Brevet FR2691257A1 — publié le 19931119

PENETROMETRE La présente invention a pour obiet un pénétromètre destiné en particulier, mais non exclusivement, à conduire une investigation géotechnique des terrains en mer. L'essai pénétrométrique, couramment utilise comme moyen d'investigation des sols, consiste à faire pénétrer dans le terrain à une vitesse constante normalisée de 2cm/s., une tige cylindrique d'un diamètre normalise de 36 mm équipée d'un certain nombre de capteurs permettant de mesurer, pendant l'enfoncement, certaine paramètres tels que résistance de pointe et frottement latéral. Les sondes pénétrométriques "fond de trous sont des outils qui, descendus à l'intérieur d'un train de tiges de sondage, permettent la réalisation de l'essai pênêtromêtrique dans les terrains situes sous l'extrémité de ce train de tiges. Ces sondes intègrent une tige pénétrométrique de quelques mètres de longueur dont la te te est liée au piston d'un vérin. La pénétration de la tige dans le terrain est obtenue en actionnant le vélin. La vitesse de pénétration etant constante, l'effort de poussee doit à tout moment équilibrer la résistance à la pénétration du terrain qui varie en permanence.La capacité de poussée, fixant la limite opérationnelle des sondes est en général de 100 kilonewtons. Dans les outils existants, le vérin est hydraulique II est alimente depuis une centrale hydraulique par un liquide sous pression circulant dans un conduit flexible. Pour obtenir les 100 kilonewtons de capacité, la pression hydraulique doit atteindre plusieurs centaines de bars. La nécessité d'alimenter un vérin par des flexibles sur des longueurs de plusieurs dizaines de mètres , avec un débit d'alimentation qui doit être parfaitement constant, sous des pressions variant, en permanence, de zéro à plusieurs centaines de bars, entrain des contraintes sevères qui aboutissent à des solutions techniques lourdes, onéreuses et fragiles, notamment en ce qui concerne les flexibles et les systemes de régulation. Ces contraintes sont encore plus pénalisantes dans le cas des opérations en mer au cours desquelles la distance atteint couramment plusieurs centaines de mètres. La présente invention a pour objet de pallier cet inconvénient. Selon la présente invention, le pénétromètre comprenant une tige montee coulissante à l'intérieur d'un cylindre sous l'action d'un piston, est caractérisé en ce que l'une des chambres du cylindre constitue une resserve d'énergie, qui est chargée en gaz sous pression avant la descente du pénétromètre, une seconde chambre chargee par un liquide sous pression présentant une fuite calibrée télécommandée, la tige du pénétromètre etant mobile dans ladite seconde chambre. Il est ainsi possible d'éviter l'alimentation en fluide hydraulique à partir du navire de surface. Seul un câble électrique de commande et de mesure relie le navire au pénétromètre. Ce câble de petite dimension peut être facilement manoeuvre. La présente invention est basée sur l'idée qu'une sonde pénétrométrique est un outil monocoup, c'est à dire qu'apres avoir effectue une pénétration dans le sol, il doit nécessairement être remonte en surface en vue de son réarmement. Ce réarmement consiste dans le retrait de la tige à l'intérieur du cylindre. En effet, la tige pênêtromêtrique est d'une longueur limitée, par exemple trois mètres, et après une progression de cette hauteur, il faut rentrer la tige dans le cylindre afin d'effectuer une nouvelle progression après forage du trou précédent et descente des tiges correspondantes. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'étanchéité des chambres est assurée par un coulisseau en équilibre hydrostatique, dont l'extrémité supérieure entoure la tige pénétrométrique et assure son étanchéité et dont la partie inférieure est etancheifiée par un anneau du corps du cylindre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif en regard des figures qui représentent - La figure 1, une vue en coupe verticale d'un pênétromètre selon l'invention au debut des opérations; - la figure 2, dans les mêmes conditions le pénétromètre au cours de sa course dans le sol; - la figure 3, une vue à echelle agrandie du coulisseau d'étanchéité. Sur les figures, on voit que ,d l'intérieur d'un tubage 1 reposant sur le fond par un pied 16, a ete descendu, depuis un bateau, un outil ou pénétromètre 2 qui vient se fixer ou se "clamper" à la partie inférieure du tube 1. Cet outil est descendu à l'aide d'un câble 3 sur lequel i1 est suspendu. L'outil 2 se compose essentiellement d'un cylindre à l'intérieur duquel est mobile un piston 4. Le piston 4 est solidaire d'une tige penetromenique 5 terminée à sa partie inférieure par une pointe 6 de pénétration dans le sol. Les dimensions de cette pointe 6 sont normalisées de meme que sa vitesse de pénétration dans le sol. Le cylindre 2 est partage, par le piston 4 en deux chambres respectivement supérieure 13 et inférieure 14. Le piston 4 est relie par un câble électrique 7 de télécommande et de télémesure à la station se trouvant sur le bateau, et les conducteune nécessaires à l'acheminement des données et commandes (non représentés) sont intégrés dans le piston 4 et la tige S Conformément à l'invention, l'outil 2 comporte une réserve d'énergie qui lui permet d'agir sans source d'alimentation externe. A cet effet, la chambre supérieure est, dans un premier temps remplie avec un gaz, qui peut être de l'air, à une pression d'environ 200 bars, pression qui est normalement celle des bouteilles de plongée et qui est délivrée par un compresseur du commerce. Après ce premier remplissage, on introduit, dans la chambre inférieure 14, par une valve 15, un mélange eau-huile sous une pression de 600 bars environ.Sous lwction de cette pression, le piston 4 se deplace vers le haut et, ce faisant, il comprime le gaz contenu dans la chambre 13 à une pression pouvant atteinre 400 bars environ et un équilibre s'établit. Ces opérations de remplissage s'effectuent, bien evidemment sur le pont du navire d'exploration ou, comme il a ete dit précédemment, le pénétromètre est remonte après avoir effectué sa pénétration. Cette opération était déjà effectué, dans la technique antérieure, pour rentrer la tige 5 à l'intérieur du cylindre 2. Mais, selon l'invention, c'est à ce moment que l'on procède à la charge du cylindre. Une fois l'outil 2 ainsi charge, il est descendu par le câble 3 à l'intérieur du train de tiges 1. Une première opération consiste à le fixer sur le train de tiges pour qu'il puisse supporter la réaction du sol à la pénétration. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, une couronne de fixation 11 au voisinage du pied 16, la couronne 11 portant des taquets pivotants 12 pouvant s'insérer dans les rainures ou encoches correspondantes de la partie inferieure de l'outil 2 qui se trouve ainsi assujettie sur le train de tige. A partir; de ce moment, il est possible d'effectuer la pénétration. Celle-ci résulte d'une diminution de volume de la chambre 14 qui est provoquée, depuis la surface , par l'ouverture télécommandée de la vanne 15 ce qui provoque l'écoulement du melange eau-huile dans la mer. Ce mélange inclut une faible proportion d'huile (par exemple, 207.> et cette huile est miscible dans l'eau de sorte qu'elle n'a aucune influence néfaste sur l'environnement. la chambre 14 est progressivement vidée par la vanne 15 qui est une vanne à débit constant dont le débit correspond à une descente du piston 4 de deux cm/s. Etant donne l'existence de cette fuite, le volume de la chamarre 14 diminue progressivement et le piston 4 descend ce qui provoque une diminution de la pression dans la chambre 13 selon la loi Pe = Constante. Si, à l'origine elle etait de 400 bars ( Fig.1), dans Iêtat represente sur la Fig.2, elle n'est plus que de 300 bars. De toute façon, elle ne descendra pas au-dessous de 200 bars qui est sa pression de charge de départ. Il est, bien entendu nécessaire d'assurer l'étanchéité entre les différentes chambres, vis à vis de l'eau de mer. Cette étanchéité peut difficilement être réalisée à la partie inferieur de la chambre 14. En effet, la tige 5 pénètre dans le sol, au moins par sa partie inférieure sur une longueur pouvant atteindre trois mètres et, par suite, elle est généralement rayée et peut dans certains cas être déformée. Selon une caractéristique de l'invention, l'étanchéité est assurée par un coulisseau 8, mobile à l'intérieur de la chambre 14 et en équilibre indifférent dans celle-ci. La figure 3 représente, à échelle agrandie le coulisseau 8. Il est compose d'un cylindre dont la partie supérieure constitue une bague d'étanchéité 9, l'étanchéité étant assurée par des joints 16 portant sur la tige 5. A partir de la bague 9 fait saillie vers le trams une jupe 17 qui peut être de faible épaisseur. La jupe 17, coulisse à l'intérieur d'un anneau d'étanchéité 10 portant des joints 18 ce qui evite la remontée de l'eau de mer le long de la tige 5, bien que cela ne soit pas critique etant donné que l'étanchéité de la chambre 14, 14a est assurée par les joints 16.Le mélange huile eau peut circuler librement à travers la bague d'étanchéité 9, ce qui assure un déplacement libre du coulisseau 8 entre, d'une part la surface inferieure du piston 4 et, d'autre part, l'anneau 10 fixe à l'intérieur du corps 2 qui joue le rôle de butée pour la bague 9. Le coulisseau 8 est en équilibre indifférent dans le mélange eau-hwile. Un autre mode de réalisation ( non représenté) consiste à organiser le pénétromètre en deux chambres indépendantes dont l'une constitue un réservoir d'énergie et dont l'autre constitue un vérin classique. Dans ce cas, la chambre réservoir est chargée, sur le pont du bateau, par un mélange de gaz et d'huile sous pression. Cette chambre réservoir est en liaison avec le vérin par l'intermédiaire d'une vanne télécommandée comme précédemment Lors de la descente du pênétromètre, l'huile se trouve à la partie inférieure du réservoir, au-dessous du gaz sous pression, en communication avec une vanne à débit constant t la sortie de ladite vanne étant reliée à l'entrée du vérin, le piston etant deplace sous l'action de l'huile. Mais un tel outil exige une longueur plus grande que celle de l'outil précédent . Pratiquement cette longueur est de 9 mètres contre 7,5 mètres dans le premier mode de réalisation. La description qui precede se rapporte à l'utilisation d'un pénétromètre en mer. Mais bien entendu, un tel outil peut bien évidemment être utilise pour effectuer des mesures terrestres à partir d'un derrick. Il va de soi que de nombreuses variantes peuvent être apportées, notamment par substitution de moyens techniquement équivalents, sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 P2nétromètre comprenant une tige (5) montée coulissante à l'intérieur d'un cylindre (2) sous l'action d'un piston (4), caractérisé en ce que l'une des chambres (13) du cylindre constitue une réserve d'énergie, qui est chargée en gaz sous pression avant la descente du pénétromètre, une seconde chambre (14) chargee par un liquide sous pression présentant une fuite calibree télécommandée (15), la tige du pén2tromètre étant mobile dans ladite seconde chambre. 20 Pênêtromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étanchéité des chambres est assurée par un coulisseau (8) en équilibre hydrostatique, dont la bague supérieure (9) entoure la tige pénétrométrique (5) et assure son étanchéité et dont la partie inférieure est étanchéifiée par un anneau (10) du corps du cylindre (2). 30 Pénétromètre selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce que le train de tiges (1) présente, au voisinage de son pied (16) des moyens de fixation (11,12) coopérant avec des moyens disposes à l'extrémité inférieure du cylindre 2. 40 Pénétromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cylindre comporte deux chambres (13,14) la première (13) contenant un fluide gazeux sous pression et la seconde (14) un liquide sous pression. 5 Pénêtromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une vanne (15) télécommandée est disposee à la partie inférieure de la chambre (13), cette vanne (15) etant à débit constant. 60 Pénétromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie de la vanne (15) débouche sur l'extérieur. 70 Pénétromètre selon la revendication I, caractérisé en ce que le cylindre est séparé en deux parties dont l'une constitue la réserve d'énergie et dont la seconde constitue un vérin actionnant la tige pénétrométrique, une vanne télécommandée étant dispose entre les deux parties.