Brevet FR2591654A1 — publié le 19870619

l 2591654 L'invention a pour objet un dispositif de maintien de la rectitude d'un forage réalisé en particulier avec un marteau pneumatique du type "fond de trou". Pour réaliser des trous forés, notamment dans l'industrie des mines ou le génie civil,on utilise des ap- pareils de forage comprenant un outil travaillant par rota- tion et percussion et fixé à l'extrémité d'un train de tiges qui sont montées les unes à la suite des autres au fur et à mesure de la progression du forage. L'ensemble est monté sur un appareil qui comprend des moyens de guidage et de poussée sur le train de tiges et des moyens de commande de la rotation et de la percussion. Normalement,le mouve- ment de rotation est appliqué sur le train de tiges qui le transmet à l'outil. Le mouvement de percussion peut éga- lement être appliqué sur le train de tiges par un mécanisme monté sur l'appareil de forage mais,dans certains cas, on préfère utiliser un marteau dit "fond de trou" qui comprend un mécanisme d'actionnement de l'outil.placé à l'extrémité inférieure du train de tiges, de façon à agir directement sur l'outil. Le mécanisme d'actionnement de l'outil est alors placé à l'intérieur d'un corps extérieur allongé en- filé dans le trou et fixé à son extrémité opposée à l'outil sur l'extrémité du train de tiges. Le corps exté- rieur, de même que les tiges elles-mêmes, doit avoir une section transversale inférieure à celle de l'outil de façon à ménager le long de la paroi du trou foré un espace annu- laire permettant la remontée des débris de roches qui for- ment une boue avec de l'eau injectée par le train de tiges et servant à refroidir l'outil. L'utilisation d'un marteau à fond de trou améliore le rendement puisqu'on évite de transmettre la percussion tout le long du train de tiges, et favorise également l'alignement du trou. Cependant,dans certaines applica- tions, notamment pour le forage de roches,cet alignement peut ne pas être suffisant. Pour améliorer l'alignement du trou,on peut placer le long des tiges de forage des organes de centrage munis d'ailettes qui s'appuient sur les parois du trou. Cependant,il en réduite un raclage de la paroi qui peut être préjudiciable à la tenue de celle-ci,notamment dans les forages en terrain hétérogène. L'invention a pour objet un nouveau dispositif permettant de maintenir la rectitude des trous forés,spécialement adaptée à l'utilisation d'un marteau "fond de trou", et n'ayant pas les inconvénients des dispo- sitifs de centrage utilisés jusqu'à présent. Conformément à l'invention,on utilise un disposi- tif de maintien de rectitude qui comprend une gaine d'appui cylindrique enveloppant sur toute sa longueur le corps ex- térieur du mécanisme auquel elle est reliée par des moyens de fixation amovibles, ladite gaine comportant sur sa face externe au moins trois cannelures hélicoidales de diamètre extérieur légèrement inférieur à celui de l'outil,s'enrou- lant en hélice au moins sur un tour complet et séparées les unes des autres par des rainures dont la largeur et la pro- fondeur sont déterminées de façon à assurer une section to- tale de passage suffisante pour la remontée des débris. La gaine d'appui selon l'invention peut être cons- tituée avantageusement par une paroi cylindrique de diamè- tre extérieur légèrement inférieur à celui de l'outil et dans l'épaisseur de laquelle sont ménagées les rainures de passage des débris, cette paroi limitant un alésage interne de section transversale identique à celle du corps exté- rieur Généralement,le corps extérieur du mécanisme d'actionnement de l'outil est fixé à l'ext.rémité du train de tiges par un organe de raccordement. Le moyen de fixa- tion de la gaine sur le corps extérieur peut alors être constitué par une collerette ménagée à l'extrémité de la gaine opposée à l'outil et interposée entre l'extrémité correspondante du corps extérieur et l'organe de raccorde- ment de ce dernier avec le train de tiges. De préférence l'angle d'hélice des cannelures est déterminé de telle sorte que celles-ci soient sensiblement tangeantes en chaque point à la résultante de la vitesse ascensionnelle des débris et de la vitesse de rotation du train de tiges. L'invention sera mieux comprise par la description qui va suivre d'un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple, et représenté sur les dessins annexés. Fig.1 est une vue en coupe axiale d'un marteau "fond de trou" muni d'un dispositif de maintien selon l'in- vention; Fig.2 est une vue en perspective du dispositif; Fig.3 montre l'application du dispositif sur un train de tiges. Sur la figure l,on a représenté l'extrémité d'un ensemble de forage comprenant un outil I monté sur un méca- nisme d'actionnement tel qu'un marteau pneumatique 2 fixé par sa partie opposée à l'outil à l'extrémité 3 d'un train de tiges de forage. Le train de tiges 3 est poussé et en- trainé en rotation par un appareil de forage de tout type connu. Le marteau pneumatique 2,du type "fond de trou" est placé à l'intérieur d'un corps allongé 21 ayant une lon- gueur LI de l'ordre d'un mètre et une largeur L2 du même ordre que le diamètre des tiges de forage. De tels marteaux pneumatiques à "fond de trou"sont bien connus et présentent l'avantage d'exercer l'effort de percussion directement sur l'outil sans passer par le train de tiges avec une perte de rendement inévitable. L'outil I a un diamètre D supérieur à la largeur L2 du corps extérieur 21 du mécanisme de façon à ménager entre celui-ci et la paroi 11 du trou foré un espace annu- laire de largeur e. De façon bien connue,en effet,les tiges 2591 654 de forage sont creuses et permettent d'injecter dans le fond du trou de l'eau qui sert à refroidir l'outil et qui forme d'autre part avec les sédiments des débris de roche, une boue susceptible de remonter vers le haut dans l'espace annulaire 12 ménagé entre la paroi Il du trou et les tiges À Etant donné la largeur L2 assez réduite que l'on est obligé de donner au corps extérieur du mécanisme, celui-ci doit obligatoirement avoir une longueur LI relati- vement importante,par exemple de l'ordre de un mètre. On a observé, selon l'invention,que l'on pouvait utiliser cette particularité pour améliorer la rectitude du forage. En effet,on enfile sur le corps extérieur 21 une gaine d'appui cylindrique 4 ayant un diamètre extérieur D1 légèrement inférieur au diamètre D de l'outil,la différence étant simplement suffiante pour ménager entre la face laté- rale de la gaine 4 et la paroi interne 11 du trou foré,un jeu suffisant pour éviter le blocage de la gaine dans le trou. L'utilisation de marteaux à "fond de trou" favori- sait déjà la rectitude du forage. En permettant, selon l'invention, un appui sur la paroi du trou du corps exté- rieur du mécanisme,pratiquement sur toute sa longueur, on améliore en. core très sensibiement la rectitude puisqu'on empêche tous les désalignements du mécanisme jusqu'à sa jonction avec le train de tiges 3. Cependant, pour permettre la remontée des débris, la gaine 4 doit être munie sur sa périphérie de rainures 41 dont la largeur et la profondeur sont déterminées de façon à laisser une section totale de passage suffisante pour la remontée des débris. L'appui de la gaine 4 sur la paroi 11 du trou se fait alors par les faces externes de cannelures 42 interposées entre les rainures 41.Le nombre et la lar- geur des cannelures 42 est déterminé en fonction de la pro- fondeur que l'on peut donner aux rainures 41 pour assurer d'une part une section de passage suffisante pour les dé- bris et d'autre part une section d'appui suffisante sur la paroi 11 pour que celle-ci résiste à l'abrasion. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, ces deux résultats sont obtenus notamment en donnant aux rainures et aux cannelures une forme hélicoida- le. En effet,comme on l'a représenté sur la figure, les rainures 41 s'enroulent en hélice autour de l'axe 10 du train de tiges et l'angle d'hélice A est choisi de telle sorte que chaque cannelure 42 fasse au moins un tour com- plet sur toute la longueur de la gaine d'appui, le pas P (figure 3) de l'hélice étant donc inférieur à la longueur LI de la gaine.On est ainsi assuré d'obtenir une grande précision d'alignement même en forage de roche. ún effet il est connu en perforation qu'un outil ou taillant de forage à tendance à imprimer au marteau un mouvement orbital qui produit un trou polygonal. Dans le dispositif selon l'invention,chaque cannelure 42 prend ap- pui sur tout le pourtour du trou et s'oppose efficacement au mouvement orbital du taillant. Cet -effet est encore amélioré si l'on utilise trois cannelures régulièrement ré- parties autour de l'axe et qui assurent donc un parfait centrage du taillant. D'autre part la gaine d'appui est, de préférence, entraînée en rotation avec le taillant de telle sorte que les parties du trou 11 sur lesquelles s'appuient les canne- lures de la gaine sont constamment renouvelées, la forme hélicoïidale des cannelures atténuant cependant l'effet d'usure qui pourrait résulter de la rotation. Cette forme hélico'idale peut favoriser l'évacuation des débris.-En ef- fet, selon une caractéristique préférentielle de l'invention,l'angle d'hélice des rainures 41 est choisi de façon qu'en chaque point celle-ci soit sensiblement tan- geante à la résultante de la vitesse ascensionnelle de sé- diments et de la vitesse de rotation du train de tiges. La boue de forage est alors guidée dans les rainures comme dans des canaux dans un mouvement régulier plus efficace 259i654 que la remontée libre des sédiments dans l'espace annulaire J2,les sédiments pouvant d'ailleurs eux mêmes suivre un trajet hélicoïdal pendant toute leur remontée jusqu'à la sortie du trou. Comme on l'a représenté sur la figure 2, la gaine d'appui est avantageusement constituée d'une simple paroi cylindrique 43 limitant un alésage interne 44 de diamètre D2 égal à la largeur L2 du corps extérieur du mécanisme et dans l'épaisseur de laquelle sont ménagées les rainures 41 dont le nombre et les dimensions sont déterminés pour assu- rer une section de passage suffisante des sédiments tout en étant compatible avec la résistance mécanique nécessaire pour supporter les sollicitations appliquées sur la gaine. Celle-ci est munie à son extrémité opposée à l'outil d'une collerette 45 qui vient coiffer l'extrémité correspondante du corps extérieur 21 et qui est avantageu- sement interposée entre ce dernier et un organe de raccor- dement 31 avec le train de tiges 3. En effet,les trains de tiges sont vissés entre eux et avec le corp extérieur 21 par des raccords 31 munis notamment de brides 32.0n peut ainsi forer la collerette 45 entre l'extrémité du corps 21 et la bride d'appui 32 du raccord sur l'extrémité 3 du train de tiges. Le dispositif de maintien qui vient d'être décrit permet d'assurer dans d'excellentes conditions la rectitude du trou. Cependant ce résultat peut encore être amélioré en plaçant au moins une autre gaine d'appui sur le train de tiges. Conmme on l'a représenté sur la figure 3,il serait particulièrement avantageux d'équiper d'une gaine d'appui 40 la dernière tige 30 sur laquelle est fixée le marteau. La gaine d'appui 40 serait constituée, de façon tout à fait analogue à celle qui vient d'être décrite,d'une paroi cy- lindrique limitant un alésage interne de diamètre égal à celui de la tige et muni à au moins une extrémité d'une collerette d'appui interposée entre la tige et la bride 32 du raccord 31 avec la tige adjacente 33. Grâce à cette disposition,on assure donc le guidage de l'outil sur une longueur L3 égale à celle du marteau et de la tige adjacen- te. Bien entendu,on pourrait également munir d'autres tiges d'une gaine d'appui,par exemple en terrain hétérogène pour assurer le guidage dans les parties traversant des couches rocheuses. Cependant,en pratique l'utilisation d'une gaine d'appui sur le marteau et, éventuellement,sur la tige adjacente, donnera un résultat excellent. D'une façon générale,l'invention n'est pas limitée aux détails du mode de réalisation qui vient d'être décrit, d'autres variantes pouvant être imaginées et les moyens équivalents pouvant être employés en restant dans le cadre de protection revendiqué. REVENDICATIONS l.Dispositif de maintien de la rectitude d'un fo- rage réalisé au moyen d'un appareil de forage comprenant un outil à percussion (1) un mécanisme d'actionnement de l'outil, un train de tiges de forage (3) et des moyens de commande de la rotation du train de tiges et du mécanisme d'actionnement de l'outil,ce dernier étant fié directement sur l'outil (1) et placé dans un corps extérieur allongé (2) fixé par sa partie supérieure (21)opposé à l'outil,sur l'extrémité inférieure (31) du train de tiges (3),ces der- nières, ainsi que ledit corps extérieur (2) du mécanisme, ayant une section transversale inférieure à celle de l'outil (1) de façon à ménager le long de la paroi (11) du trou foré un espace annulaire (12) de remontée des débris sous forme de boue,caractérisé par le fait qu'il comprend une gaine d'appui cylindrique (4) enveloppant sur toute sa longueur le corps extérieur (2) du mécanisme auquel elle est reliée par un moyen (45) de fixation amovible,ladite gaine comportant sur sa face externe au moins trois canne- lures hélicoïdales (42) ayant un. diamètre extérieur (Dl)légèrement inférieur à celui (D) de l'outil (l),s'enroulant en hélice au moins sur un tour complet et séparées par des rainures(41)dont la largeur et la profon- deur sont déterminées de façon à assurer une'section totale de passage suffisante pour la remontée des débris. 2.Dispositif de maintien selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la gaine d'appui (4) est cons- tituée par une paroi cylindrique (43) de diamètre extérieur (Dl) légèrement inférieur à celui (D) de l'outil (l)et dans l'épaisseur de laquelle sont ménagées des rainures (41) de passage des débris,ladite paroi (43) limitant un alésage interne (44) de section transversale identique à celle du corps extérieur (2). 3.Dispositif de maintien selon l'une quelconque des revendications I et 2,caractérisé par le fait que le moyen de fixation de la gaine (4) sur le corps extérieur (2) est constitué par au moins une collerette (45) ménagée à l'extrémité de la gaine opposée à l'outil (1) et interpo- sée entre l'extrémité correspondante (21) du corps exté- rieur (2) et l'organe (31)de raccordement de ce dernier à l'extrémité du train de tiges (3). 4.Dispositif de maintien selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé par le fait que l'angle d'hélice (A)des cannelures (42) est déterminé de telle sorte que celles-ci soient sensiblement tangentes en chaque point à la résultante de la vitesse ascensionnelle (Vl)des débris et de la vitesse périphérique(V2)du train de tiges en rotation. 5.Dispositif de maintien selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé par le fait qu'au moins l'une des tiges de forage (30)est équipée d'une gaine d'appui (40)enfilée et fixée sur la tige (30).