Brevet FR2625767A1 — publié le 19890713

La présente invention concerne un procédé et une installation de mesure de la perméabilité de terrains traversés au cours de l'avancement d'un forage. Traditionnellement la mesure de la perméabilité des terrains traversés au cours d'un forage s' effectue d'une manière indépendante de la foration, c'est-à-dire après le retrait du train de tiges et de l'outil de foration hors du trou foré. Les procédés classiques actuellement utilisés sont les essais de pompage avec mesure du rabattement dans le forage ou dans des forages adjacents, les essais ponctuels d'absorption du type LE FRANC ou BRILLANT (à charge constante ou débit constant) ou encore les essais ponctuels d'injection d'eau du type LUGEON, avec mesures des débits et des pressions. Seul ce dernier type d'essai peut être réalisé dans des forages s'étendant dans n'importe quelle direction, les deux autres types d'essais ne pouvant être effectués que dans des forages grossièrement verticaux. Pour les travaux de galerie, en génie civil ou dans le domaine minier, il est très important de pouvoir reconnaître la zone de terrain en avant du front de taille et notamment de reconnaître la présence de zones potentiellement aquifères qui peuvent modifier l'avancement de la galerie, en exigeant un traitement préalable du terrain ou un changement de direction de l'avancement ou un changement de technique d'abattage. Lorsque cette reconnaissance n' est pas possible depuis la surface, ce qui est souvent le cas, on réalise habituellement un forage à partir du front de taille. A ce forage sont associées un certain nombre de mesures indirectes en cours de forage, qui ne permettent qu'une approche grossière de la perméabilité des terrains rencontrés. Pour connaitre cette perméabilité avec davantage de précision, il faut réaliser des essais de type LUGEoN, ce qui né-cessite l'arrêt de l'avancement de la galerie en dehors du temps imparti pour le forage proprement dit. C'est pourquoi il est économiquement intéressant de pouvoir réaliser un essai de perméabilité fiable, au cours du temps de forage, sans avoir à retirer le train de tiges du trou foré. En effet le gain de. temps correspondant peut s'exprimer en heures d'arrêt du chantier.De plus cet essai doit fournir une information fiable et par conséquent il ne peut s'agir que d'une mesure directe. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en procurant un procédé et une installation permettant de réaliser un essai de mesure directe de la perméabilité à l'avancement, sans avoir à retirer le train de- tiges du trou foré. A cet effet ce procédé de mesure de la perméabilité de terrains traversés au cours de l'avancement d'un forage destructif exécuté au moyen d'une foreuse entraînant en rotation un train de tiges portant un outil de foration à son extrémité, est caractérisé en ce qu'on incorpore préalablement dans le train de tiges, au début du forage, un tronçon de tige spécial portant un obturateur gonflable, à une certaine distance en arrière de l'outil de foration, puis, lorsque l'on désire effectuer une mesure de perméabilité, on arrête la rotation du train de tiges, on gonfle l'obturateur en introduisant dans celui-ci du fluide de forage sous une forte pression, de manière à appliquer l'obturateur gonflé, d'une manière étanche, contre la paroi du trou et à isoler ainsi une chambre de test entre l'obturateur gonflé et le fond du trou foré, on établit ensuite une communication entre la chambre de test et l'intérieur du train de tiges rempli de fluide de forage, tout en maintenant l'obturateur gonflé, et on mesure, à l'extérieur'du trou, la variation de la pression du fluide de forage contenu dans le train de tiges, c'est-è-dire la pression dans la chambre de test, pendant un intervalle de temps prédéterminé, puis on dégonfle l'obturateur et on reprend le forage par rotation du train de tiges. L'invention a également pour objet également une installation mettant en oeuvre le procédé susmentionné. Le procédé et l'installation suivant l'invention offrent l'avantage que l'obturateur gonflable et son dispositif de mise en oeuvre sont associés au train de tiges du forage et par conséquent il n'y a aucune manoeuvre supplémentaire à effectuer, en dehors de la commande du gonflage de l'obturateur, lors de la réalisation de la mesure. Le procédé suivant l'invention met en oeuvre, pour l'interprétation des résultats de la mesure, un logiciel spécialement adapté à cet effet. L'essai réalisé est du type transitoire, on interprète le comportement hydraulique du terrain et on cale les paramètres hydrostatiques de la zone testée sur la courbe réelle de l'essai en régime transitoire au fur et à mesure de la réalisation de celui-ci. L'interprétation fournit alors divers paramètres tels que transmissivité, ouverture de la fracture (en milieu rocheux), perméabilité de Darcy, perméabilité intrinsèque, porosité de formation. On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue en coupe verticale et axiale d'une installation de forage permettant de mettre en oeuvre le procédé de mesure de la perméabilité des terrains à l'avancement, suivant l'invention. Les figures 2A,2B,2C,2D sont des vues en coupe axiale partielles du dispositif de commande de l'obturateur gonflable dans diverses positions opérationnelles. L'installation de forage représentée sur la figure 1 comprend une foreuse de type connu, non représentée sur le dessin, qui entraîne en rotation un train de tiges 1 forant en destructif un trou 2 au moyen d'un outil de foration 3 fixé à l'extrémité du train de tiges. Le train de tiges 1 traverse, de la manière habituelle, un tubage externe 4 qui est scellé en 5 dans le terrain 6 à travers lequel est foré le trou 2. Ce tubage 4 comporte, à son extrémité externe, un dispositif à presse-étoupe et joint tournant 7. Le train de tiges 1 est relié, de la manière habituelle, à une source de fluide de forage, en général de l'eau, par l'intermédiaire d'un tuyau flexible 8 et d'une vanne 9. Le train de tiges 1 porte, à des intervalles prédéterminés, des centreurs ainsi qu'un tronçon de tige spécial 11 situé à une certaine distance en arrière de l'outil de foration 3. Ce tronçon de tige spécial 11 porte un obtura- teur gonflable 12 de manière à délimiter, avec le fond du trou foré, une chambre de test 10 de longueur L. A l'extérieur du trou foré, l'intérieur du train de tiges 1 peut être mis en communication, lors de la mesure de la perméabilité, par l'intermédiaire d'une vanne 13, avec un capteur manométrique 14 relié par l'intermédiaire d'un convertisseur 15, à un ordinateur 16 d'acquisition et d'interprétation de la mesure. Un dispositif assurant le gonflage et le dégonflage de l'obturateur 12 est représenté d'une manière plus détail lée, à titre d'exemple non limitatif, sur les figures 2A à 2D. L'obturateur gonflable 12 est constitué par un manchon en matériau élastique qui est porté par le tronçon de tige spécial 11. Ce tronçon 1 1 comprend un corps cylindrique tubulaire comportant deux parties lia distantes l'une de l'autre, de même diamètre, entre lesquelles s' étend le manchon élastique 12 et auxquelles celui-ci est fixé à ses deux extrémités longitudinales. Le tronçon spécial 11 comporte, à partir de la partie lia située du côté de l'orifice du trou foré, une partie tubulaire coaxiale 1 lb de plus petit diamètre s'étendant en direction de cet orifice. Le tronçon spécial 11 comprend également une partie tubulaire lic qui s'étend axialement de part en part à travers le manchon gonflable 12, entre les deux parties lia, et qui assure la continuité du passage du fluide de forage. Le tronçon spécial 11 constitue l'un des tronçons du train de tiges 1 et il est raccordé, à ses deux extrémités, à deux tronçons de tiges classiques. La partie llb de petit diamètre qui s'étend en direction de l'orifice du trou foré, reçoit, à l'intérieur, la partie extrême dtun distributeur tubulaire 18 qui est relié au tronçon de tige immédiatement adjacent. Le distributeur 18 comporte, à son extrémité située à l'intérieur de la partie llb, un rétrécissement formant un siège 19 pour un clapet à bille 21.La partie ex trême de l'obturateur 18 comportant le siège 19 est engagée à coulissement étroit dans l'alésage de la partie tubulaire de petit diamètre ilb. Cette partie llb comporte, dans sa partie ou pénètre itobturateur 12, une chambre interne lid de plus grand diamètre que le diamètre externe de l'obtura teur 18 et dans laquelle est logée une saillie annulaire externe 22, formant piston de guidage, qui est solidaire de l'obturateur 18. La paroi cylindrique de l'obturateur 18 est percée d'un trou 23 qui débouche dans la chambre lid, lorsque l'obturateur 18 se trouve dans sa position extrême gauche (figure 2A). Dans cette chambre lld débouche également un conduit longitudinal 24 qui est percé de part en part dans le corps du tronçon 11 et qui fait communiquer la chambre lid avec l'intérieur du manchon gonflable 12.Ce conduit 24 débouche à cet effet dans la face frontale de la partie lia de grand diamètre à laquelle le manchon gonflable 12 constituant l'obturateur est raccordé. Pendant le forage, c'est-à-dire pendant la rotation du train de tiges 1 l'obturateur 12 est dégonflé, comme il est représenté sur la figure 2A, et dans cette position il se trouve alors à fleur avec les parties de grand diamètre lia du tronçon spécial 11 le supportant. Le distributeur 18 se trouve en position extrême gauche, c'est-à-dire du côté de l'orifice du trou foré, et le fluide de forage s'écoule axialement, de la gauche vers la droite, à travers le distributeur 18 et la partie tubulaire coaxiale lic du corps 11, pour atteindre l'outil de foration 3. Lorsque l'on désire mesurer, au cours de l'avancement, la perméabilité des terrains- rencontrés, on arrête la rotation du train de tiges 1 et on introduit, dans ce train de tiges, un clapet à bille 21. Le clapet à bille 21 qui est généralement en chlorure de polyvinyle, a un diamètre légèrement inférieur au diamètre interne du train de tiges 1 et il est entraîné par le fluide de forage jusqu'à ce qu'il arrive contre le siège 19 contre lequel il demeure plaqué du fait de la pression du fluide en amont.Le clapet à bille 21 se trouvant alors appliqué sur son siège 19, le fluide de forage ne peut plus s'écouler directement à tra vers ce siège en direction de la partie tubulaire coaxiale lîc et il est alors obligé de passer, à travers le petit trou 23, dans la chambre interne lîd puis, à travers le conduit 24, à l'intérieur de l'ob-turateur gonflable 12, ce qui provoque le gonflage de celui-ci, comme il est représenté sur la figure 28. L'obturateur gonflé 12 est alors ainsi plaqué d'une manière étanche contre la paroi du trou foré 2, ce qui assure une obturation totale de la chambre de test 10, ayant une longueur L de 5 à 10 mètres, s'étendant entre l'obturateur 12 et le fond du trou. Une fois l'obturateur 12 ainsi gonflé correctement pour assurer l'étanchéité de la chambre de test 10, on déplace mécaniquement ou hydrauliquement le distributeur 18 de la gauche vers la droite, de manière que son piston annulaire 22 vienne occuper sa position extrême droite, c'est-à- dire située du côté du fond du trou foré, dans la chambre interne îîd comme il est représenté sur la figure 2C. Dans cette position le petit trou de communication 23 se trouve au contact de la paroi de la partie llb, si bien que la communication entre l'intérieur de ltobturateur gonflable 12 et la chambre interne lîd est interrompue. L'obturateur 12 se trouve ainsi isolé et il demeure gonflé en conservant sa pression interne. On augmente alors la pression du fluide de forage dans le distributeur 18, après ouverture de la vanne d' in- jection 9, afin de provoquer l'expulsion du clapet à bille 21 en le cisaillant sur son siège 19. Une libre communication est alors rétablie entre le distributeur 18 et la partie tubulaire coaxiale llc. L'ensemble des pièces se trouvent alors dans la position illustrée sur la figure 2D. Cette position atteinte, on ferme la vanne d'injection 9 et on ouvre la vanne 13 de manière à relier le capteur manométrique 14 à l'intérieur du train de tiges 1. Ce capteur 14 mesure alors la pression instantanée P du fluide de forage remplissant la chambre de test 10 et le train de tiges 1 et on enregistre la variation de cette pression P pendant une période de temps prédéterminée. Cette variation de pression est alors interprétée par l'ordinateur 16 qui peut, grâce à un logiciel approprié, donner une indication de la perméabilité du terrain à l'endroit de la chambre de test 10. Une fois cette mesure de perméabilité terminéej onprovoque le dégonflage de l'obturateur 12 en ramenant le distributeur 18, mécaniquement ou hydrauliquement, dans sa position extrême gauche représentée sur la figure 2A. Dans cette position le trou 23 établit de nouveau une communication entre l'intérieur de l'obturateur 12 et l'intérieur du train de tiges 1, ce qui provoque le dégonflage de l'obturateur 12 du fait que la pression interne de celui-ci est supérieure à celle du fluide de forage à l'intérieur du train de tiges. Une fois l'obturateur 12 dégonflé, le forage peut reprendre par entraînement en rotation du train de tiges 1. REVENDICATIONS 1.- Procédé de mesure de la perméabilité de terrains traversés au cours de l'avancement d'un forage exécuté au moyen d'une foreuse entraînant en rotation un train de tiges portant un outil de foration à son extrêmité, caractérisé en ce qu'on incorpore préalablement dans le train de tiges (1), au début du forage, un tronçon de tige spécial (11) portant un obturateur gonflable (12) à une certaine distance en arrière de l'outil de foration (3), puis, lorsque l'on désire effectuer une mesure de perméabilité, on arrête la rotation du train de tiges (1), on gonfle l'obturateur (12) en introduisant dans celui-ci du fluide de forage sous une forte pression, de manière à appliquer l'obturateur gonflé (12), d'une manière étanche, contre la paroi du trou et à isoler ainsi une chambre de test (10) entre 1' obturateur gonflé (12) et le fond du trou foré, on établit ensuite une communication entre la chambr-e de test (10) et l'intérieur du train de tiges (1) rempli de fluide de forage, tout en maintenant l'obturateur gonflé, et on mesure, à l'extérieur du trou, la variation de la pression du fluide de forage contenu dans le train de tiges, c' est-à-dire la pression dans la chambre de test (10), pendant un intervalle de temps prédéterminé, puis on dégonfle l'obturateur (12) et on reprend le forage par rotation du train de tiges (1). 2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on provoque le gonflage et le dégonflage de l'obturateur (12) par un mouvement de translation axiale relatif de deux éléments (18,11) faisant partie du train de tiges (1). 3.-Installation de mesure de la perméabilité de terrains traversés au cours de l'avancement d'un forage exécuté au moyen d'une foreuse entraînant en rotation train de tiges portant un outil de foration à son extrêmité, ca ractérisée en ce qu'elle comprend un tronçon de tige spécial (11) portant un obturateur gonflable (12), situé à une certaine distance en arrière du trou foré, pour délimiter, entre l'obturateur gonflable (12) et le fond du trou foré, une chambre de test (10) de longueur (L) prédéterminée, des moyens (18-24) pour gonfler et dégonfler à distance l'obturateur (12) dans le trou de manière à pouvoir isoler la chambre de test (10), et des moyens (13,14) pour mesurer la variation de la pression du fluide de forage dans le train de tiges (1) et la chambre de test (10), lorsque celle-ci est isolée de l'extérieur par l'obturateur (12) gonflé. 4.- Installation suivant la revendication 3 caractérisée en ce qu'elle comprend un distributeur tubulaire (18) qui est monté à coulissement axial dans un corps cylindrique du tronçon de tige spécial (il) lequel porte, sur une partie de sa longueur, un manchon en matériau élastique constituant l'obturateur gonflable (12), ce manchon étant fixé, à ses deux extrémités longitudinales, à des parties de grand diamètre (lia) de ce corps cylindrique lequel comporte une partie tubulaire coaxiale (llb) de plus petit diamètre s'étendant en direction de l'orifice du trou foré et dans laquelle est engagé l'obturateur (18), le corps du tronçon de tige spécial (11-) comprenant également une partie tubulaire (lac) qui s'étend axialement de part en part à travers le manchon gonflable (12) et qui assure la continuité du passage du fluide de forage, le distributeur (18) comportant, à son extrémité située à l'intérieur de la partie tubulaire (llb) du corps, un rétrécissement formant un siège (19) pour un clapet à bille (21), la partie tubulaire (llb) du corps comportant une chambre interne (lld) de plus grand diamètre que le diamètre externe de l'obturateur (18) et dans laquelle est logée une saillie annulaire externe (22) formant un piston de guidage qui est solidaire de l'ob- turateur (18), la paroi cylindrique de cet obturateur (i8) est percée d'un trou (23) qui débouche, lorsque l'obturateur (18) est dans sa position extrême située du côté de l'orifice du trou foré, dans la chambre interne (lid) dans laquelle débouche également un conduit longitudinal (24) percé de part en part dans le corps et faisant communiquer la chambre (lld) avec l'intérieur du manchon gonflable (12), l'orifice (23) étant par contre en regard de la surface interne de la partie tubulaire(llb), lorsque l'obturateur (18) se trouve dans son autre position extrême située du côté du fond du trou foré.