - la figure 4 illustre une autre variante de réalisation, - la figure 5 montre le cas ou le dispositif utilise un outil de tout type connu associé à un élément d'obturation partielle du puits foré, placé au dessus de l'outil, - la figure 6 montre schématiquement un autre mode de réalisation de l'élé- ment d'obturation partielle, - les figures 7 et B montrent la constitution du manchon 32, - les figures 9 et 10 sont des vues en coupe, respectivement selon les lignes IX et X de la figure 6, - la figure 11 illustre une variante de réalisation de la figure 6 et - la figure 12 est une vue en coupe selon la ligne XII de la figure 11. La figure 1 représente schamétiquement le dispositif selon l'invention suspendu à l'extrémité d'un élément tubulaire 1 qui, dans le cas représenté sur cette figure, est constitué par une colonne rigide de forage entraînée en rotadepuis la surface par une table de rotation. Le dispositif selon l'invention comporte essentiellement un organe moteur 2, un organe de pompage 3 et un outil de forage 4. L'organe moteur 2 est fixé à l'extrémité de la colonne de forage 1 par tout moyen connu tel qu'un filetage 5. Cet organe moteur peut être constitué par un moteur électrique alimenté par des conducteurs associés à la colonne de forage 1. De préférence, on utilisera un moteur hydraulique dont l'orifice d'admission 6 communique avec l'alésage 7 de la colonne 1, pour tre alimenté en fluide sous pression, ce fluide servant également de fluide d'irrigation de outil 4 après avoir traversé le moteur hydraulique. L'organe de pompage 3, qui peut entre de tout type connu tel que, par exemple, mais non limitativement, une pompe commercialisée sous le nom de "pompe MOINEAU" est fixée à l'extrémité libre de l'organe moteur 2 par un organe de raccordement 6, fixé par exemple au moyen de filetages 9 et 10,d'une part au moteur 2 et d'autre part, à organe de pompage 3. Le rotor de l'organe de pompage est lié en rotation au rotor du moteur 2 par un arbre de liaison 11 qui traverse organe de raccordement 8. L'organe de pompage 3 est relié à son extrémité libre avec l'outil de forage 4, par exemple au moyen d'un raccord 12 fileté en 13 et 14, et l'orifice 15 d'admission de la pompe 3 communique avec un alésage central 16 pratiqué dans l'outil, cet alésage débouchant au voisinage immédiat du front de taille. L'orifice 17, par où sort le fluide sous pression ayant traversé le moteur 2 communique, par un canal 18 pratiqué dans l'organe de raccordement 8, avec un orifice 19 par où le fluide est éjecté dans espace annulaire 23 délimité entre le dispositif selon l'invention et la paroi du puits foré. Cet orifice 19 est situé à une distance H de l'outil aussi courte que possible. L'orifice 20 de sortie de la pompe communique par un canal 21 pratiqué dans l'organe de raccordement 6 avec un orifice 22 par ou le fluide est éjecté dans l'espace annulaire 23. Cet orifice 22 est situé à une distance H' de l'outil 4 supérieure à la distance H indiquée plus haut. L'outil 4 est un outil de type massif ayant une surface active munie d'éléments d'attaque des terrains tels que des diamants, qui se prolonge sur une portion de la paroi du puits. Comme on peut le voir sur la figure 2 qui est une vue de dessous de outil 4, des canaux 4a de section déterminée permettent au fluide d'irrigation d'atteindre le front de taille 24 (figure 1). Le fonctionnement du dispositif est indiqué ci-dessous : La colonne de forage qui entrains l'outil en rotation, est alimenté an fluide sous pression. Celui-ci circule dans l'alésage 7 comme l'indiquent les flèches F (c..d. dans le sens de progression de I'outil), actionne le moteur hydraulique 2, puis est évacué dans l'espace annulaire 23 par l'orifice 19. Simultanément, le rotor de la pompe 3 est entrainé en rotation per l'arbre 21. La pompe qui aspire le fluide contenu dans l'alésage 16 de l'outil, facilite la circulation du fluide dans l'espace annulaire 9 et sur le front de taille dans le sens indiqué par les flèches F. Le fluide chargé en déblais qui pénètre dans la pompe 3 est rejeté dans l'espace annulaire 23 par l'orifice 22 situé au-dessus de l'orifice 19. Ce fluide chargé en déblais circule alors dans le sens indiqué par la flèche F', ctest-à-dire dans le sens opposé à celui de la progression de outil. En choisissant un orifice 19 de section supérieure à la somme des -sections des canaux 4a pour que le débit de fluide sortant de l'orifice 19 soit supérieur à celui irriguant l'outil, on peut, si nécessaire, obtenir qu'une fraction correspondante du fluide sortant de l'orifice 19 circule dans l'espace annulaire 23 dans le sens F', facilitant la remontée du fluide chargé en déblais et empêchant pratiquement toute recirculation du fluide chargé en déblais. Tout risque de recirculation du fluide chargé en déblais peut être supprimé en entourant le dispositif d'une bague 29 (fig. 4) dont le diamètre extérieur est inférieur au diamètre du puits foré, cette bague effectuant dans l'espace annulaire 23 une séparation entre la partie ou circule le fluide frais hon chargé en déblais, et celle ou s'écoule le fluide chargé en déblais Selon une première variante de réalisation dans laquelle organe moteur 2 est un moteur électrique, l'alimentation en fluide d'irrigation peut être effectuée comme indiqué en relation avec la figure 1 ou encore en injectant le fluide dans l'espace annulaire 23, l'évacuation du fluide chargé en déblais steffectuant par l'alésage de la colonne de forage. Selon une seconde variante de réalisation du dispositif, représentée sur la figure 3, et qui concerne le cas où est mise en oeuvre une colonne de forage rigide ou flexible à l'extrémité de laquelle est suspendu un moteur de fond destiné à assurer la rotation de outil. Dans ce cas l'organe moteur 2 sera de préférence constitué par le moteur de fond qui entrasse en rotation le rotor de la pompe 3 par l'interné- diaire de l'arbre 11. L'outil 4 est porté par un porte-outil 25 luimême entrat- né en rotation par le rotor 3a de la pompe 3 auquel il est relié par un axe 26 articulé d'une part, sur le rotor 3a et, d'autre part, sur le porte-outil 25 par des articulations schématisées en 27 et 28, par exemple du type cardan,per- mettant de compenser les écarts entre l'axe du dispositif qui correspond à l'axe de rotation de outil et l'axe du rotor de la pompe 3 lorsque par exemple elle est du type Moineau. Selon une autre variante de réalisation illustrée par les figures 5 et 6, l'outil massif peut être remplacé par tout type d'outil connu, tel qu'un outil tricône ayant un alésage central et associé à un élément 30 d'obturation partielle de l'espace où circule le fluide de forage non chargé en déblais. Sur a figure 5 cet élément 30 d'obturation partielle est constitué d'une bague fixée par des vis 31 sur le porte-outil, cette bague ayant un diamètre extérieur inférieur au diamètre du trou foré, le jeu entre la bague et la paroi du puits permettant ltécoulement du fluide de forage comme le montrent les flèches F. La figure 6 représente un second mode de réalisation de l'élément d'obturation 30 qui comporte un manchon élastique étanche 32 entourant le porteoutil. Ce manchon est, par exemple, constitué par un élastomère 32a (figures 7 et B) et peut comporter des armatures de renforcement telles qu des lames métalliques élastiques 33 (figure 7) ou des enroulements hélicoidaux de fils ou torons 34 (figure B). Lorsque le manchon 32 n'est soumis à aucune force extérieure, sa forme est de préférence sensiblement cylindrique. Les extrémités de ce manchon sont fixées de façon étanche à des bagues 35 et 36 respectivement. L'une d'elles, la bague 35 par exemple, est maintenue entre deux épaulements 37 et 38 du porte-outil autour duquel elle peut tourner librement. Sur la partie gauche de la figure 6 le maintien en position de la bague 35 est assuré par les faces parallèles de cette bague 35 qui ont reçu un traitement approprié pour permettre leur glissement sans usure contre les faces des épaulements 37 et 38. On peut également maintenir en position la bague 35 en utilisant des butées telles que des butées à rouleaux coniques 42 représentées sur la partie droite de la figure 6. Dans les deux modes de réalisation l'étanchéité entre la bague 35 et le porte-outil est assurée. La bague 36 est montée coulissante le long du porte-outil autour duquel elle peut également tourner. Cette bague est soumise à l'action d'un ressort 39 du type hélicoidal qui tend à rapprocher la bague 36 de la bague 35. Ce ressort Frend appui d'une part, sur la bague 36 et, d'autre part, sur un épaulement 40 du porte-outil avec de préférence interposition d'une butée à billes 41 qui facilite la rotation du ressort 39 lorsque cette butée est interposée entre l'épaulement 40 et le ressort 39 ou permet la rotation de la bague 36 par rapport au ressort 39, lorsque cette butée est interposée entre ces deux élémente. De préférence, la surface extérieure du manchon 32 porte des rainures 43, comme représenté sur la figure 9 qui est une vue en coupe selon la ligne IX-IX de la figure 6. Ces rainures pourront être parallèles à l'axe du manchon, ou avoir une forme hélicoidale à grand pas d'enroulement. Comme on peut le voir sur la figure 6, le manchon 32 délimite avec la surface extérieure du corps 6 un espace 44 qui communique avec l'alésage du porte-outil par des orifices 44a dans le mode de réalisation représenté sur la partie droite de la figure 6 ou avec la portion de espace annulaire surmontant immédiatement l'outil par des cannelures 45 de la bague 36 comme représenté sur la partie gauche de la figure 6 et sur la figure 10 qui est une vue en coupe selon la ligne X-X de la figure 6. Bien entendu, ces modes de réalisation ne sont pas exclusifs et on peut par exemple prévoir un mode de réalisation mettant en oeuvre une bague 36 cannelée et des orifices 44a dans la paroi du porteoutil. Dans tous les cas, il est aisé de comprendre que l'espace 44 communique par les orifices 44a et/ou les cannelures 45 avec des espaces où 11 organe de pompage 3 (figures 10, 13) crée une dépression par rapport à la pression hydrostatique. Pendant le fonctionnement du dispositif, le manchon 42 est automatiquement déformé en fonction des forces extérieures qui lui sont appliquées et correspondent : a) à la force exercée par le ressort 39 sur la bague 36, qui tend à augmen ter le diamètre extérieur du manchon 32 en rapprochant les extrémités de ce manchon, et b) à la force résultant de la différence de pression s'exerçant sur les parois interne et externe du manchon 32. Cette différence de pression est au plus égale à la différence de dépression AP' créée par l'organe de pompage 3. Par construction, ltéquilibre de ces forces est réalisé lorsque le diamètre extérieur du manchon est légèrement inférieur au diamètre du forage. Si le diamètre du puits foré diminue, l'étanchéité entre la paroi du forage et le manchon 32 augmente et la dépression de part et d'autre de la paroi du manchon croit, provoquant une diminution de son diamètre extérieur contre l'action du ressort 39, jusqu'à ce que I'équilibre des forces soit rétabli. Si le diamètre du puits augmente, la dépression de part et d'autre de la paroi du manchon diminue et l'action du ressort qui devient prépondérante, provoque un rapprochement des bagues 35 et 36, et donc une augmentation du diamètre extérieur du manchon, jusqu'au rétablissement de l'équilibre initial des forces. La réalisation de l'élément d'obturation partielle 30,telle que décrite en relation avec la figure 6,nécessite la mise en pompage du fluide de forage même pendant les périodes de manoeuvre de la colonne de forage, pour réintroduire ou extraire la colonne de forage du puits lors des opérations de changement de l'outil, ce qui limite la vitesse de déplacement de l'outil. Pour éviter cet inconvénient, on préfère le mode de réalisation illustré par la figure 11 dans lequel sont utilisés des moyens adaptés à ne déclencher la déformation automatique du manchon que lorsque l'outil est en contact avec le front de taille. Dans ce mode de réalisation l'outil 4 est fixé à l'extrémité d'un porte-outil intermédiaire de forme tubulaire et dont l'alésage est cannelé. Les cannelures 47 (figures 11 et 12) coopèrent avec les dents d'une couronne dentée 48 fixée à l'extrémité du porte-outil principal pour permettre un déplacement axial du porte-outil intermédiaire 46 par rapport au porte-outil principal. Deux butées 49 et 50 fixées sur le porte-outil intermédiaire 46 limitent le déplacement du porte-outil principal, la butée 49 servant de surface d'appui au ressort 39. Pendant les périodes de forage, l'outil est en contact avec les formations géologiques, comme le montre la partie droite de la figure 11. La couronne dentée 48 est alors en contact avec la butée 50 et le ressort 39 a rapproché la bague 36 de la bague 35 de sorte que le manchon 32 est déformé et l'ensemble fonctionne comme indiqué précédemment. Lorsqu'on remonte la colonne de forage, par exemple pour changer l'outil, on observe tout d'abord un déplacement du porte-outil principal par rapport au porte-outil intermédiaire 46 jusqu'a ce que la couronne dentée 48 soit au contact de la butée 49. Dans cette position représentée sur la partie gauche de la figure 11 le ressort 39 n'exerce plus aucune force sur le manchon 32 qui reprend sa forme initiale pour laquelle il a un diamètre extérieur notablement plus faible que le diamètre du puits. Dès lors, le manchon 32 ne s'oppose plus, par effet de pistonnage,au déplacement rapide de la colonne de forage. Lors de la réintroduction de la colonne de forage dans le puits le même phénomène se produit jusqu'à ce que l'outil 4 entre en contact avec le front de taille ; dès lors, un déplacement supplémentaire de la colonne de forage provoque la déformation du manchon 32. Des modifications pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Ainsi,les moyens d'obturation partielle repré- santés sur les figures 5, 6 et Il pourront, dans le cas où l'outil est entraîné en rotation par un moteur de fond (fig. 3), être fixés sur le corps de l'organe de pompage 3, ce qui permet de simplifier la fixation de la bague 35 qui nta pas alors besoin d'être montée tournante autour de l'organe de pompage puisque ce dernier n'est pas entraîné en rotation. R EV E N 'lIC A T IONS 1. - Dispositif de forage d'un puits mettant en oeuvre un outil pourvu d'un alésage central, pouvant être entrainé en rotation et irrigué par un fluide de forage qui s'écoule de la périphérie vers le centre de l'outil, ce dispositif étant suspendu à l'extrémité d'une colonne tubulaire de forage, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison un organe moteur pouvant être alimenté en finernie une nonne dont l'orifice d'admission communique en permanence avec organe l'alésage de l'outil, ladite pompe étant actionnée par ledit/moteur, et des moyens d'obturation partielle pour créer une perte de charge dans l'écoulement du fluide de forage avant l'irrigation de l'outil. 2. - Dispositif selon la revendication 1 pour lequel l'alimentation en fluide de forage est assurée par ltespace annulaire délimité entre la colonne de forage et le puits foré, caractérisé en ce que ladite pompe a un orifice de sortie qui communique en permanence avec l'alésage interne de la colonne tubulaire de forage. 3. - Dispositif selon la revendication 1 pour lequel l'alimentation en fluide de forage est assurée à travers l'alésage de la colonne de forage, caractérisé en ce qu'il comporte un premier et un second orifices débouchant dans ltespace annulaire délimité entre le dispositif et la paroi du puits1 ledit premier orifice communiquant avec l'alésage interne.de la colonne de forage, et ledit second orifice communiquant avec Orifice de sortie de ladite pompe, la dis- tance entre outil et ledit second orifice étant supérieure à celle séparant l'outil dudit premier orifice. 4. - Dispositif selon une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit moteur est un moteur électrique. 5. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit moteur est un moteur hydraulique actionné par le fluide de forage. 6. - Dispositif selon la revendication 3,dans lequel un moteur hydraulique de fond destiné à entraîneur l'outil en rotation est fixé à l'extrémité de la colonne de forage, caractérisé en ce que ledit organe moteur est constitué par ledit moteur de fond et en ce qu'il comporte des moyens liant en rotation outil et le rotor de ladite pompe. 7. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'outil a une forme massive dont la section droite est sensiblement égale à celle du trou, cet outil massif constituant lesdits moyens d'obturation partielle. 8. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'obturation partielle comportent une bague dont le diamètre extérieur est inférieur au diamàtre du trou foré, cette bague entourant le dispositif et étant placée dans l'écoulement du fluide de forage. 9. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'obturation partielle ont un diamètre extérieur variable automatiquement pour s'adapter au diamètre du puits foré, ces moyens d'obturation partielle entourant le dispositif et étant placés dans l'écoulement du fluide de forage. 10. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens d'obturation comportent un manchon élastique étanche entourant le dispositif et délimitant avec celui-ci un espace confiné soumis à la pression régnant eu voisinage du front de taille de l'outil, l'une des extrémités du manchon pouvant coulisser le long du dispositif par rapport auquel les deux extrémités du manchon peuvent tourner. 11. - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'extrémité coulissante dudit manchon est la plus proche de l'outil et est solidaire d'une bague coulissante et en ce qutil comporte des moyens élastiques constitués par un ressort prenant appui, d'une part, sur cette bague coulissants, et, d'autre part, sur un épaulement du dispositif, ces moyens élastiques tendant à rapprocher l'une de l'autre les extrémités dudit manchon. 12. - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite bague coulissante est pourvue de cannelures transmettant en permanence audit espace confiné la pression régnant au voisinage du front de taille de l'outil. 13. - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que des orifices pratiqués dans la paroi du dispositif font communiquer en permanence l'orifice d'admission de ladite pompe et ledit espace confiné. 14. - Dispositif selon une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qutil comporte des moyens annulant l'action dudit ressort lorsque l'outil n'est plus en contact avec le front de taille. 15. - Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits moyens d'annulation de l'action des moyens élastiques comportent un porte-outil intermédiaire tubulaire porté par le dispositif et à l'extrémité duquei est fixé l'outil, cc porte-outil pouvant coulisser axialement par rapport au dispositif entre deux positions extrêmes, ledit ressort prenant appui sur ledit porte-outil pour être totalement détendu dans l'une des positions extrêmes du porte-outil et être comprimé dans l'autre position extrême du porte-outil.