Brevet FR2482655A1 — publié le 19811120

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FORAGE L'invention concerne un procédé et un dispositif de forage d'un trou dans un sol. I1 existe actuellement divers dispositifs perforateurs qui réalisent des forages au moyen d'une tête de forage portant un ou plusieurs taillants et qui est soumise à la fois à un mouvement de rotation autour de son axe et à un mouvement de va et vient communiqué par des percussions. Cette tête est maintenue et guidée par un corps tournant dont elle obture la partie basse ; elle est disposée coaxialement par rapport audit corps et déborde à la périphérie de celui-ci de façon à forer un trou légèrement plus grand pour permettre lté- vacuation des matières désagrégées : ces matieres remontent autour du corps dans l'espace annulaire libre ainsi préservé, par l'action d'un soufflage pneumatique opéré au niveau de la tête. Un tel procédé de forage nécessite la mise en oeuvre de puissances élevées et entraîne, des consommations énergétiques importantes ; en effet, la tête de forage doit désagréger le sol sur toute l'étendue de sa surface circulaire et l'énergie de percussion consommée (communiquée généralement par voie pneumatique) de même que l'énergie de rotation consommée (communiquée généra-lement par une machine tournante hydraulique) sont considérables dès que le trou atteint un diamètre notable (par exemple supérieur à 200 mm). De plus, cette consommation d'énergie est encore accrue par le soufflage pneumatique nécessaire pour évacuer les sédiments. Notons que cette évacuation n'est pas toujours parfaite et que, pour certaines natures du sol, il se produit parfois un colmatage des orifices de soufflage. Par~ailleurs, on connaît des dispositifs dits carottiers, essentiellement composés par un conduit tubulaire tournant, qui sont utilisés pour prélever une carotte. La rotation du conduit tubulaire permet d'enfoncer celui-ci dans le sol et engendre le découpage d'une carotte qui se loge dans le conduit et est remontée avec celui-ci. Toutefois, ces cispositifs ont de bonnes performances, uniquement en sol tendre ou relativement tendre. Une utilisation en terrain dur provoque une usure considérable des organes taillants, cepen dant que la progression de l'outil dans le sol est extrêmement lente. La présente invention se propose d'indiquer un nouveau procédé de forage, entraînant des consommations énergétiques très réduites par rapport aux perforateurs connus et susceptible d'être mis en oeuvre sur tout terrain, en particulier en terrain dur. Un autre objectif de l'invention est de réduire considérablement les difficultés qui accompagnent l'évacuation des sédiments dans les perforateurs classiques de fa çon à permettre un forage dans de bonnes conditions, quelle que soit la nature du terrain. Un autre objectif est de réduire considérablement l'énergie nécessaire à l'évacuation, par rapport à cell-e dépensée dans les perforateurs classiques. A cet effet, le procédé de forage conforme à l'invention consiste à appliquer contre le sol à forer une pluralité de têtes de percussion réparties autour d'un axe XX' sur une surface annulaire entourant un volume creux centre sur ledit axe, à soumettre chaque tête de percussion à des percus sions périodiques vers le sol au moyen d'un frappeur, à entrainer l'ensemble des têtes de percussion dans un mouvement de rotation autour de l'axe XX' précité et à recueillir la portion de sol découpée sous forme de carotte cylindrique dans le volume creux précité. Ainsi, dans le procédé de l'invention, le sol n'est désagrégé que sur une surface limitée, constituée par la surface annulaire couverte par les têtes de percussion toute la partie de sol intérieure à cette surface n'est pas travaillée et se retrouve découpée et logée dans le volume creux situé au centre des têtes de percussion. Cette partie est remontée en fin de forage ou de temps à autre en même temps que les têtes. On réalise de la sorte des économies énergétiques considérables par rapport aux perforateurs classiques qui opèrent la désagrégation d'une surface correspondant à la surface totale du trou à forer. -En outre, dans le procédé de l'invention, la partie de l'énergie dépensée pour évacuer les sédiments est extrêmement réduite, puisque les sé diments ne proviennent que de la faible surface annulaire désagrégée et que la surface la plus importante du trou est dégagée de façon naturelle sous forme de carotte découpée dans le volume creux central, l'évacuation de cette carotte s'effectuant lors de la remontée du dispositif. En outre, le travail du sol sur la surface annulaire entourant le volume creux est réalisé par des têtes soumises à des percussions combinées avec un mouvement de rotation autour de l'axe central XX'. Stte combinaison de mouvements permet, contrairement aux carottiers classiques, de mettre en oeuvre le procédé de l'invention en terrains durs et d'effectuer des forages de tout diamètre dans ces derniers, avec des performances considérablement améliorées. De préférence, les têtes de percussion sont réalisées de façon à présenter chacune une dimension transvérsale inférieure à environ 8 fois le diamètre du volume creux central, en vue de couvrir lors de leur rotation une surface annulaire inférieure à environ 4 fois la section de ce volume creux. On conçoit, dans ces conditions, que la puissance de percussion nécessaire est considérablement plus faible que dans les perforateurs classiques. Les têtes de percussion peuvent être soumises individuellement ou en commun aux percussions périodiques ; toutefois, ces percussions leur seront de préférence appliquées individuellement au moyen d'un frappeur associé à chaque tête. L'énergie de percussion peut être communiquée à chaque frappeur de façon classique, par un fluide sous pression agissant alternativement, vers le sol pour engendrer la percussion et, en sens opposé, pour engendrer le retourdrilfrappeur; l'échappement du fluide est assuré de sorte que celui-ci débouche à la base des têtes de percussion de façon à permettre l'évacuation des sédiments désagrégés. Selon,une autre caractéristique du procédé de l'invention, on réalise chaque tête de percussion au moyen d'un taillant porté par une tige de longueur adaptée à la longueur de la carotte à découper et l'énergie de percussion est communiquée à chaque tige par choc du frappeur sur l'extrémité de celle-ci opposée au taillant , l'ensemble des tiges étant por té par un corps entrainé en rotation autour de l'axe précité. L'invention s'étend à un nouveau dispositif de forage, adapté pour mettre en oeuvre le procédé ci-dessus décrit. Ce dispositif est du type comportant un corps tournant autour d'un axe XX', des moyens d'accouplement dudit corps sur une machine tournante, situés en partie haute de ce corps, et des moyens d'alimentation en gaz comprimé selon la présente invention, ce dispositif comprend un pluralité de têtes de percussion réparties autour de l'axe XX' du corps et agencées sur une surface annulaire pour préserver un volume cylindrique creux central, délimité par lesdites têtes de percussion et s'étendant le long de l'axe XX', des moyens de guidage desdites têtes en translation parallèlement à l'axe XX', au moins un frappeur mobile situé en dehors du volume creux précité et agencé pour pouvoir présenter un mouvement de va et vient et soumettre les têtes de percussion à des percussions, et des moyens de distribution du gaz comprimé vers chaque frappeur en vue de mouvoir ledit frappeur selon un mouvement de va et vient. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comprend des moyens d'échappement du fluide après action sur le ou les frappeurs, débouchant en partie basse des têtes de percussion. Selon un mode de réalisation préféré, chaque tête de percussion est constituée par une tige longiforme portant à sa base un taillant et pourvu d'une extrémité supérieure située en regard du frappeur. En outre, le corps comprend, de préférence, au moins une paroi cylindrique d'axe XX' s'étendant le long des tiges et adaptée pour guider lesdites tiges logées dans celle-ci, une des faces de la ou desdites parois (face intérieure) délimitant le volume creux précité et une autre face (face extérieure) étant située au voisinage de la première. Un frappeur individuel peut être associé à chaque tête de percussion , dans ce cas, le corps comprend à sa périphérie, au-dessus de chaque tête de percussion, un carter contenant le frappeur qui est associé à la tête considérée et des moyens de distribution du gaz sous pression agencés pour communiquer audit frappeur son mouvement de va et vient. Selon un mode de réalisation conduisant à un dispositif de structure simple, le corps comprend une platine supérieure qui limite en partie haute le volume creux précité ; les moyens d'accouplement et moyens d'alimentation sont assujettis en position centrale au-dessus de ladite platine, cependant que la ou les parois cylindriques sont assujetties au-dessous de celle-ci et que les carters sont assujettis au-dessus de celle-ci au droit de la ou des parois cylindriques. En outre, pour réaliser un alésage précis du trou à forer, le dispositif peut être complété par des dents en matériau de résistance élevée (carbure ou autre matériau analogue) fixées en partie basse de la ou des parois cylindriques entre les têtes de percussion, de façon à déborder légèrement vers l'extérieur par rapport à la face extérieure. Les dents qui tournent avec le corps permettent de réaliser après désagrégation du terrain par les têtes, un trou aux contours précis. La description qui suit en référence aux dessins annexés présente à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention, destiné à illustrer cette dernière ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description . la figure 1 est une coupe par un plan axial AA d'un tel dispositif de forage, la figure 2 en est une vue de dessus, . la figure 3 en est une demi coupe par un plan transversal BB, ; la figure 4 est un schéma illustrant le fonctionnement dudit dispositif. Pour faciliter la compréhension, on a supposé dans la suite que le dispositif se trouvait en position verticale, les termes d'orientation ou positionnement se référant à cette position ; il est bien entendu que le dispositif peut travailler dans toutes positions. Le dispositif de forage représenté à titre d'exemple aux figures comprend un corps tournant 1 d'axe vertical XX' qui est essentiellement composé d'une platine horizontale 2, de deux parois cylindriques d'axe XX', intérieure 3 et extérieure 4, de plusieurs carters tels que 5, en l'exemple au nombre de huit, assujettis sur la platine 2 et d'un adaptateur 6 permettant d'accoupler le dispositif sur une machine tournante grâce à une bride d'accouplement 7 de type classique. L'adaptateur 6 porte un joint tournant 8 pour l'arrivée du gaz comprimé ; ce joint est associé à un clapet d'alimentation à ressort adapté pour ouvrir l'alimentation en cas de pression exercée vers le bas sur la bride d'accouplement 7 et pour fermer cette alimentation dans le cas contraire. Ces moyens sont de type connu et ne seront pas décrits plus en détail. Chaque carter 5 est fixé sur la platine 2 par des goujons et contient un frappeur 9 de type connu en soi, guidé parallèlement à l'axe XX'. Ce frappeur est associé à un organe de distribution d'air comprimé 10 comprenant une tubulure d'admission 10a qui est reliée aux moyens d'alimentation sus-évoqués. Cet organe de distribution peut être du type de ceux équipant les marteaux pneumatiques classiques et assure la distribution de l'air dans le carter 5 de façon à conférer au frappeur 9 un mouvement périodique de va et vient, composé d'un rapide mouvement aller vers le bas au cours duquel l'énergie pneumatique est mise en jeu et d'un mouvement retour. Après leur action sur le frappeur, les gaz sont amenés à sté- chapper par des orifices appropriés entre les parois 3 et 4 et débouchent à la base de ces parois. Par ailleurs, les parois cylindriques 3 et 4 sont assujetties au-dessous de la platine 2 de façon que les frappeurs9 se trouvent en regard du volume annulaire situé entre ces parois. Dans ce volume sont disposées des tiges longiformes 11 en face des frappeurs. Chaque tige s'étend le long des parois cylindriques, dépasse en partie haute de la platine 2 par une tête Ila située en regard du frappeur correspondant en vue de recevoir les percussions de celui-ci et dépasse en partie basse, par une extrémité llb adaptée pour permettre l'emboîtement d'un taillant 12, en particulier d'un taillant simple burin en carbure ou autre matériau de résistance élevée. Chaque tige lu possède une section polygonale et ses faces sont guidées, d'une part, par les parois cylindriques 3 et 4 du corps, d'autre part, par des taquets de guidage tels que 13 qui sont assujettis entre les deux parois cylindriques de façon à réunir celles-ci et qui ont une forme conjuguée de celle des tiges en vue d'assurer leur guidage par exemple, ces taquets peuvent présenter une rainure en V qui guide deux faces de la tige considérée, de part et d'autre d'une arête. En partie basse, l'espace annulaire compris entre les deux parois cylindriques 3 et 4 est fermé par des portions de couronne 14, solidaires de l'extrémité desdites parois et préservant entre elles le passage des tiges 11. Chaque taillant 12 emboité à l'extrémité basse d'une tige 11 présente une dimension transversale supérieure à celle de ce dernier augmentée de l'épaisseur des parois cylindriques, en vue de déborder légèrement à l'extérieur de la paroi extérieure 4 et à l'intérieur de la paroi intérieure 3. Par ailleurs, des dents en carbure 15 sont assujetties sur les portions de couronne 14 entre les taillants 12 (par exemple au nombre de huit chacune angulairement décalée de 22,5 par rapport aux taillants voisins). Ces dents 15 sont agencées avec leur arête coupante, tournant à peu près sur la même trajectoire circulaire que la partie externe des taillants afin de réaliser un alésage précis du trou après le travail desdits taillants dans le sens de la hauteur, elles sont en retrait par rapport aux taillants de façon que le travail de désagrégation du sol soit déjà réalisé par ceux-ci lorsque les dents interviennent. La figure 5 illustre le fonctionnement du dispositif de l'invention. La désagrégation du sol est effectuée par les taillants 12 soumis, d'une part, à des percussion individuelles, d'autre part, à un mouvement de rotation d'ensemble Le travail s'effectue sur une surface annulaire beaucoup plus faible que la surface totale du trou. Les sédiments de cette surface sont évacués, après désagrégation, vers l'extérieur sous l'action des gaz s'échappant à la base des parois cylindriques au niveau de chaque taillant. Dans ces conditions, le dispositif de l'invention est apte à travailler sur tout terrain, avec des consommations énergétiques très réduites par rapport aux perforateurs classiques. La partie de terrain découpée se loge à l'intérieur du volume creux V délimité par la paroi cylindrique 3 et est remontée en même temps que le dispositif. Notons que le léger débordement des taillants par rapport aux parois extérieure 4 et intérieure 3 évite un coincement du dispositif en facilitant sa pénétration aussi bien à l'extérieur en bordure du trou qu'à l'intérieur du côté de la carotte découpée. A titre d'exemple pour le forage de trous d'environ 66 cm de diamètre, les taillants peuvent avoir des dimensions transversales de l'ordre de 4 cm : la surface travaillée de l'ordre de 400 cm2 est alors plus de 8 fois moindre que la section totale du trou (de l'ordre de 3 400 cm2). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux termes de la description précédente, mais en comprend toutes les variantes. REVENDICATIONS 1/ - Procédé de forage d'un trou dans un sol, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer contre le sol une pluralité de têtes de percussion (11, 12) réparties autour d'un axe XX' sur une surface annulaire entourant un volume creux (V) centré sur ledit axe, à soumettre chaque tête de percussion à des percussions périodiques vers le sol au moyen d'un frappeur (9), à entraîner l'ensemble des têtes de percussion dans un mouvement de rotation autour de l'axe XX' précité et à recueillir la portion de sol découpée sous forme de carotte cylindrique dans le volume creux (V) précité. 2/ - Procédé de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque tête de percussion (11, 12) est soumise individuellement à des percussions périodiques, au moyen d'un frappeur (9) associé à chacune desdites têtes. 3/ - Procédé de forage selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'énergie de percussion est communiquée à chaque frappeur (9) par un fluide sous pression, agissant alternativement vers le sol pour engendrer la percussion et, en sens opposé, pour engendrer le retour dudit frappeur, l'échappement dudit fluide étant assuré de sorte que celui-ci débouche à la base des têtes de percussion. 4/ - Procédé de forage selon ltune des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on réalise chaque tête. de percussion au moyen d'un taillant (12) porté par une tige (11) de longueur adaptée à celle de la carotte à découper, l'énergie de percussion étant communiquée à chaque tige (11) par choc du frappeur (9) sur l'extrémité de ladite tige opposée au taillant (12), l'ensemble des tiges (11) étant porté par un corps (1) entraîné en rotation autour de l'axe XX' pré- cité. 5/ - Dispositif de forage pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, comportant un corps rotatif (1) d'axe XX', des moyens d'accouplement (7) dudit corps (1) sur une machine tournante, situés en partie haute de ce corps, et des moyens d'alimentation (8) en gaz comprimé, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de têtes de percussion (11 12) réparties autour de l'axe XX' du corps et agencées sur une surface annulaire pour préserver un volume cylindrique creux central (V) délimité par lesdites têtes de percussion et s'é- tendant le long de l'axe XX', des moyens de guidage (3, 4, 13) desdites têtes en translation parallèlement à l'axe XX', au moins un frappeur mobile (9) situé en dehors du volume creux (V) précité et agencé pour pouvoir présenter un mouvement de va et vient et soumettre les têtes (11, 12) à des percussions, et des moyens de distribution du gaz comprimé (10) vers chaque frappeur (9) en vue de mouvoir ledit frappeur selon un mouvement de va et vient. 6/ - Dispositif de forage selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque tête de percussion est constituée par une tige (11) longiforme portant à sa base un taillant (12) et pourvu d'une extrémité supérieure (lla) située en regard du frappeur. 7/ - Dispositif de forage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps (1) comprend au moins une paroi cylindrique (3, 4) d'axe XX' s'étendant le long des tiges 11 et adaptée pour guider lesdites tiges logées dans celle-ci, une des faces de la ou des parois (3) délimitant le volume creux (V) précité et une autre face (4) étant située extérieurement au voisinage de la première. 8/ - Disposiitif de forage selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'échappement du fluide après action sur le frappeur, débouchant en partie basse des têtes de percussion. 9/ - Dispositif de forage selon l'une des revendications 7 ou 8, comprenant deux parois cylindriques en regard, l'une intérieure (3), l'autre extérieure (4), caractérisé encre qu'il comprend le long de chaque tige (11) des taquets de guidage (13) réunissant les deux parois cylindriques (3, 4) et agencés pour guider chaque tige (11). 10/ - Dispositif de forage selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque tige (11) possède une section polygonale ayant des faces guidées par les parois cylindriques (3, 4) du corps et des faces guidées par les taquets de guidage (13). 11/ - Dispositif de forage selon l'une des revendications 7, 8, 9 ou 10, caractérisé en ce que l'espace annulaire compris entre les deux parois cylindriques (3, 4) est fermé en-partie basse par des portions de couronnes (14), solidaires de l'extrémité desdites parois et préservant entre elles le passage des tiges (11). 12/ 12/ - Dispositif de forage selon l'une des revendications 7, 8, 9, 10 ou 11. caractérisé en ce que chaque taillant (12) solidaire de l'extrémité basse d'une tige (11) présente une dimension transversale supérieure à celle de ce dernier augmentée de l'épaisseur des parois (3, 4), en vue de déborder légèrement à l'extérieur de la paroi extérieure (4) et à l'intérieur de la paroi intérieure (3). 13/ - Dispositif de forage selon l'une des revendications 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caractérisé en ce que le corps (1) comprend à sa périphérie, au-dessus de chaque tête de percussion (11, 12), un carter (5) contenant un frappeur (9) associe à ladite tête et des moyens de distribution du gaz sous pression (10) agencés pour communiquer audit frappeur un mouvement de va et vient. 14/ - Dispositif de forage selon les revendications 7 et 13 prises ensemble, caractérisé en ce que le corps (1) comprend une platine supérieure (2) limitant en partie haute le volume creux (V), les moyens d'accouplement (7) et moyens d'alimentation en gaz (8) étant assujettis en position centrale au-dessus de ladite platine, cependant que cette dernière porte, en positions périphériques, la ou les parois cylindriques (3, 4) assujetties au-dessous de la platine et les carters !5) assujettis au-dessus de ladite platine. 15/ - Dispositif de forage selon l'une des revendications 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, dans lequel les moyens d'alimentation (8) comprennent un joint tournant pour l'arrivée du gaz comprimé et un système de clapet d'alimentation à ressort, adapté pour ouvrir l'alimentation en cas de pression exercée vers le bas sur les moyens d'accouplement (7) et pour fermer celle-ci dans le cas contraire. 16/ - Dispositif de forage selon l'une des revendications 6,7,8,9, 10, 11, 12 ou 14, dans lequel chaque taillant (12) est un taillant simple burin emboîté à l'extré- mité basse de la tige correspondante (11). 17/ - Dispositif de forage selon l'une des revendications 7, 8, 9, 10, 11, 12 ou 14, caractérisé en ce que le corps (1) comprend, en partie basse de la ou des parois cylindriques (3, 4), des dents (15) en matériau de résistance élevée, agencées entre les--têtes de percussion, de façon à déborder légèrement par rapport à la face extérieure (4). 18/ - Dispositif de forage selon l'une des revendications 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 2, 13, 14, 15, 16 ou 17, caractérisé en ce que les têtes de percussion présentent chacune une dimension transversale inférieure à environ 8 fois le diamètre du volume creux central (V), en vue de couvrir lors de leur rotation une surface annulaire inférieure à environ 4 fois la section due ce volume creux.