Brevet FR2535780A1 — publié le 19840511

PT RFFCTION19EMFNT AUX P,/lARTEAUX-FOlnD -DE -TROU POUR FORAGE DFS SOLS. L'exploration profonde des sols s'effectue gênéralement à l'aide d'un trépan rotatif qui, rendu solidaire de l'extrémité de tubes qui sont allongés par sections successives au fur et à mesure de l'a- vancement du trépan en profondeur, est entraîné par lesdits tubes dans leur mouvement de rotation, en meme temps qu'un liquide sous pression (généralement chargé de particules lubrifiantes) et conduit à travers ceux-ci jusqu'au trépan, afin d'évacuer les roches pulvérisées qui remontent à la surface entamées par ledit liquide entre la paroi du forage et les tubes, Afin de faciliter la pénétration du trépan, celui-ci est parfois animé simultanément d'un mouvement alternatif de percussion selon son axe. Différents moyens ont été proposés pour assurer ce mouvement complémentaire de percussion de la tête du trépan, sans qu'il soit nécessaire d'animer d'un pareil mouvement toute la colonne des tubes qui le supportent. Selon un dispositif décrit dans le brevet N0 2.213.4()9 au nom de HALIFAX TOOL, ce mouvement de percussion est réalisé au moyen d'une masse manoeuvrée à la manière d'un marteau agissant sur le trépan et contenue dans la tette de forage, ledit marteau étant animé d'un mouvement alternatif par voie exclusivement pneumatique. Une telle source d'énergie présente l'inconvénient qu'elle ne permet pas l'utilisation d'un tel dispositif dans les forages qui nécessitent l'injection de boue, donc pratiquement dans les forages de roche et les forages profonds ou en milieu meuble. En effet, la pression hydrostatique du liquide chargé de boue que contient le forage crée au niveau du trépan une contre-pression qui est fonction de la profondeur du forage, ce qui impose une pression d'air très élevée pour assurer le fonctionnement de l'engin, dont le rendement est de ce fait médiocre par rapport à l'énergie dépensée. De même, l'emploi d'un tel dispositif n'est pas possible dans les terrains aquifères 5 dans lesquels la nappe- d'eau crée la contrepression hydrostatique qui nuit au rendement du dispositif. On constate même qu'en toutes circonstances, ce dispositif ne peut pas être employé dans les forages de plus de 200 à 300 mètres. Dans le brevet 2.271.378 de VSFSOJUZNY, l'agent moteur est dans ce cas le liquide utilisé pour lubrifier le trépan en même temps que pour évacuer la boue de forage, ce qui permet d'éviter l'inconvénient de la contre-pression hydrostatique. Mais l'engin décrit dans ce dépôt, dénommé par son auteur "Turbo-foreuse", n'utilise, comme son nom l'indique, que le seul mouvement rotatif, ce qui est beaucoup moins efficace pour attaquer les roches que lorsque le mouvement rotatif du trépan est conjugué avec un mouvement de percussion de cet organe. De sorte que pour obtenir un résultat utile un tel engin nécessite une pression de liquide très élevée d'où une dépense importante d'énergie. Le dispositif objet de la présente invention permet d'éviter chacun de ces inconvénients. Tout d'abord ce dispositif conjugue les mouvements de percussion et de rotation du trépan, ce qui améliore le rendement énergétique par rapport au dernier brevet cité. Mais en outre, si le dispositif objet de l'invention, tel qu'il va être décrit, comporte bien un marteau contenu dans la tête de forage et frappant périodiquement la queue du trépan, comme cela est dans le premier brevet cité, on remarquera que le fluide utilisé pour transmettre la force motrice nécessaire au mouvement alternatif du marteau est essentiellement le liquide même qui est envoyé à l'intérieur des tabes de forage jusqu'au trépan pour lubrifier le front de taille et remonter les boues de forage.De sorte que, grâce à ce moyen, au niveau du trépan, donc de son organe de percussion, la pression hydrostatique du liquide qui remonte les boues de forage est pratiquement équilibrée à tout instant par la seule hauteur du liquide injecté dans les tubes qui le conduisent, liquide qui est dans ce cas utilisé comme fluide moteur grâce à son injection sous pression. Le rendement d'un tel dispositif est donc supérieur au précédent, l'énergie motrice étant ainsi transmise sans perte appréciable. Pour cela le liquide injecté sous pression dans la. colonne de forage atteint une turbine hydraulique située dans la tête de forage elle-même, avant d'être évacué dans le forage pour y jouer le rôle habituel de lubrifiant utilisé comme véhicule ascendant des boues, Cette turbine ainsi mise en mouvement entraîne une pompe hydraulique qui met en pression un liquide intermédiaire lubrifiant, qui est injecté dans le cylindre d'un dispositif connu capable d'engendrer le mouvement alternatif du marteau, ledit dispositif étant aussi contenu dans la tête de forage, ledit liquide interlr.édiaire intervenant en circuit fermé entre le réservoir qui le contient et la pompe hydraulique qui il anime, l'ensemble étant contenu-dans le dispositif objet de la présente invention. Les dessins annexés, donnés à titre d'exemple seulement, montrent un mode de réalisation du dispositif objet de la présente in vention. La figure 1 est une vue schématique en élévation de l'objet de l'invention. La figure 2 est une vue schématique en coupe verticale diamétrale du même objet. Tel qu'il est représenté (fig. 1) on constate que la tête de forage, qui comporte à son extrémité supérieure la vis conique 1 permettant son ajustage à la tige de forage la plus basse et à son extrémité inférieure le trépan 2, est constituée par un corps cylindrique formé de deux parties principales 3 et 4 coulissant entre elles le long du cylindre central 5 (fig. 2) qui les guide l'une sur l'autre et qui entraxe en même temps la partie inférieure 4 en rotation par l'intermédiaire des cannelures 6 dont ledit cylindre central 5 est muni selon ses génératrices extérieures, à sa partie la plus proche de la pièce 3, lesdites cannelures coopérant avec la bague cannelée 7 complémentaire, le coulissement des deux éléments 3 et 4, l'un par rapport à l'autre, étant limité par la butée 8 solidaire du cylindre 5. La partie inférieure 9 dudit cylindre 5 est lisse au niveau de son emboitement ajusté dans le corps 10 qui forme la partie supérieure de l'élément 4, l'étancheité étant assurée à ce niveau par le joint torique 43. La jupe extérieure 11, d'un diamètre extérieur égal au diamètre extérieur général de la tête de forage, enveloppe la partie suprieure de la pièce 10, alésée à cet effet, et coulisse sur elle, l'étanchéité à ce niveau entre ces deux pièces 10 et 11 étant obtenue grâce au joint torique 12. Les parties en regard de la jupe 11 et du fond de l'alésage de la pièce 10 sont chamfreinées vers l'extérieur, de façon inverse, de manière à rejeter vers l'extérieur, dans leur mouvement de coulissement réciproque, les débris de roche qui pourraient se placer à ce niveau au cours du travail de forage. La partie inférieure 4 de a tige de forage, dans laquelle coulisse la partie supérieure 3, est elle-même formée de deux corps 13 et 14 rendus solidaires l'un de l'autre par emboitement définitif en 15 et rendus de même, ensemble, solidaires de la pièce 10, dans laquelle coulisse le cylindre 5. L'ensemble des différents corps formant le dispositif objet de l'invention étant ainsi mutuellement ajustés,on constate que la partie supérieure 3 est formée d'un cylindre creux qui contient la turbine hydraulique 16 qui commande la pompe hydraulique 17, contenue dans la même alvéole. Le cylindre 5 lui-même creux, faisant communiquer la partie intérieure du corps supérieur 3 avec le corps intermédiaire 13, qui est lui-même aussi creux et qui contient le réservoir annulaire 18, qui surmonte le corps inférieur 14 qui comporte un cylindre inférieur 19, alésé de telle manière qu'un vide 20 soit laissé entre ce cylindre 19 et la paroi intérieure du corps 14. Le cylindre 19 est aussi alésé intérieurement pour recevoir un organe hydraulique de percussion 21 de type connu portant le marteau 22 et pouvant librement coulisser à l'intérieur du cylindre 19, étant retenu à sa partie supérieure par l'obturateur 13 du cylindre 19, avec interposition du ressort amortisseur 24. A la base du corps inférieur 14 se trouve le trépan 2 capable de coulisser librement dans la douille filetée 25 vissée dans la partie inférieure du corps 14. Le trépan 2 èt cette douille 25 portent chacun des cannelures complémentaires 26 qui permettent d'entraîner le trépan 2 en rotation, quand l'ensemble de la tête de forage est entraitée par les tiges qui la portent, en même temps que ledit trépan peut librement coulisser dans ladite douille sous l'effet des vibrations du marteau 22 sur la queue 27 du trépan, par l'intermédiaire de la masselotte 28 interposée entre le marteau 22 et la queue 27, et maintenue entre ces deux pièces par le silentbloc annulaire 29 dont la bague extérieure est vissée de façon étanche à l'intérieur du corps 19, la présence de cette pièce élastique intermédiaire permettant d'assurer l'étanchéité entre les deux chambres ainsi créées :: celle 19 contenant l'organe de percussion, elle-meme étanche par rapport au corps 14 qui la contient, et celle contenant la queue 27 du trépan 2. Ladite queue 27 comporte la butée 30 qui limite ses mouvements vers le bas. La douille filetée 25 est bloquée par la butée fixe 31 et est forée pour présenter les conduits 32 qui communiquent avec le conduit annulaire 20 à travers la chambre 33 et avec le trépan qui présente lui-même les conduits 34 qui débouchent à sa surface inférieure. L'ensemble est complété par le distributeur 35 et par la tubulure souple 36 qui relie l'aspiration de la pompe 17 au réservoir l 8, la tubulure souple 37 qui relie la sortie en pression de la pompe 17 au distributeur 35, la tubulure souple 3 qui relie une sortie du distributeur 35 à l'organe hydraulique de percussion 21, la tubulure souple 39 qui relie le retour de l'organe de percussion au réservoir 18 et la tubulure 40 qui relie directement l'autre sortie du distributeur 35 au réservoir 18. Le dispositif objet de l'invention étant ainsi constitué, on comprend que le liquide, destiné à lubrifier le front de coupe et à remonter les boues de forage à la périphérie extérieure de l'engin, parviendra à la tête de forage à travers les tubes de forage raccor dés au filetage conique 1. Ce liquide traversera la zone supérieure 3 du dispositif mettant en mouvement la turbine 16 qui animera elle-même la pompe hydraulique 17. Puis ce liquide parcourra le cylindre creux 5, traversera le canal central du réservoir annulaire 18, atteindra le canal périphérique 20 du corps inférieur 14 pour pénétrer dans la chambre 33, d'où il sera injecté jusqu'à la surface du front de coupe à travers 32 et 34, jouant ainsi le rôle auquel il est destine. Mais la turbine 16 ayant été mise en fonctionnement par ce liquide sous pression et la pompe 17 ayant été animée par elle, le liquide intermédiaire, lubrifiant, contenu dans le réservoir 18, sera aspiré et refoulé sous pression vers le distributeur 35, à travers les tubulures souples 36 et 37. C'est alors que, si le trépan 2 ne porte pas au fond du forage, c'est à dire s'il n'est pas en position de travail, au cours par exemple de la descente de l'engin dans le forage, les corps 3 et 4 (fig. 1), qui coulissent, l'un par rapport à l'autre, sur le cylindre 5, se trouveront dans leur position la plus éloignée l'un de l'autre, le corps 4 étant retenu par la butée 8. Dans ces conditions le levier de commande 41 du distributeur 35, qui reste constamment en contact avec la surface inférieure du cylindre 5, se trouvera en position haute, ce qui aura pour effet (le distributeur 35 jouant le rôle de by-pass) de faire retourner directement au réservoir 18 par le tube 40 le liquide débité sous pression par la pompe 17. Mais dès que le trépan 2 se trouvera en position de travail. reposant sur le fond du forage, automatiquement, par le simple poids des tubes de forage qui portent le dispositif objet de l'invention, le corps 3 se rapprochera du corps 4 (fig. 1). Aussitôt le levier de commande 41 s'abaissera, poussé par le cylindre 5, et le liquide débité sous pression par la pompe 17 sera immédiatement envoyé vers l'organe de percussion 21, à travers la tubulure 38. De sorte que cet organe de percussion se mettra aussitôt en mouvement, transmettant ses vibrations au trépan 2 par l'intermédiaire de la masselotte suspendue 28, en même temps que la rotation des tiges de forage entralnera ledit trépan dans leur mouvement rotatif. Inversement, dès que les tiges de forage remonteront l'engin, le cylindre 5 se retirera, laissant remonter le levier de commande 41, ce qui aura pour effet d'arrêter immédiatement la percussion. Bien que dans ce cas encore l'injection du liquide destiné à rernonter les boues puisse continuer pour nettoyer le fond du forage, sans que le trépan travaille. On constate donc qu'ainsi l'effet de forage dû au mouvement rotatif du trépan est considérablement accru par la percussion simultanée de cet organe, ce qui diiAlinue considérablement l'énergie nécessaire pour un même résultat, le couple qui doit être développé pour la rotation diminuant du fait de la percussion. On constate aussi que seul le trépan 2 est mis en mouvement vibratoire, sans que ce mouvement se répercute sur l'ensemble du dispositif et des tiges de forage qui le portent et dont l'inertie diminuerait le rendement. On constate de même que jamais le mouvement de percussion ne peut être transmis au trépan 2 tant que celui-ci n'est pas en contact avec le fond du forage, ce qui évite la détérioration des organes vibratoires, comme cela surviendrait si les vibrations pouvaient être transmises alors que le trépan n'appuie pas sur la surface de travail. On constate enfin que la pression utile exercée sur l'organe de percussion est pratiquement indépendante de la profondeur, aux pertes de charge près dues à la longueur du forage, la pression hydrostatique des boues remontées ou des nappes aquifères traversées étant pratiquement équilibrée par la colonne des liquides injectés à travers les tiges de forage, seule la surpression qui est imprimée à ce liquide jouant le rôle de force motrice, indépendamment de la longueur du forage, dans les conditions qui viennent d'être dites. Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à l'exem- ple qui en a été donné, toute variante considérée comme équivalence ne pouvant en modifier la portéé. Le dispositif objet de la présente invention peut être utilisé pour les forages en terrain rocheux pour faciliter la pénétration aussi bien qu'en terrain meuble ou aquifère, l'injection continue du liquide d'évacuation, qui peut être maintenue indépendamment du travail du trépan, permettant de maintenir le forage toujours en pression, afin d'éviter dans ce cas les éboulements. 'REVENDICATIONS 1 ) - Dispositif constituant un perfectionnement aux têtes de forage dont le trépan est animé de mouvements simultanés de rotation et percussion, Caractérisé par le fait que la force motrice nécessaire au mouvement de percussion dont est animé le trépan est transmise jusqu' à la tête de forage au moyen du liquide injecté sous pression depuis la surface du sol dans les tiges de'forage et qui est utilisé par ailleurs pour l'évacuation des déchets de coupe, ledit liquide sous pression, qui constitue le moyen de transmission de la force motrice à la tête de forage, provoquant le mouvement de percussion, de façon indirecte, par l'intermédiaire d'un organe de percussion de type connu, qui travaille en circuit fermé, utilisant un fluide lubrifiant non chargé de matière solide, mis en pression au moyen d'une pompe entraînée par une turbine, elle-même mise en mouvement par ledit liquide injecté sous pression à travers les tiges de forage, l'ensemble de ces différents organes se trouvant contenu dans la tête de forage. 2 ) - Dispositif selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que la tête de forage, qui, à l'extrémité des tiges de forage, reçoit le liquide primaire sous pression, comporte essentiellement deux corps cylindriques 3 et 4 alignés sur le même axe et constitués chacun par la ou les chambres nécessaires pour contenir les éléments du système, lesdits corps 3 et 4 coulissant entre eux selon leur axe, le corps supérieur 3 étant rendu solidaire, par tout moyen connu ou tel que le cône fileté 1, des tubes de forage avec lesquels il est mis en communication, le corps inférieur 4 portant le trépan 2 à son extrémité inférieure et l'entraînant. 30) - Dispositif selon la revendication- 2, Caractérisé par le fait que les corps 3 et 4 coulissent entre eux selon leur axe, le corps inférieur 4 étant guidé sur le cylindre creux 5 qui est solidaire du corps supérieur 3 et qui comporte à sa partie supérieure les cannelures périphériques longitudinales 6 qui coopèrent avec les cannelures complémentaires 7 du corps inférieur 4 pour l'entrafner en rotation tout en permettant le coulissement longi- tudinal le long de ces cannelures, la partie inférieure du cylindre 5 étant lisse et assurant l'étanchéité extérieure du coulissement grâce au joint torique 43, le mouvement de translation axiale des deux- corps entre eux étant limité par la butée 8 installée sur le cylindre 5. 40) - Dispositif selon la revendication 3, Caractérisé par le fait que les corps 3 et 4, coulissant entre eux, guidés par le cylindre creux 5, forment ensemble une succession de chambres communiquant entre elles et à travers lesquelles le liquide injecté provenant des tiges de forage en vue de lubrifier le front de taille est conduit jusqu'au trépan 2, lesdites chambres contenant successivement la turbine 16, la pompe hydraulique 17, actionnée par elle, le réservoir 18, contenant le fluide moteur intermédiaire, lubrifiant et non chargé, le distributeur 35 qui contrôle la distribution sous pression de ce fluide intermédiaire, et enfin l'organe hydraulique de percussion 21 de type connu. 50) - Dispositif selon la revendication 4, Caractérisé par le fait que la turbine 16 est mise en mouvement par le fluide de lubrification du front de taille qui est acheminé sous pression à travers les tiges de forage, ladite turbine 16 actionnant la pompe 17 qui met en pression le liquide moteur intermédiaire qui anime l'organe hydraulique de percussion 21 sous le contrôle du distributeur 35 du type "by-pass"dont le bras de commande 41, qui, étant maintenu constamment en contact avec la base du cylindre , permet l'acheminement du liquide moteur intermddiaire vers l'organe de percussion 21 quand les corps 3 et 4 sont le plus rapprochés l'un de l'autre, le cylindre 5 plongeant alors au maximum dans la chambre contenue dans le corps 4, et, inversement, renvoie ledit liquide dans le réservoir 18, isolant ainsi l'organe de percussion, quand les corps 3 et 4 s'éloignent l'un de l'autrefi ce qui a pour effet dè rétracter le cylindre 5 par rapport au corps 4. 60) - Dispositif selon la revendication 5, Caractérisé par le fait que le trépan 2, situé à l'extrémité inférieure du dispositif est entraîné par celui-ci en rotation, la queue dudit trépan étant munie de cannelures périphériques longitudinales 26 qui coopèrent avec les cannelures complémentaires dont est munie la pièce 25, rendue solidaire du corps 4, lesdites cannelures 26 permet tau le déplacement longitudinal du trépan 2 sous l'effet de la percus 'ston imprimée par le marteau 22, animé par l'organe de percussion 21, par l'intermédiaire de la masselotte 28 suspendue par la couronne de silentbloc 29 qui assure aussi l'étanchéité entre la chambre 33 dans laquelle se déplace la queue 27 du trépan et la chambre étanche 19 qui contient ledit organe de percussion 21, le mouvement de libretranslation du trépan 2 étant limité par la butée 30. 70) - Dispositif selon la revendication 6, Caractérisé par le fait que le liquide de lubrification du front de taille est acheminé jusqu'à la surface inférieure du trépan i travers les conduits périphériques 20 extérieurs à la chambre intermé- diaire 19 qui contient l'organe de percussion 21, lesdits conduits 20 débouchant dans Ia chambre 33 contenant la queue 27 du trépan, d'ou le liquide est conduit jusqu'à la surface inférieure de celui-ci à travers les conduits 32, puis 34, pratiqués dans la partie inférieure de la queue du trépan. 80) - Dispositif selon la revendication 7, Caractérisé par le fait que la partie inférieure de la queue du trépan, où débouchent les conduits 32 qui conduisent le liquide de front de taille pour l'acheminer vers les conduits 34 que possède le trépan lui-même,est conique, de manière qu'au cours des vibrations les surfaces coniques en contact entre ladite queue et la douille 25 qui la guide s'écartent périodiquement, laissant ainsi échapper du liquide sous pression qui diffuse entre le trépan et la surface inférieure du dispositif, assurant le nettoyage permanent de cette partie mobile et empêchant son entartrage qui risquerait de l'immobiliser. 90) - Dispositif selon la revendication 8, Caractérisé par le fait que organe de percussion 21 de type connu est suspendu librement à l'intérieur de la chambre étanche intermédiaire 19 au moyen du ressort amortisseur 24, ledit organe étant relié hydrauliquement au distributeur 35 à travers la paroi supérieure de ladite chambre intermédiaire. 100) - Dispositif selon la revendication 2, Caractérisé par le fait que la jupe métallique 11 d'un diamètre égal au diamètre extérieur général de la tête de forage est rendue solidaire de la base du corps supérieur 3 de manière à coulisser sur la partie supérieure , convenablement alésée, du corps inférieur 4, abritant ainsi les cannelures 6 qui- solidarisent les deux corps 3 et 4 et permettent leur translation axiale, la tranche inférieure de ladite- jupe et le fond de l'alésage la recevant étant chanfreinés de manière à rejeter vers l'extérieur les débris de forage pouvant atteindre cette partie du dispositif et gêner son coulissement , l'étanchéité à ce niveau étant obtenu grâce au joint torique 12.