Brevet FR2543213A1 — publié le 19840928

La présente invention concerne les dispositifs pour le forage d'exploration et a notamment pour objet un train de forage. Le train de forage selon l'invention peut strie appliqué sur une large échelle dans le génie civil, dans l'agriculture et dans l'amélioration des terresspour le forage de puits dans des conditions hydrogéologiques variées. L'application de l'invention est d'une efficacité maximale dans le forage et l'essai des puits d'explora= tion dans des conditions hydrogéologiques représentées par des terrains meubles et inconsistants à plusieurs nappes aquifères. A l'heure actuelle, le forage de puits d'exploration par la méthode drInjectlon inverse prend de plus en plus d'importance dans latecklique de forage de puits producteurs d'eau. On connaR.t un train de forage pour la réalisation et l7essai de puits, comprenant une double colonne de tiges composee de tiges de forage disposées de manière concentrique, un outil de forage disposé à l'extrémité inférieure de la colonne de tiges et un mélaneur e Le forage par le train de forage connu est effectué par injection inverse. Le fluide de forage utilisé dans le train de forage connu est injecté dans l'espace annulaire entre les tiges de forage, arrivez à travers le mélangeur, dans la colonne intérieure de tiges de forage, entrasse les déblais et les remonte à la surface. L'inconvénient de ce train de forage connu est qu'il est impossible de l'utiliser pour l'essai des couches aquifères sans opérations supplémentaires de montée et de descente. Pour essayer les couches aquifères, il est nécessaire de descendre dans la colonne intérieure de tiges de forage une colonne supplémentaire pour le pompage d'essai à l'air en vue d'essayer les couches aquifères. Le nombre d'opérations de montée et de descente est égal au nombre de couches aquifères. On connaît un autre train de forage, comprenant une tête d'injection-distributeur, des tiges de forage doubles disposées de manière concentrique, un éjecteur (des buses) et un outil de forage fixé à l'extrémité inférieure des tiges de forage. Le forage à l'aide de ce train de forage connu est également effectué par le procédé d'injection inverse du fluide de forage, et est réalisé de manière qu'il n'y ait pratiquement pas d'intervalle entrela tige extérieure et la paroi du puits, ce qui crée des conditions favorables pour la localisation et l'essai de nombreuses couches aquifères faiblement productrices. La particularité du train de forage connu considéré consiste en zence que pour vessai d'une couche aquifère et sa remontée après l'essai, il est nécessaire de descendre au fond, à travers la colonne de tiges intérieure, un filtre à tamise Comme, normalement, on essaie plusieurs couches aquifères dans chaque puits, les opérations de descente et de remontée du filtre occupe une part importante du temps de forage, ce qui a pour effet de réduire le rendement global de l'outil de forage. On s'est donc proposé de créer un train de forage permettant le forage et l'essai des couches aquifères au cours de la réalisation d'un puits en utilisant -à cette fin une même colonne de tiges de forage Ce problème est résolu à l'aide d'un train de forage destiné au forage de puits et à leur essai au cours du forage, comprenant un outil de forage réalisé sous forme d'un trépan central et d'un trépan périphérique et fixé sur la colonne de tiges de forage, dans laquelle sont prévus des canaux pour l'amenée du fluide de forage à l'outil et pour la remontée du fluide entraRnant les déblais, caractérisé, selon l'invention, an ce que le trépan périphérique est monté sur une tige porteuse per- forée jointe à la colonne de tiges de forage et pourvue intérieurement d'un élément filtrant et d'une soupape par laquelle elle communique avec le canal d'amenée du fluide de forage, et que la tige porteuse renferme une tige intérieure communiquant avec le canal de remontée des déblais et percée de trous radiaux et sur laquelle est monté de façon mobile le trépan central pouvant prendre une position de travail et une position sortie et fixé sur un élément actionneur réalisé de manière.et à ouvrir la soupape, lorsque le trépan central se trouve en position de travail, pour amener le fluide de forage dans 1'espace annulaire par les perforations de la tige porteuse, et à ouvrir les trous de la tige intérieure et fermer la soupape, lorsque le trépan central se trouve an position sortie, pour prélever du fluide de gisement par les perferations de la tige porteuse. Ce mode de réalisation du train de forage permet d'augmenter le rendement de forage de 10 à 15 %. il est préférable que l'élément actionneur soit réalisé sous forme d'une tubulure en tiroir montée de manière mobile sur la tige intérieure et percée de trous radiaux disposes de manière qutils soient masqués par les parois de la tige intérieure, lorsque le trépan central se trouve en position de travail, et qu'ils se placent en face des trous de la tige intérieure lorsque le trépan central se trouve en position sortie. Ce mode de réalisation de l'élément actionneur permet d'essayer les couches aquifères sans remontée du train de forage. Il est avantageux de réaliser la soupape sous forme d'un bourrelet à la surface intérieure de la tige porteuse, de manière à former un siège de soupape, et d'un bourrelet à la surface extérieure de la tubulure en tiroir, cet autre bourrelet pouvant être mis en contact avec le premier bourrelet et formant un corps de soupape. Ce mode de réalisation de la soupape augmente sa sécurité de fonctionnement. Il est préférable de disposer la tubulure en tiroir de manière qu'elle puisse se déplacer librement dans le sens axial dans la tige intérieure sous l'action de son propre poids, lorsque le trépan central se trouve en position sortie. Ceci assure la mise en action automatique de 1 'éjecteur annulaire. Il est avantageux de pratiquer, dans la partie de la tige intérieure orientée vers la colonne de tiges de forage, un canal éjecteur annulaire qui est masqué par la tubulure en tiroir, lorsque le trépan central se trouve en position de travail, et communique avec le canal d'amenée du fluide de forage, lorsque le trépan central se trouve en position sortie. Ceci permet d'assurer une bonne qualité de l'essai des couchesaquifères. Il est préférable de doter la tige intérieure d'un dispositif d'ascension ou de remontée à l'air, ou "air-lift', disposé au-dessus du canal éjecteur, et de prévoir dans la colonne de tiges de forage un canal d'amenée d'air comprimé audit dispositif d'ascension à l'air. Ce mode de réalisation permet d'intensifier la remontée du fluide de forage0 L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle ci apparaRtront mieux à la lumière de la description explicative détaillée qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatif s avec références aux dessins non lInLitatifs annexés dans lesquels . - la figure 1 représente une vue d'ensemble de l'outil de forage en position de travail, en coupe longitudinale, selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1 - la figure 3 est une vue d'ensemble de l'outil de forage en position sortie, en coupe longitudinale, selon l'invention - la figure 4 est une vue en coupe suivant IV-1V de la figure 1. Le train de forage faisant l'objet de l'invention (figure 1) comprend un outil de forage 1 se composant d'un trépan central 2 et d'un trépan périphérique 3 fixé sur la colonne 4 de tiges de forage0 La colonne 4 de tiges de forage comprend une tige de forage intérieure 5 et une tige de forage extérieure 6 entre lesquelles est formé un canal annulaire 7 (figures 1,2) partagé en deux canaux 9 et 10 par des cloisons radiales 8 fixées de manière rigide à la tige intérieure 5 et à la tige extérieure 6. Le canal 9 sert à l'amenée du fluide de forages et le canal 10, à l'amen d'air comprimé. Le trépan périphérique 3 est fixé sur une tige porteuse perforée Il munie intérieurement dvun élément filtrant 12 et reliée à la colonne 4 de tiges de forage La tige porteuse perforée Il est pourvue d'une soupape 13 par laquelle elle communique avec le canal 9 d'amenée du fluide de forage. La tige porteuse perforée Il renferme une tige intérieure 14 communiquant avec le jazz canal 9 et percée de trous radiaux 15, 15' e La remontée des déblais se fait par le canal 16. La tige intérieure 14 porte un élément actionneur 17 sur lequel est monté le trépan central 2 et qui peut prendre une position de travail et une position sortiez L'élément actionneur 17 est percé de trous radiaux 18, 18' et muni intérieurement, dans la zone des trous 18, 18'y:de bagues d'étanchéité 19, 19' D'élément actionneur 17 est réalisé de manière à pouvoir masquer les trous 15, 15' de la tige intérieure 14 et à ouvrir la soupape 13, lorsque le trépan central 2 se trouve en position de travail. La transmission du couple de rotation de la colonne 4 de tiges de forage au trépan central 2 est assurée par les surfaces profilées 20 et 21 (figure 4) réalisées respectivement dans les parties inférieures de la tige perforée Il et de l'élément actionneur 17. La soupape 13sercd l'amenée du fluide forage du canal 9 vers l'espace annulaire a travers les perforations de la tige iîetàl'ouverture des trous 15 de la tige intérieure 14 lorsque le trépan central 2 se trouve en position sortie, pour prélever du fluide de gisement. L'élément actionneur 17 peut Gtre réalisé sous forme d'une tubulure en tiroir 22 montée de manière mobile sur la tige intérieure 14 percée de trous radiaux 15, 15' Les trous 18, 18' sont disposés de manière qu'ils soient fermés parles parois de la tige intérieure 14, lorsque le trépan central 2 se trouve en postion de travail, et coïncident avec les trous 15, 15t de la tige intérieure 14, lorsque le trépan central se trouve en position sortie. La soupape 13 peut être réalisée sous forme dans bourrelet 23 à la surface intérieure de la tige porteuse Il de manière à former le siège de la soupape 13, et d'un bourrelet 24 à la surface extérieure de la tubulure en tiroir 22, pour former le corps de la soupape 13, pouvant être mis en contact avec le bourrelet 23 de la tige porteuse 11. sur une partie de la tige intérieure 14 est pratiqué un canal éjecteur annulaire 25 qui peut être masqué par la tubulure en tiroir 22, lorsque le trépan central 2 se trouve en position de travail (la positon de travail est celle de forage du puits), ou mis en communication avec le canal 9 pour l'amenée du fluide de forage,. lorsque le trépan central 2 se trouve en position sortie, La tige intérieure 5 de la colonne 4 est pourvue d'un dispositif d'ascension à l'air 26. Ce dernier communique avec le canal 10 d'amenée d'air comprimé, prévu dans la colonne 4 de tiges de forage. Le train de forage selon l'invention peut être utilise dans n'importe quel appareil de forage rotary équipé d'une pompe de forage et d'un compresseur e Le train de forage fonctionne de la manière suivante. L'appareil de forage, muni du train de forage, est placé au point de forage, où l'on procède à son montage. Le train de forage est introduit dans un avantpuits préalablement creusé et communiquant avec une fosse de décantation creusée d'avance et remplie de fluide de forage (d'eau industrielle). Après avoir introduit le train de forage dans l'avant- puits, on met en marche la pompe de forage (non représentée) de l'appareil de forage, dont le tuyau d'aspiration est immergé dans la fosse de décantation remplie de fluide de forage. Le fluide de forage est alors injecté depuis la fosse de décantation (non représentée) dans le canal 9 prevu dans la colonne de forage 4, puis dans l'espace annulaire à travers la soupape 13 ouverte, l'espace entre la tige perforée 11.etl'élément actionneur 17 et à travers les trous de la tige perforée 11.Puis on met le train de forage en rotation et le fluide de forage entraînant les déblais de forage sous forme de boue, arrive dans le canal 16 de la tige intérieure 14, remonte à la surface et arrive au décanteur, où les déblais de forage se dé- posent, alors que le fluide de forage est è nouveau injecté par la pompe de forage dans le canal 9 de la colonne 4 de tiges de forage. Le forage rotary du puits continue jusqu'à ce qu'une couche aquifère soit atteinte. Lorsque le train de forage pénetre dans une couche aquifère, on le remonte de 0,5 à i m aumdessus du fond du puits et l'on continue à injecter le fluide de forage dans le canal 9 à travers la tête d'injectlon distributeur et à amener l'air comprimé dans le canal 10 depuis le compresseur. Sous l'action de la pressioaa du fluide de forage et de son propre poids, la tubulure en tiroir 22 (figure 3) descend vers sa position inférieure (position sortie) jusqu'à ce que le corps de la soupape 13, réalisé sous forme de bourrelet 24 sur l'élément actionneur 17, vienne se poser sur le siège de la soupape 13 réalisé sous forme de bourrelet 23 sur la tige perforée 11. Les trous radiaux 15, 15? de la tige intérieure 14 se trouvent alors placés en face des trous radiaux 18, 18' de l'élément actionneur 17, de sorte que la cavité de la tige intérieure 14 communique maintenant avec l'espace annulaire. La fermeture de la soupape 13 a pour effet que les espaces situés au dessus et au-dessous d'elle se trouvent isolés l'un de l'autre et que le fluide de forage traversant le canal éjecteur annulaire 25 crée une dépression qui provoque un afflux du fluide de gisement contenu dans la couche. Le liquide provenant de la couche productive passe par l'élément filtrant 12 de la tige perforée Il et les trous radiaux 18, 18g de ltélément actionneur 17 se trouvant en face des trous 15, 15t de la tige intérieure 14 et arrive dans le canal 16 de la tige intérieure 14. En même temps, l'air comprimé arrive dans le canal 10 de la colonne de forage 4 à travers la teste dtin3ection- distributeur, puis dans le dispositif de remontée à l'air 26 et crée une dépression supplémentaire qui active la remontée du fluide de gisements Après avoir terminé l'essai de la couche productive, on descend à nouveau ltout de forage au fond du puits, en le mettant en même temps en rotation et en injectant le fluide de forage ; à ce moment, l'élément actionneur 17 occupe avec le trépan central 2 la position de travail et le forage se poursuit jusqu'à ce que la couche à essayer suivante soit atteintes REVENDICATIONS 1. Train le forage pour le forage et l'essai de puits en cours de réalisation, comprenant un outil de forage (1) réalise sous forme d'un trépan central et d'un trépan périphérique (2, 3) et fixé sur une colonne (4) de tiges de forage dans laquelle sont prévus des canaux pour l'amenée du fluide de forage à l'outil et pour la remontée des déblais, caractérisé en ce que le trépan périphérique (3) est monté sur une tige porteuse perforée (11) jointe à la colonne (4) de tiges de forage et pourvue intérieuremexlt d'un élément filtrant (12) et d'une soupape (13) par laquelle elle communique avec un canal (9) d'amenée du fluide de forage, et que dans la tige porteuse (11) est disposée une tige intérieure (14) percée de trous radiaux (15, 15') et communiquant avec le canal (16) de remontée des déblais, sur laquelle est monté le trépan central(2) pouvant prendre wle position de travail et une position sortie et fixé sur un élément actionneur (17) réalisé de manière à pouvoir fermer les trous (15S 15') de la tige intérieure (14) et ouvrir la soupape (13), lorsque le trépan central (2) se trouve en position de travail, pour permettre au fluide de forage d'arriver dans l'espace annulaire à travers les perforations de la tige porteuse (11), et à ouvrir les trous de la tige intérieure (14) et fermer la soupape ( lorsque le trépan (2) se trouve en position sortie, pour permettre le prélèvement du fluide de gisement à travers les perforations dDla tige porteuse (11). 2. Train. de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément actionneur (17) est réalisé sous forme d'une tubulure en tiroir (22) montée de manière mobile sur la tige intérieure (14) et percée de trous radiaux (18) disposés de manière qu'ils soient fermés par les parois de la tige Intérieure (14), lorsque le trépan central (2) se trouve en position de travail, et qu'ils soient placés en face des trous (15, 15') de la tige intérieure (14), lorsque le trépan central (2) se trouve en position sortie. 3. Train de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la soupape (13) est réalisée sous forme d'un bourrelet (23) sur la surface intérieure de la tige porteuse (11), pour former le siège de la soupape (13), et d1un bourrelet (24) sur la surface extérieure de la tubulure en tiroir (22), qui forme le corps de la soupape (13) et qui peut entrer en contact avec le bourrelet (23). 4. Train de forage selon ltune des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la tubulure en tiroir (22) est montée de manière à pouvoir se déplacer librement dans le sens axial dans la tige intérieure (14) sous l'action de son propre poids lorsque le trépan central (2) se trouve en position sortie. 5. Train de forage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans la partie de la tige intérieure (14) tournée vers la colonne de tiges de forage est pratique un canal éjecteur annulaire (25) fermé par la tubulure en tiroir. (22), lorsque le trépan central (ê) se trouve en position de travail, et com- muniquant avec le fanal (9) d'amenée du fluide de forage, lorsque le trépan central (2) se trouve en position sortie. 6. Train de forage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la tige intérieure (14) est dotée d'un dispositif d'ascension par injection d'air (26) disposé au-dessus du canal éjecteur (25), et en ce qu'un canal (10) est prévu dans la colonne (4) de tiges de forage, pour amener l'air comprimé audit dispositif.