Brevet FR2498675A1 — publié le 19820730

La présente invention concerne les techniques de forage du sol et a notamment pour objet un dispositif pour le forage à pleine section. Parallèlement à la grande extension de son utilisation dans les champs d'extraction de pétrole, de gaz et d'eau, le forage à pleine section (sans carottage) est de plus en plus appliqué pour le sondage géologique de recherche et le sondage de prospection dans les zones gazifères et pétrolifères, la traversée des massifs recouvrant les minerais lors de la reconnaissance détaillée des gisements à structure bien étudiée et relativement simple, la traversée des formations meubles sus-jacentes lors du sondage de reconnaissance géologique, d'exploration et de prospection, la traversée des roches constituant le manteau de la plate- forme lors de la prospection des gisements situés dans le socle précambrien de la plate-forme, l'exécution des sondages hydrogéologiques et sismiques, des trous deimine. Pour le forage à pleine section, les trépans qui sont les plus répandus sont les trépans à deux, trois et quatre molettes, ainsi que les têtes de forage à quatre molettes. Utilisés à un régime optimal, ces trépans permettent d'atteindre des vitesses d'avancement très élevées. Lors du forage à plaine section, de même que lors de tous les autres forages, il se produit souvent des compli- catons dues à l'instabilité des roches constituant les parois du forage, aux venues d'eau et, surtout, aux absorptions du liquide de forage par les roches fissurées et caverneuses, ainsi que par les roches ayant une grande perméabilité. Ces complications altèrent les conditions de forage, ce qui entraîne un fort abaissement de la vitesse de forage et, fréquemment, la nécessité d'arrêter le forage jusqu'à l'élimination de la complication. Il s'ensuit un abaissement du rendement et une augmentation notable du colt du forage, aussi les procédés efficaces de lutte contre les complications sont-ils l'un des problèmes les plus sérieux du forage. f i Dans la majorité des cas, le forage est arrêté pour toute la durée de l'élimination de la complication concernée. Toutefois, on connalt des procédés d'élimination des complications, qui sont réalisés sans arrêt du forage. Dans ces procédés, le produit d'étanchement est introduit dans les boues de forage sous la forme de grumeaux polymères gélatiniformes, chargés de produit de grande finesse, avec addition supplémentaire, quand cela est nécessaire, d'un produit minéral granulé. Toutefois, dans ces procédés, le produit d'étanchement se dilue dans le liquide de forage et circule avec lui. Il s'ensuit la formation de dépôts sur les surfaces de la pompe, de la conduite d'injection, des tiges de forage, ainsi que sur les parois du forage, pas seulement là o ce dépôt est nécessaire. En tout cas, ces procédés ne permettent pas de réaliser un cuvelage non métallique à longue tenue sur les parois. De plus, l'outil de forage est de conception ordinaire. Il comprend un trépan à canal pour le passage du liquide - de forage, fixé au train de tiges de forage, et un dispo- sitif de centrage et de formage des parois du forage, situé au-dessus du trépan, à l'extérieur du train de tiges de forage, et assurant l'obturation de l'écartement entre les parois du forage et le train de tiges de forage. Une telle réalisation constructive ne permet pas d'exécuter les travaux d'élimination des complications ou de cuvelage du forage sans tubes sans arrêter le forage, c'est-à-dire en continuant l'avancement. Cela est lié au fait que le produit d'étanchement arrive à l'endroit o il doit être déposé sur les parois après avoir été dilué, faiblement concentré, sa dilution étant nécessaire pour qu'il puisse être véhiculé suivant toute la longueur du train de tiges de forage. En outre, un tel procédé implique l'emploi de produits d'étanchement à durée de durcissement prolongée, ce qui, à son tour, ne permet pas au produit d'étanchement d'acquérir une résistance mécanique suffisante dans la zone la plus importante, attenante au front de taille. 2498675 i :3I Un autre inconvénient notable consiste en ce que, | parallèlement à l'injection d'une charge inerte dans le | forage, la roche désagrégée lors du forage, présentant un maximum de parenté physicochimique avec les roches | constituant les parois du forage, vu qu'elle résulte de leur désagrégation, est évacuée du forage. I On s'est donc proposé de créer un dispositif pour le | forage à pleine section, dont la conception permettrait la réalisation d'un cuvelage sans tubes dans le forage, ainsi que l'élimination des complications ou défaillances éventuelles, sans arrêt du forage. La solution consiste en un dispositif pour le forage à pleine section, comprenant un trépan de forage à canal pour le passage du liquide de forage vers le front de taille, fixé au train de tiges de forage, et un formeur ou élément de formation des parois du forage, situé au-dessus du trépan et assurant l'obturation de l'écartement entre les parois du forage et le train de tiges de forage, dispo- sitif dans lequel, d'après l'invention, est prévu un conteneur rempli de produit d'étanchement, placé dans le canal du train de tiges de forage, directement au-dessus du trépan, ce conteneur étant adapté pour permettre le passage du liquide de forage entre ses parois et les tiges de forage, ainsi que pour l'éjection du produit d'étanchement, sous l'action d'un agent de refoulement, vers le trépan, dans lequel est réalisé un alésage axial de diamètre plus grand que le diamètre intérieur du conteneur et adapté pour recevoir le bout inférieur dudit conteneur. Il est avantageux de réaliser le conteneur amovible de façon qu'il puisse être remplacé sans remontée du train de tiges de forage à la surface. Afin d'utiliser en tant que charge la roche désagrégée par le trépan, le conteneur peut être rempli d'un produit d'étanchement constitué par un mélange liant pulvérulent d'étanchement. Le conteneur peut être réalisé sous la forme d'un tube cylindrique, équipé à sa partie inférieure d'un tampon amovible et, à sa partie supérieure, d'un piston ou analogue adapté pour chasser le produit d'étanchement du conteneur. Le bout supérieur du conteneur peut être équipé d'un raccord adapté pour son accouplement à un tuyau flexible destiné à la descente-remontée du conteneur et à son alimentation en agent de refoulement. Une telle réalisation constructive du dispositif pour le forage à pleine section, faisant l'objet de l'invention, assure l'avancement continu du forage, l'éli- mination fiable des complications ou la réalisation d'un cuvelage non métallique dans le forage. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références au dessin unique non limitatif annexé dans lequel: - la figure * représente un dispositif pour le forage à pleine section (en ordre de transport), conforme à l'invention (en coupe longitudinale); - la figure 2 représente une section transversale suivant II-II de la figure 1; et - la figure 3 représente une variante de réalisation comportant une alimentation indépendante en agent de refoulement. Dans le dispositif de forage à pleine section, faisant l'objet de l'invention, comme dans les équipements de forage ordinaires, le trépan peut être un outil quelconque d'attaque de la roche, utilisé notamment dans le forage rotatif ou rotopercutant. Le dispositif pour le forage à pleine section comprend un trépan 1 à molettes, fixé au train 2 de tiges de forage (figure 1) par l'intermédiaire d'un formeur 3 ou élément de 35. formation des parois du trou de forage. Le formeur 3 peut être tout élément assurant une obturation fiable de l'écartement entre les parois du forage et le train 2 de tiges de forage, par exemple un élément réalisé sous la forme d'une vis d'Archimède 4 dont le sens des filets ou d'hélice est contraire de celui de la rotation du train 2 de tiges de forage. A l'intérieur du train 2 de tiges de forage est placé un conteneur cylindrique 5 rempli d'un produit d'étanchéification 6. Le conteneur 5 peut être réalisé sous la forme d'un tube cylindrique, obturé en bas et en haut, sous la forme t d'une ampoule cylindrique étanche en matière plastique, I ou soUS la forme d'un bâton de produit d'étanchement I comprimé, encapsulé dans une couche isolante imperméable. | Le conteneur peut être réalisé monobloc avec le trépan, I ou bien, ce qui est préférable, amovible, pour qu'il puisse I être remplacé sans remontée du trépan à la surface. | Le produit d'étanchement 6 peut être un mélange sec | à prise rapide, par exemple un mélange plitre-ciment, un J mélange p*teux de divers produits polymères avec des durcisseurs, un produit pulvérulent tel que le ciment,une matière polymérisable, l'argile et autres produits utilisés d'ordinaire en tant que liants. Le bout inférieur du conteneur 5 est obturé par un bouchon 7 (tampon amovible) et coopère avec un alésage central 8 ménagé dans le trépan 1 à molettes. Le bout supérieur du conteneur 5 est obturé par un piston 9 avec un orifice 10 d'entrée et un orifice 11 de sortie. Dans le conteneur 5, est prévu un orifice 12, coaxial à l'orifice l 11, pour que le liquide de forage puisse passer vers t l'écartement entre le conteneur 5 et les parois intérieures; du train 2 de tiges de forage, sur lesquelles il y a des j éléments 13 de positionnement pour le guidage et le centrage du conteneur 5. L'élément de positionnement supérieur peut être réalisé sous la forme d'un anneau continu 14 à alésage central de diamètre égal au diamètre extérieur du conteneur 5, et les autres éléments de positionnement peuvent être réalisés sous la forme de saillies espacées. t Le corps du trépan 1 comporte un canal 15 pour la sortie L b du liquide de forage sur le front de taille du forage, quand l'alésage 8 du trépan 1 est obturé par le conteneur 5. A la partie supérieure du conteneur 5 il y a un logement 16 pour l'accrochage de l'embout d'un harpon ou élément d'accrochage analogue 17. Pour éjecter le produit 6 du conteneur 5, on fait tomber dans le canal du train 2 de tiges de forage une bille 18, qui vient obturer l'orifice du piston 9. Le dispositif peut aussi être réalisé suivant une autre variante, représentée par la figure 3. Dans cette variante, le piston 9 est réalisé sous la forme d'un tampon cylindrique, tandis qu'au-dessus de lui sont prévus des moyens d'accouplement étanche de l'embout 20 d'un càble-tuyau souple 21, servant à la descente-remontée du conteneur 5 et à son alimentation en agent de refoulement. Les solutions constructives indiquées n'épuisent pas toutes les variantes possibles de réalisation du dispositif faisant l'objet de l'invention. Dans la pratique, le dispositif peut être réalisé sous la forme de la partie terminale d'un train de sonde ordinaire, le remplacement du conteneur 5 contenant le produit d'étanchement 6 n'étant dans ce cas possible qu'après remontée de tout le train de sonde à la surface. Toutefois, toutes ces variantes ne concernent pas les principales particularités du dispositif proposé. Elles se rapportent principalement aux modes d'éxécution des travaux avec le dispositif et à certaines modifications constructives de pièces d'importance secondaire. Le principe de fonctionnement du dispositif de forage à pleine section faisant l'objet de l'invention consiste en ce qui suit. Quand les conditions de forage sont normales, le liquide de forage passe à travers les orifices 10, 11 du piston 9 et l'orifice 12 du conteneur 5, parcourt l'espace 35. entre le conteneur 5 et les parois intérieures du train 2 de tiges de forage, puis, via le canal 15, va au trépan 1 et au front de taille du forage. 2498675 t 7 I Si une complication surgit, par exemple si le liquide I de forage est absorbé et se perd, on fait tomber dans le canal du train 2 de tiges de forage une bille 18, qui, une fois arrivée sur le bout supérieur du piston 9, obture le trou 10, en coupant ainsi l'admission du liquide de p forage à l'espace entre le conteneur 5 et les parois; intérieures du train 2 de tiges de forage. La pression du t liquide de forage dans le train 2 de tiges de forage, au-dessus du piston 9, monte brusquement et provoque le cisaillement de la goupille retenant le piston 9, en poussant celui-ci dans le conteneur 5. La pression est transmise par le produit d'étanchement 6 et chasse le bouchon 7, en permettant ainsi au produit d'étanchement 6 d'aller au trépan 1. Après avoir chassé le bouchon 7 et une partie du produit d'étanchement 6, le piston 9 descendant dans le conteneur 5 démasque l'orifice 12 de I la paroi du conteneur 5, en permettant ainsi la circulation X normale du liquide de forage vers le trépan 1. Le produit! d'étanchement 6 trituré et malaxé par les molettes du | trépan 1 se mélange avec la roche désagrégée, puis, sous l'action des filets de la vis d'Archimède 4 du formeur 3, L en commun avec le liquide de forage, il se concentre dans la partie inférieure du forage, près du front d'attaque, et est projeté sur les parois du forage. Sous l'effet des forces centrifuges et de la pression de la sonde, l'excès d'eau est expulsé du mélange. La p&te épaisse et visqueuse constituée par le produit d'étanchement 6 chargé de roche r désagrégée est forcée dans les pores et les fissures de la roche constituant les parois du forage, est serrée sur ces parois et commence à durcir. L. Ensuite, le lissage du produit d'étanchement 6 et le calibrage du canal du forage sont exécutés par l'élément de lissage 22, qui comprime additionnellement le mélange en l'essorant et enen tranchant les excès. Après épuisement du produit d'étanchement 6, on fait descendre à partir de la surface, au bout d'un cable, le harpon 17, qui s'accroche au logement 16 par ses embouts, puis on remonte le conteneur 5 et on le remplace par un conteneur plein. Au besoin, le processus d'étanchement peut être répété autant de fois que cela est nécessaire pour éliminer complètement la complication. Il est plus commode d'utiliser le dispositif dans lequel est prévu le moyen 19, réalisé suivant la figure 3, pour l'accouplement à joint étanche de l'embout 20 du càble- tuyau souple 21, par lequel on admet un agent de refoulement (liquide ou gaz) pour chasser le produit d'étanchement 6 et qui sert en même temps d'organe pour la descente et la remontée du conteneur 5. Il est évident que le remplacement du conteneur 5 à proximité du front de taille du forage, comme décrit dans les exemples donnés, est possible si cela est permis par la conception et les sections de passage des éléments du train 2 de tiges de forage. C'est pourquoi il est plus avantageux dans le cas d'un forage de grand diamètre, par exemple supérieur à 112 mm. Dans le cas d'un forage de diamètre plus petit, il est plus avantageux d'exécuter le remplacement du conteneur 5 à la surface et, si cela est possible, en même temps que le remplacement de l'embout du trépan 1, aussi faut-il choisir un conteneur 5 pouvant recevoir une quantité de produit d'étanchement 6 suffisante pour le métrage foré par un trépan. Cela réduira les pertes de tempspour les opérations de descente-remontée. En cas d'utilisation du dispositif faisant l'objet de l'invention pour réaliser un cuvelage non métallique dans le forage, en formant une couche isolante sur toute la surface du forage, le refoulement du produit d'étan- chement 6 est exécuté en continu, simultanément avec le forage. Quand le produit d'étanchement 6 est épuisé, on interrompt le forage, on remplace le conteneur 5 et on reprend le forage que l'on continue jusqu'à la profondeur 35. nécessaire. Quand on opère ainsi, la roche désagrégée par le trépan 1 est énergiquement mélangée avec le produit 2498675 t 9I I 1'étanchement 6, dans lequel il entre en tant que charge t nerte et, grace à ses propriétés communes avec celles les roches constituant les parois du forage, on obtient r me amélioration de la qualité du complexe d'isolement ?t une réduction de la consommation de produit d'étanchement amené au front de taille. 5 Il convient de souligner que, du fait qu'une partie le la roche désagrégée par le trépan 1 se mélange avec le! )roduit d'étanchement 6 jouant le rôle de liant et entre t lonc dans la composition du dépôt en tant que charge, on r 3btient une économie de produit d'étanchement 6, ainsi r lu'une élévation de la qualité du bouchage des voies l'absorption, ou du cuvelage dans le forage, car l'identité le la charge et des roches constituant les parois du forage, en composition et en nature, assure un accrochage t plus monolithique. | L'invention peut être appliquée pour éliminer les I complications surgissant lors du forage à pleine section, [ réaliser un cuvelage non métallique dans le forage i simultanément avec son avancement, réaliser des trous et des chambres, élargir et remettre en état des forages L existants, traverser les intervalles instables du terrain, par exemple les sables non cimentés, les argiles gonflantes et absorbant l'eau, etc. 1. R E V E N D I C ATI 0 NS 1. Dispositif pour le forage à pleine section, comprenant un trépan de forage (1) comportant un canal (15) pour le passage du liquide de forage vers le front de taille fixé au train (2) de tiges de forage, et un élément (3) de formation des parois du forage, situé au-dessus du trépan (1) et assurant l'obturation de l'écartement entre les parois du forage et le train (2) de tiges de forage, caractérisé en ce qu'il comprend un conteneur (5) rempli d'un produit d'étanchement et placé dans la cavité intérieure du train (2) de tiges de forage, directement au-dessus du trépan (1), ce conteneur (5) étant adapté pour permettre le passage du liquide de forage entre ses parois et les tiges de forage, ainsi que pour l'éjection dudit produit d'étanchement, sous l'action d'un agent de refoulement, vers le trépan (1), ce dernier comportant un alésage axial (8) de diamètre plus grand que le diamètre intérieur du conteneur (5) et adapté pour recevoir le bout inférieur dudit conteneur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conteneur (5) est réalisé-amovible, de façon qu'il puisse être remplacé sans remontée du train de tiges (2) à la surface. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le conteneur (5) est rempli d'un produit d'étanchement sous la forme d'un liant pulvérulent ou ssceptible d'écoulement analogue. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le conteneur (5) est réalisé sous la forme d'un tube cylindrique, équipé à sa partie inférieure o. d'un tampon ou bouchon amovible (7), et à sa partie supérieure, d'un piston (9) adapté pour chasser le produit d'étanchement du conteneur (5). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le bout supérieur du conteneur (5) est équipé d'un moyen de raccordement ou d'accrochage (19)pour son accouplement à un tuyau flexible (21) destiné à la descente-remontée du conteneur (5) et à son alimentation en ledit agent de refoulement. ô I R. I I.