Brevet FR2452583A1 — publié le 19801024

L'invention se rapporte à un système de forage en circulation inverse avec remontée de la boue de forage chargée des déblais. La remontée d'un fluide par un tube à l'intérieur duquel on crée une dépression par injection d'air à un certain niveau est un procédé connu en soi. Cependant il n'existe actuellement aucun système pratique de mise en oeuvre de cé procédé. L'objet de l'invention est un dispositif de mise en oeuvre de procédé de remontée en surface de la boue de forage chargée de déblais, à l'intérieur du train de tiges, au moyen d'une dépression créée dans la partie supérieure du train de tiges au moyen d'un injection d'air dans la boue chargée des déblais provenant de l'outil de forage, caractérisé en ce que l'injection d'air s'effectue au moyen d'un touret à la partie supérieure du train de tiges, le touret étant formé d'un canal interne pour le passage de la boue de forage chargée des déblais du forage et d'une partie annulaire dans laquelle l'air est injecté, sa partie inférieure étant raccordée à un tubage double tube pourvu d'un diffuseur d'air, la communication de l'espace annulaire compris entre les tubes du tubage avec le tube interne s'effectuant au moyen de clapets disposés sur un canal du diffuseur raccordé au tube interne et donnant passage à l'air lorsque la pression d'air injecté est supérieure à la pression de la boue dans le canal du diffuseur, ce dernier étant raccordé au train de tiges à l'extrémité inférieure duquel est fixé l'outil de forage. Ainsi contrairement aux installations antérieures nécessitant non seulement des dispositifs particuliers plus ou moins complexes pour créer la dépression nécessaire à la remontée de la boue, mais encore l'emploi de tubes d'injection d'air pour l'alimentation de ces dispositifs, il suffit de disposer d'un train doublestubes conventionnels que l'on associe à un diffuseur dont on raccorde le canal interne au train de tiges porteur de l'outil. La présence-de clapets à l'intérieur du diffuseur empêchant toute venue de boue à l'intérieur de l'espace intertubes du double tube il devient possible d'effectuer un forage rapide, l'ajout d'un nouvel élément de tube ne devenant qu'une opération banale. De même, la suppression de toute canalisation particulière d'injection d'air soit à l'extérieur soit à l'intérieur de tubes conventionnels ou auxiliaires permet d'effectuer des forages de très faibles diamètres tout en utilisant la méthode de circulation inverse par dépression et qui jusqu'à ce jour était impossi ble. L'invention permet donc tout aussi bien des forages de 60 cm (24 pouces) que des forages de 15 cm (6 pouces) et rnême inférieurs à ce diamètre. Un autre objet de l'invention est un dis-positif de mise e oeuvre du type indiqué ci-dessus dont le diffuseur se pressente sous la forme d'un simple raccord dont l'extrémité inférieure se raccorde au train de tiges porteur de l'outil de forage et l'extrémité supérieure à l'extrémité inférieure d'un double tube, l'espace inter tubes du double tube et son tube interne communiquant respectivement avec l'espace inter tubes du diffuseur et le canal interne porteur de clapets. I1 est donc possible d'utiliser le diffuseur comme un simple élément tubulaire dont le raccord inférieur mâle se raccorde à la partie supérieure du train de tiges porteur de l'outil et dont le raccord femelle supérieure se raccorde à l'extrémité inférieure d'un double tube, les clapets du canal interne faisant communi- quer l'espace inter tubes avec l'espace interne du canal lorsque la pression inter tubes est supérieure à la pression dans le canal. Un autre objet de l'invention est un dispositif de mise en oeuvre du procédé de remontée en surface de la boue de forage du type indiqué et comportant deux diffuseurs le diffuseur supérieur étant raccordé entre deux doubles tubes. Dans ces conditions il est aisé en présence d'eau de poursuivre un forage en utilisant ce procédé même lorsque la profondeur atteinte par le diffuseur est telle que la pression dans son canal interne atteint celle de l'air d'injection. I1 suffit alors de raccorder en dessous du niveau statique, par exemple à une vingtaine de mètres en dessous, un second diffuseur entre deux doubles tubes pour permettre à nouveau l'utilisation du procédé. Le diffuseur supérieur prend ainsi le relais du diffuseur inférieur devenu inutilisable en raison de la trop forte pression à l'intérieur du canal du diffuseur inférieur connecté au train de tiges.La boue reçoit alors l'injection d'air par les clapets du diffuseur supérieur et remonte dans le tube interne du train doubles tubes, le circuit d'air inter tubes - tLdiffuseur inférieur étant court circuité par le diffuseur supérieur - I1 va de soi que l'on peut utiliser tout type de raccordétanche entre le raccord inférieur du diffuseur et le raccord d'un double tube. D'autres objets et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante faite en référence aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 représente une vue schématique en élévation de l'ensemble du dispositif en cours de fonctionnenent, La figure 2 une vue en élévation schématique et éclatée des principaux organes du dispositif, La figure 3 une vue schématique en coupe axiale du diffuseur et La figure 4 la section du diffuseur selon le plan IV-IV de la figure 3. L'injection d'air destinée à créer une dépression dans le tube interne 11 figures 1 et 2 du double tube 3 s'effectue en raccordant le tube 12 du touret 2 à un compresseur non représenté, le compresseur pouvant être quelconque. La partie supérieure du touret 2 fait partie de préférence d'un ensemble 14 incorporé à la tête de rotation schématisée en 15. L'extrémité supérieure de l'ensemble 14 est constituée par un touret 16 raccordé au tube 7 de diamètre suffisant pour assurer lors du fonctionnement le transit de la boue chargée des déblais de l'outil de forage 10 et allégée par les multiples inclusions d'air provenant du diffuseur 4. L'espace annulaire 13 du touret d'injection d'air 2 est raccordé à l'espace annulaire 18 du tubage double tube 3 par tout raccord approprié 19. Celui-ci établit en outre la jonction étanche du conduit interne 20 au tube interne il. Le conduit 20 s'étend de préférence du touret 2 au touret 16. La table de rotation 15 entraîne le double tube 3 par la rotation du conduit 20 et le raccord 19. L'extrémité inférieure du double tube 3 comporte le diffuseur 4 qui s'y raccorde par exemple par le filetage 21. Dans le mode de réalisation considéré la partie inférieure du diffuseur 4 comprend un filetage 22 pour son raccordement à la partie supérieure du tubage simple 9. Un outil de forage 10 fixé à l'extre- mité inférieure du tubage 9 au moyen du raccord 23renvoie la boue en 9. Le raccordement du diffuseur 4 à la colonne 9 met en communication cette colobe avec le tubage interne 11 au moyen du canal 24 pourvus des clapets 25 mettant en communication l'espa- ce annulaire 26 du diffuseur 4 et l'espace intérieur 28 du canal 24 dès que la pression d'air en 26 est supérieure à la pression exercée en 28 par la boue de forage. Dans le mode de réalisation du diffuseur 4 représenté figures 2 et 3, le raccord femelle 27 permet la réception du raccord 21 du double tube 3 mettant en communication d'une part le canal interne 24 du diffuseur 4 avec le tube interne 11 du double tube 3 et l'espace inter tubes 26 du diffuseur avec l'espace inter tubes 18 du double tube 3. Le raccord mâle 22 que l'on raccorde à la partie supérieure du train de tiges 9 met en communication le canal 24 avec l'espace interne du train de tiges 9, l'espace annulaire inter tubes 26 se terminant en dessous de la zone de diffusion d'air. Bien que cette zone puisse comporter tout type de clapet permettant le passage de l'air de l'espace annulaire intertubes 26 à l'espace interne 28 en communication avec l'espace intérieur aux tubes 11 des doubles tubes 3, l'expérience montre que l'on peut aussi utiliser comme jeux de clapets 25 une série de simples passages 29 d'un tube 30 servant de support à une série d'obturateurs élastiques 31 én caoutchouc par exemple et maintenus sur le tube 30 au moyen d'une série de rivets 32 appliquant un simple fer plat 33 contre les obturateurs de caoutchouc 31. Ces derniers appliqués contre la paroi interrie du tube 30 sont soumis à la forte pression d'air arrivant dans l'espace annulaire 26 et diffusant à travers des passages 29 dans la chambre annulaire 34 comprise entre le canal 24 et le tube diffuseur 30.Cette chambre annulaire 34, de volume relativement réduit, entraîne une élimination permanente de toute infiltration de boue par les ouvertures 35 prévues dans le canal 24 et une excellente injection dans la boue chargée de déblais remontant par le train de tiges 9 dans le passage 28 du canal 24. Le dispositif diffuseur 4 est utilisé dès qu'un avant trou 1 qui peut éventuellement atteindre une vingtaine-de mètres a été foré soit par forage à l'air en circulation inverse si les formations rencontrées le permettent, soit par forage à la boue en circulation directe. On amène alors la boue provenant du bac de régénération 8 dans l'espace annulaire externe 6 entourant le tubage 3. La boue chargée des déblais de forage provenant de l'attaque des terrains par l'outil 10 remonte à l'intérieur du tubage 9 et de là, par le canal 24 du diffuseur 4 jusqu'à la surface par le tube interne 11. L'air sous pression injecté par le tube la du touret 2 descend dans l'annulaire 18 à l'intérieur du tubage 3 et parvient à l'annulaire 26 du diffuseur 4. La pression de l'air injecté est choisie pour entraîner l'ouverture de la série de clapets 25 qui entralnent une injection d'air dans la boue, de telle sorte que sa densité à l'intérieur du tube 11 diminue jusqu'à ce que, sous l'effet de la pression atmosphèrîque s'exerçant sur l'espace annulaire 6, et de la diminution de la densité de la boue contenue dans le tube 11 du tubage 3, la boue remonte par le tube 20 du touret 2 et retourne, par le tube de sortie 7 à large diamètre monté sur le touret 16, au bac de régénération 8. Ce bac pcut-être quelconque et comporte dans le schéma représenté un premier tamis 27 pour le rejet des déblais les plus grossiers. La dépression ainsi créée par le diffuseur 4 entraîne ainsi de façon continue la boue chargée de déblais provenant de l'outil 10 qui peut etre de tout type dès lors qu'il comporte des passages amenant boue et déblais à l'intérieur de la colonne 9. Si pour quelque raison que ce soit l'air n'est plus injecté à une pression suffisante les clapets 25 se ferment et la boue reprend une nouvelle position d'équilibre sans remonter par l'annulaire 18. Dans l'exemple représenté l'air retenu dans la chambre annulaire 34 favorise le maintien des obturateurs de caoutchouc 31 contre le tube 30 lorsque la pression de l'air injecté par le tube 12 décroît. La boue remontant du train de tiges 9 ne peut donc en aucun cas pénétrer dans l'espace 26. I1 est ainsi possible de procéder aisément aux opérations d'ajout de double tube 3 et il en résulte que dès que l'on rétablit la pression d'air d'injection, les clapets 25 s'ouvrent à nouveau entraRnant ainsi la circulation de la boue. On peut donc continuer de forer jusqu'à ce que le diffuseur 4 atteigne une profondeur où en raison de la pression de la boue les clapets 25 ne peuvent plus donner passage à l'air d'injection. I1 suffit alors d'ajouter, au niveau primitif du diffuseur 4, un second diffuseur qui permet à nouveau la remontée du mélange boue-air injecté par le tube interne 11 des doubles tubes 3 situés entre le touret 2 et le second diffuseur, les doubles tubes inférieurs ainsi que le premier diffuseur 4 ne jouant alors que le rôle auxiliaire du train de tiges 9. Bien que l'on n'ait décrit qu'un seul mode de réalisation du dispositif il est clair que l'on ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant tout système équivalent faisant passer l'air injecté dans un train de tiges double tube d'un tube à l'autre, soit par de simples orifices, soit par des clapets à ressort, des sytèmes à billes, à languettes ou similaires, ces divers dispositifs pouvant d'ailleurs etre incorporés à un double tube et non à un élément servant de raccord entre doubles tubes ou entre un double tube et un train de tiges simples. De même l'ensemble de rotation pourrait etre remplacé par tout système équivalent. REVENDICATIONS 10) Dispositif de mise en oeuvre du procédé de remontée en surface de la boue de forage chargée de déblais à l'intérieur du train de tiges au moyen d'une dépression créée dans la partie supérieure du train de tiges au moyen d'une injection d'air dans la boue chargée de déblais, caractérisé en ce que l'injection d'air s'effectue au moyen d'un touret disposé au dessus du train de tiges, le touret comportant un passage interne pour l'évacuation de la boue chargée de déblais et un espace annulaire relié à une source d'air sous pression, ledit espace annulaire et le passage interne étan-t raccordé respectivement à l'annulaire interne d'un tubage double tube et à son tube interne , l'annulaire interne communiquant avec un canal diffuseur de l'air injecté dans ledit annulaire, ledit canal faisant communiquer le train de tiges porteur de l'outil avec le tube interne du tubage double tube-. 20) Dispositif tel que revendiqué en 1 dont le canal du diffuseur comporte des moyens laissant passage à l'air injecté dans l'annulaire interne double tube lorsque la pression d'air injecté dans l'espace annulaire du diffuseur est supérieure à la pression de la boue dans le tube interne. 30) Dispositif tel que revendiqué en 1 dont le canal du diffuseur comporte des moyens interdisant tout passage de boue dans l'annulaire double tube. 40) Dispositif tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications i à 3 dont les moyens contrôlant le passage de l'air injecté dans le touret et dirigé dans l'espace inter tubes du tubage double tube sont des clapets disposés sur le tube interne d'un élément double tube. 50) Dispositif tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 4 dont les moyens mettant en communication l'espace annulaire interne trains doubles tubes et le tube interne raccordé au train de tiges porteur de l'outil est un diffuseur d'air comportant des obturateurs élastiques. 60) Dispositif tel-que revendiqué en 5 dont lesdits obturateurs sont montés sur la partie interne d'un support perforé cylindrique séparant l'espace annulaire inter tubes de la partie intérieure du tube interne, les perforations dudit support étant obturées par lesdits obturateurs dès que la pression de la boue devient supérieure à la pression d'injection d'air de l'espace inter tubes. 70) Dispositif tel que revendiqué en 6 dont le support des obturateurs et le tube interne forment un chambre annulaire communiquant avec la partie intérieure-du tube interne par des orifices du tube interne et avec l'espace inter tubes par les perforations du support normalement obturées par lesdits obturateurs. 80) Dispositif tel que revendiqué en 7 dont l'espace annulaire entourant ladite chambre annulaire obture l'espace inter tubes des doubles tubes. 90) Dispositif tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendication 1 à 8 dont la partie inférieure du diffuseur se termine par un raccord adapté au train de tiges et la partie supérieure par un raccord adapté aux filetages de la partie inférieure d'un double tube. 100) Dispositif tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 9 dont le canal interne du touret d'injection d'air se prolonge par un passage à travers la tête de rotation du train de tiges et se termine par une touret raccordé à un tube d'évacuation de la boue chargée de déblais vers un bac de régénération dont la boue régénérée est renvoyée dans l'espace annulaire entourant le train double tube le diffuseur et le train de tiges. 110) Dispositif tel que revendiqué en 10 dont la boue est renvoyée dans l'espace annulaire entourant un premier train doubles tubes, un diffuseur supérieur, un second train doubles tubes, un diffuseur inferieur et le train de tiges raccordé à l'outil. 120) Procédé de mise en oeuvre du dispositif décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 11 selon lequel on procède au forage avec ajout successif de doubles tubes jusqu'à ce que le diffuseur atteigne un niveau où la pression de la boue ne permet plus le passage d'air et selon lequel on utilise un second diffuseur que l'on raccorde à la partie supérieure à un niveau entraînant une différencie de pression suffisante entre la boue annulaire et la boue chargée de déblais pour un nouvel entraînement de la boue, le diffuseur inférieur servant exclusivement par son canal interne au passage de la boue provenant du train de tiges.