Brevet FR2513693A1 — publié le 19830401

Machine de forage polyvalente La présente invention concerne une machine de forage polyvalente utilisable aussi bien - dans les domaines de la recherche d'eau, de la recherche minière par prelèvement de sediments (sondages economiques), dé la géothermie et de la sismologie ; - que dans le domaine dé la recherche de minerai avec une grande precision d'interpretation nécessitant un carottage continu ou partiel des zones geologiques à identifier en vue de leur exploitation future. Jusqu'a ce jour, il etait indispensable de mettre en oeuvre deux machines très differentes l'une de l'autre, pour opérer dans les deux categories de travaux ci-dessus. En effet - dans le premier cas, il etait necessaire de disposer d'une machine équipée d'une tête de forage travaillant de O à 100 tours/minute avec un couple de 1.000 à 1.500 m/kg, de telles machines devant être dotées d'une puissance de relevage de 15 à 45 tonnes, necessaire pour remonter le train de tiges dont le poids peut atteindre de 10 à 30 tonnes pour oeuvrer à des profondeurs allant jusqu'à 1.500 mètres ; une telle puissance étant absolument indispensable pour relever ledit train de tiges et avoir la marge de securite souhaitable pour passer les zones de coincement possible ; - par contre, pour la seconde categorie de travaux, la tête de forage doit pouvoir atteindre une vitesse de rotation de 500 à 1.000 t/m-avec un couple de 100 à 120 m/kg et il est essentiel que l'on puisse procéder à des remontées rapides et très puissantes des trains de tiges lorsqu'on effectue des carottages lors desquels il est parfois nécessaire de remonter l'outil (diamant ou autre) pourcause de deteriora- tion, celui-ci se trouvant quelquefois d dés profondeurs très importantes allant de 200 à 1.500 metres. Pour l'exécution des deux categories de travaux susmentionnes, il est connu d'employer deux machines différentes -ayant une structure de base commune comprenant : une fleche telescopique constituée par un mat extérieur fixe et un mât mobile monté avec une aptitude de glissement à l'intérieur de ce dernier, un puissant vérin reliant la partie inférieure du mat exterieur à la partie supérieure du mat interieur, une tête de rotation mobile et guidée le long du mat exterieur et des moyens de traction de ladite tête de rotation dont les déplacements ascendants ou descendants résultent de l'allongement ou de la rétraction, respectivement, du mat interieur mobile (brevet allemand N" 1.159.880), sous l'effet dudit vérin. Ces machines permettent la remonté du train de tiges, mais à un rythme trop lent dans l-es conditions actuelles d'exploitation, de sorte que l'on est conduit à installer des trépieds auxiliaires de grandes dimensions equipes de treuils pour accélérer la remontee des trains de tiges, surtout lorsqu'on procède à des carottages. D'autre part, les moyens de traction de la tete de rotatipn le long de la flèche télescopique sont constitues par des chaînes ou par des câbles, ce qui, dans le domaine des travaux de carottage, ne permet pas un entraînement de ladite tête avec la precision indispensable d'approche particulière à ces travaux, compte tenu des relâchement de la tension desdits câbles ou chafnes. La présente invention a pour objet une machine de forage polyvalente apte à être utilisée pour les deux categories de travaux susmentionnes de sondage et de carottage et permettant une remontée rapide ét tres puissante du train de tiges. La machine de forage selon l'invention comprend des moyens d'accouple- ment et de dêsassemblage instrntanes des organes de transmission assurant la liaison de la tête de forage et du mât interieur mobile dont le sommet est équipe d'une ou plusieurs poulies sur lesquelles peut s'enrouler un câble fixe à un élément fixe de ladite machine, de sorte qu'apres effacement latéral de ladite tête de forage et libération desdits organes de transmission, ledit mât intérieur mobile désaccouplé puisse être utilise comme un bras de levage permettant la remontée rapide du train de tiges, à l'aide dudit câble. Selon une autre caracteristique, les organes de transmission reliant la tête de forage et la partie superieure du mat interieur mobile de la flèche telescopique, comprennent deux bras lateraux de fonçage et de relevage montes avec une aptitude de glissement le long du mât extérieur et fixés, par leurs extremites opposees,dune part audit chariot de ladite tête de forage et, d'autre part, à ladite partie superieure du mât mobile. Selon une autre caracteristique, les moyens permettant l'accouplement et le désaccouplement du chariot portant la tête de rotation et de la partie superieure du mât intérieur mobile, comprennent deux vérins à double effet portes par ladite partie superieure et dont les tiges mobiles sont susceptibles d'occuper deux positions, soit une première position emergente d'accouplement suivant laquelle elles sont engagées dans des perçages menages à la partie superieure des bras de fonçage et de relevage, et une deuxième position retractee de désaccouplement selon laquelle elles sont retirees desdits perçages. La machine dotée des caracteristiques precitees presente de nombreux avantages - pourvue d'une tête de forage hydraulique adéquate, elle permet d'effectuer deux Sortes de travaux qui, jusqu a present , necessitaient deux-appareils totalement differents l'un de l'autre et, dans le cas des opérations de carottage, l'utilisation d'un materiel auxiliaire de remontée du train de tiges ;; - elle est simple, puissante, peu onéreuse, polyvalente et peut être utilisée par une main-d'oeuvre relativement peu-specialisee - elle peut être instantanement convertie en appareil de levage permettant une remontee rapide et tres puissante du train de tiges - l'entraînement de la tête de rotation, aussi bien lors du fonçage que du relevage, s'effectue en reîation directe avec le verin principal, ce qui confère à ces mouvements la souplesse indispensable d'approche que nécessitent les travaux de carottage - sa relative légèreté autorise son installation sur des véhicules tous terrains légers et de gabarit reduit. Ces buts > caractéristiques et avantages, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description qui suit et des dessins annexés dans lesquels La figure 1 est une vue de face simplifiee de la machine polyvalente selon l'invention illustrée en situation de forage (sans le train de tiges) et dont la flèche est representee dans son état rétracte suivant lequel la tête de rotation occupe une position basse. La figure 2 est une vue de côté de la figure 1, la machine de forage étant représentée montée sur un camion automobile dont seule la partie arriere porteuse est illustré. La figure 3 est une vue-de face échelle plus réduite, de ladite machine dont la flèche est représentée en position d'allongement maximum. La figure 4 est une vue de côte de la figure 3. a figure 5 est une vue analogue å la figure 3 et représentant la machine en position de remontee du train de tiges, la tête de rotation etant en position "effacée". La figure 6 est une vue de coté de la figure 5. La figure 7 est une vue de face et en coupe axiale de la partie superieure de la flèche de la machine représentée en position rétractée et en situation de forage. La figure 8 est une vue en plan et en coupe suivant la ligne 8 - 8 de la figure 7. La figure 9 est une vue de cotez avec coupe partielle, de la partie inférieure de la machine > latête de forage se trouvant en position basse. La figure 10 est une vue en plan et en coupe, à plus grande échelle, suivant la ligne lu - 10 de la figure 9, le tracé en traits interrompus illustrant la position "effacé" du bâti portant la tête de rotation. On se reporte auxdits dessins pour décrire un exemple de realisation avantageux de la machine de forage polyvalente selon l'invention. Cette machine est plus particulièrement destinée à l'exécution de forages, sondages ou carottages pouvant atteindre de grandes profondeurs, c'est-adire a travailler suivant une direction verticale. Pour cette raison, sontemployees, dans la suite du present expose, des expressions telles que "partie inférieure", "partie supérieure", "base" "sommet", "mât", etc... Il est cependant évident qu'il ne s'agit pas d'expressions limi- statives, la machine suivant l'invention pouvant, si necessaire, travailler dans des directions inclinées, voire horizontales, comme on le comprendra aisément. La machine revendiquee comporte un montant-support 1 avantageusement constitué par une robuste poutre metallique tubulaire, de section quadrilaterale, par exemple rectangulaire. La base de ce montant-support est pourvue d'un vérin 2 formant pied permettant l'appui de la machine sur le sol. Comme indique précédemment, cette derniere peut être montée sur un camion automobile 3 et, dans ce cas, le montant-support est articulé, à l'aide de tous moyens appropries, d'une part, dans sa partie inférieure, sur des flasques 3a rigidement solidaires du châssis du camion et, d'autre part, dans sa partie supérieure, à l'extrémité de la tige de deux verins de positionnement 4 articules par l'extrémité postérieure de leur corps, sur ledit châssis. Ces verins permettent de placer la machine en position verticale de travail, ou en position inclinée de transport ou de garage. Au voisinage de sa base, le montant-support 1 est rigidement solidaire de la table de rotation 5 laquelle comporte, communement, un orifice pour le passage et le centrage de la tige de forage ou du train de tiges. D'autre part, ledit montant-support porte, à son sommet, une plaque 6 de maintien et de guidage, rigidement fixee par soudure ou autrement sur ce dernier. La machine comporte une flèche telescopique comprenant un mat extérieur fixe 7 et un mât mobile 8 monte avec une aptitude de coulissement à l'intérieur dudit mât extérieur. Les mâts extérieur 7 et intérieur 8 sont, de manière intéressante, constitués par des poutres metalliques tubulaires, de section quadrilatérale, de préférence rectangulaire, et présentant la robustesse necessaire. Le mât exterieur 7 est rigidement solidaire, au voisinage de sa base, de la table de rotation 5 qui présente, par exemple, une ouverture pour le passage de l'extremite inferieure dudit mât extérieur dont la partie superieure traverse une ouverture ménagée dans la plaque de maintien et de guidage 6 solidaire du montant-support i. Dans l'extremite inférieure du mdt exterieur 7, est fixée, au moyen d'un axe 9 ou autrement, l'extrémité postérieure du corps lOb d'un verin hydraulique 10 de forte puissance, logé a l'intérieur du mat intérieur 8 et dont la tige lOa est assujettie, au moyen d'un axe il ou autrement, à la partie supérieure de ce dernier, ledit axe reposant, par exemple, dans des coussinets 12 dónt est pourvue5 interieurement, ladite partie supérieure. Le mât interieur 8 a une longueur à peine inferieure à celle du mât extérieur 7 et la longueur du verin de fonçage et de relevage 10 reliant la base dudit mât extérieur à la partie supérieure dudit mat intérieur est telle que ce dernier emerge à la partie supérieure du mât extérieur, sur une hauteur d'une vingtaine de centimètres environ lorsque ledit verin est en position retractee (figures 1, 2 et 7). D'autre part, la hauteur ou longueur des mâts extérieur -7 et interieur 8 peut être déterminée en fonction de la nature des travaux auxquels est destinee la machine et de la longueur des elements de tige de sondage que l'on souhaite utiliser. Sur le sommet du mât intérieur 8 est rigidement fixée par exemple par soudure, une plaque-support 13 sur laquelle sont installees deux poulies 14a - 14b. Cette plaque-support est avantageusement réalisée en deux parties, soit un élément périphérique 13a constitué par une tole de forte epaisseur et entourant le sommet du mât interieur sur lequel elle est soude, et un element central 13b d'epaisseur moins importante reposant sur ledit sommet et fixe sur ledit élément périphérique, par exemple par vissage. La partie superieure du mât interieur mobile porte deux vérins d'accou pliement 15 disposes en alignement, de manière opposé. Ces verins sont places transversalement, leur axe etant perpendiculaire à l'axe du verin principal 10 assurant les mouvements d'allongement et de traction de la flèche de la machine. Les corps 15a desdits vérins sont fixes, par exemple par vissage, sur les côtes de l'extrémité supérieure du mât interieur qui présentent des ouvertures pour le passage desdits corps de verins lesquels sont, par ailleurs, logés dans des pièces de soutien 16a, 16b rigidement fixés å l'intérieur de ladite extrémité superieure. Les-verins d'accouplement 15 sont des vérins hydrauliques à double effet, et ils fonctionnent de manière parfaitement synchronisée, grâce a un système de distribution approprie dont on a seulement représente figure 10) les conduites verticales télescopiques d'alimentation 17a -17b lesquelles sont disposees de part et d'autre du vérin 10. Le tube exterieur fixe 17c desdites conduites est, par exemple, soude sur le corps dudit vérin, tandis que le tube intérieur 17d mobile connecté aux vérins 15 suit les mouvements de l'élément mobile de la flèche télescopique. En position d'allongement, la tige 15b de chaque vérin d'a-ccouplement, est engagé dans une ouverture circulaire 18a que présente l'extrémité supérieure d'un bras de traction et de fonçage 18 fixe, par son extrémité opposee, au chariot 19 portant la tête de rotation 21 et le moteur hydraulique 20 d'entraînement de cette dernière. Lorsque le vérin 10 est en position de rétraction (figures l, 2 et 7), les tiges 15b des verins-d'accouplement 16 sont placees au-dessus de l'extrémité supérieure du mât exterieur 7. Les bras 18 sont disposes longitudinalement de chaque côté du mat exterieur 7 et ils sont montes avec une aptitude de glissement le long dudit mat. Ils sont guides et maintenus dans des ouvertures laterales 6a de forme complémentaire dont est pourvue la plaque 6, ces ouvertures etant dimensionnees pour que lesdits bras puissent coulisser facilement, avec un jeu minimum. Les axes des bras 18, des mâts exterieur (7) et intérieur (8) de la flèche télescopique, et du vérin 10, sont disposes dans le même plan P-P, comme le montre la figure 8. Afin d'éviter que les tiges 15b des vérins d'accouplement 15 ne soient soumises à des efforts de torsion trop importants, dans la position d'entraînement des bras18, elles sont egalement engagees dans des plaques verticales de traction'22 disposees sur le côte exterieur desdits bras et qui presentent une ouverture 22a pour le passage de ladite tige. Ces plaques de traction ont, par exemple, une forme en T et sont solidaires, chacune, par leur partie superieure, d'une corniere 23 reposant sur l'élément peripherique 13a de la plaque-support 13 sur lequel elle est fixee par soudure ou autrement.Lesdites plaques de traction traversent des ouvertures laterales l3c ménagées dans ladite plaque-support, et sont disposés dans des plans verticaux passant à l'exterieur des plans verticaux dans lesquels sont compris les bras 18. Dans un but de parfait ajustage, les bras 18 peuvent être exécutés en deux portions rigidement-assemblees par vissage ou autrement, soit une premiere portion haute 18b de grande longueur constituee par une robuste poutre métallique de section rectangulaire, allant de l'extrémité supérieure jusqu'a proximite du chariot 19 supportant la tête de rotation 21, et une seconde portion basse 18c de faible longueur constitue par une barre métallique assujettie, par son-extremite inferieure, audit chariot (figure 9). Les bras de traction et de fonçage 18 sont fixes, par exemple au moyen de mise24, sur les faces laterales du chariot 19. Ce. dernier est équipé, de façon classique, de galetas 26 et26 favorisant son coulissement le long du mât exterieur 7 de la fleche télescopique. Le bats 27 portant la tête de rotation 21 et son moteur hydraulique 20 d'entraînement, est fixé, de manière connue, au moyen d'une articulation 28, sur'un des côtes du chariot 19, de façon à permettre l'effacement latéral de l'ensemble de la tête de forage.D'autre part, le chariot 19 et le bâti 27 sont pourvus de moyens complémentaires permettant l'immobilisation de ce dernier en position de forage, par exemple au moyen d'une broche de verrouillage 29, A sa partie superieure, le montant-support 1 est équipe d'un dispositif d'attache 30 permettant l'enroulement et le déroulement d'un câble de levage 31 fixe, de manière reglable, par l'une de ses extrémites, audit dispositif, et dont l'extrémité libre peut être dotée, à- demeure ou de manière amovible, d'un dispositif de jonction 32 connu en soi et permettant un assemblage et un desassemblage rapides aux elements ou allonges du train de tiges. Le dispositif d'attache 30 peut être constitué par un treuil ou par un vérin télescopique. On conçoit bien le fonctionnement de la machine de forage qui vient d'être decrite. En-position de forage, les tiges 15b des verins d'accouplement 15 sont sorties et engagees dans les ouvertures 18a et 22a des bras 18 et des plaques dé traction 22, respectivement. Dans ces conditions, on comprend que la mise en extension du vérin 10 assure la translation ascendante du mât intérieur 8 et, corrélativement, l'élévation de la tete de forage 19-20-21-27 hissee par les bras 18, le long du mât extérieur 7 ; le chariot 19 dé ladite tete de forage s'arrêtant au-dessous de la plaque 6 de maintien et-de gui-dage, lorsque ledit vérin est en position d'allongement maximum (figures 3 et 4). Inversement, l'escamotage de a tige du verin 10 assure l'abaissement du mât intérieur et la descente de la tête de forage dont le chariot est immobilisé au-dessus de la table derotation 5 lorsque la tige dudit vérin est en fin de course "rentrée". Pour convertir la machine de forage en appareil de levage apte à assurer une remontee rapide et puissante du train de tiges, il suffit : - de déverrouiller la tête de forage-20-21-27 et de la pivoter sur le côte en position d'effacement ; - de rentrer les tiges 15b des vérins 15, ce qui a pour effet de desolidariser le mât interieur 8 et les bras 18 ; - de dérouler le câble de levage 31 et de le faire passer sur les poulies 14a - 14b.- La flèche télescopique etant en position rétractée, il est possible d'assujettir l'extrémité libre du câble 31 à l'extrémité supérieure du train de tiges emergeant du sol, par exemple au moyen du dispositif de jonction 32 equipant ladite extremite du câble. On conçoit que la mise en extension du vérin 10 provoque l'élévation du mât intérieur 8 de la flèche, laquelle entraîne la remontee du train de tiges (ou autre objet fixe à l'extrémité du câble 31) à une vitesse deux fois superieure à celle du mât interieur. Le complet déploiement de la flèche (figures 5 et 6) permet de remonter une longueur du train de tiges 33 deux fois superieure à celle qui est mise en oeuvre lors des operations de forage et qui est fonction de la longueur du mât exterieur de ladite flèche. On n'a pas decrit, ni représente, pour ne pas charger inutilement le present expose et les dessins annexés, certains dispositifs qui complètent habituellement les machines de forage ou de sondage, tels qu'alimentateur, aspirateur de poussiere, verin auxiliaire utilisé pour le désaccouplement des tiges du train de tiges, etc..., ces dispositifs étant bien connus de l'homme de l'art. Dans le même esprit, on n'a pas juge utile de décrire et d'illustrer les sources de production de fluides sous pression regroupes sur le châssis du véhicule porteur et necessaires au fonctionnement des divers verins, de la tête de rotation et de l'outil de forage, ni les différentes commandes de ces organes, ni les conduites de distribution, lesquelles sont realisees dé manière classique. R EVE N D I C A T I 0 N S 1. - Machine de forage polyvalente pour travaux de forage, sondage ou carottage, comprenant : une flèche télescopique constituée par un mât exterieur fixe (7) et un mât mobile (8) monte avec une aptitude de glissement a l'intérieur de ce dernier, un verin de relevage et de fonçage (10) reliant la partie inférieure du mât exterieur et la partie superieure du mât interieur, une tête de forage (19-20-21-27) mobile et guidée le long du mât exterieur et des organes de transmission -(18) reliant la partie superieure du mât interieur et ladite tête de-forage dont les déplacements ascendants ou descendants résultent de l'élévation ou de l'abaissement, respectivement, dudit mât interieur mobile, sous l'effet dudit verin, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (15) d'accouplement et de désaccouplement instantanes des organes de transmission (18) assurant la liaison de la tête de forage et du mât intérieur mobile de la flèche télescopique dont le sommet est equipé d'une ou plusieurs poulies (14a, 14b) sur laquelle ou lesquelles peut s'enrouler un câble de levage (31) assujetti a un dispositif d'attache (30) porte par un element fixe (1) dé la machine. 2. - Machine de forage polyvalente suivant la revendication i, caractérisée en ce que les organes de transmission reliant la tête de forage (19-20-2127) et la partie superieure du mât intérieur mobile (8) comprennènt deux bras lateraux de fonçage et de relevage (18) montes avec une aptitude dè glissement le long du mât extérieur fixe (7). 3 - Machine de forage polyvalente selon la revendication 2, caractérisée en- ce que les bras lateraux de fonçage et de relevage (18) sont fixes de maniere permanente, par leur extremite inferieure, sur les côtes du chariot (19) portant la tête de rotation, tandis que leur extrémité oppose est agencee pour cooperer-avec les moyens d'accouplement et de desaccouplement (15). 4. - Machine de forage polyvalente suivant la revendication 3, caractéri seezen ce que les moyens d'accouplement et de désaccouplement des bras de fonçage et de relevage (18) comprennent deux verins à double effet (15) portés par la partie supérieure du mât intérieur mobile (8) et dont les tiges (15b) sont susceptibles d'occuper deux positions, soit une première position emergente dans laquelle elles sont engagees dans des perçages (18a) menages a la partie supérieure desdits bras de fonçage et de relevage, ou une deuxieme position retractee suivant laquelle elles sont retirees desdits perçages. 5. - Machine de forage polyvalente selon la revendication 4, caractêrisee en ce que la partie superieure du mât interieur mobile (8) porte des plaques laterales (22) disposees sur le côte extérieur des bras de fonçage et de relevage, lesdites plaques comportant des ouvertures (22a) mena géies en regard des perçages (18a) et des tiges (15b) des vérins d'accouplement (15) lesquelles, en position sortie, traversent lesdits perçages (18a) desdits bras et sont engagees dans lesdites ouvertures. 6.- - Machine de forage polyvalente selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caracterisee en ce qu'elle comprend des moyens (6 - 6a) de guidage et de maintien des bras de fonçage et de relevage. 7, - Machine de forage polyvalente selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de guidage et de maintien des bras de fonçage et de relevage, sont constitues par une plaque (6) solidaire de la partie haute d'un montant support fixe (t) et servant d'entretoise supérieure reliant ledit montant-support et le mât extérieur fixe (7) de la flèche telescopique, ladite plaque comportant des ouvertures (6a) dimensionnées pour autoriser le coulissement desdits bras, avec un jeu minimum. 8. - Machine de forage polyvalente suivant la revendication 1, caractéri sexe en ce que le câble de levage est assujetti à un dispositif (30) permettant son enroulement et son deroulement, ainsi qu'un reglage de sa longueur. 9. - Machine de forage polyvalente selon la revendication 4, caractérisee en ce que le dispositif d'alimentation des verins d'accouplement (15) comprend deux tiges telescopiques (17a, 17b) logées à l'intérieur du mât mobile (8), le tube exterieur (lac) de ces tiges d'alimentation étant fixe, tandis que le tube interieur (17d) suit les mouvements d'élévation et de descente dudit mât intérieur. 10. - Machine de forage suivant l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisée en ce que les axes du vérin de relevage et de fonçage (10) des mâts extérieur (7) et intérieur (8) de la flèche telescopique, et des bras de transmission (18) sont disposes dans le-même plan (P-P).