Brevet FR2690178A1 — publié le 19931022

PROCEDE DE CONTROLE DU VIEILLISSEMENT DE FORAGE8 D'EAU La présente invention a trait à un procédé de contrôle du vieillissement de forages d'eau en vue de déceler d'éventuels dégradations et/ou dysfonctionnements. Un forage d'eau se compose généralement d'un trou foré verticalement et dans lequel sont enfilés des tubages de soutènement des terrains, généralement en acier. La base de l'ouvrage, réalisée fréquemment en diamètre plus petit, comporte la crépine filtrante qui est disposée face au terrain aquifère. Lorsque le terrain aquifère est composé de roche non consolidée (sable par exemple), la crépine est isolée du terrain naturel par un massif filtrant composé de graviers calibrés introduits de l'extérieur et dont la mission est d'éviter la pénétration du sable de la formation dans la crépine. L'ouvrage terminé est généralement équipé d'une pompe immergée suspendue par sa colonne d'exhaure. La profondeur d'immersion de la pompe est fonction du niveau naturel de la nappe et des caractéristiques de productivité de l'ouvrage. D'une manière générale, un forage subit après quelques années un vieillissement plus ou moins prononcé : les parois se concrétionnent et se corrodent, des dépôts incrustent les crépines et envahissent le fond, le massif de gravier se tasse et se colmate. Tous ces éléments concourent à une diminution du débit exploitable. En règle générale, le rendement de l'ouvrage diminue en même temps qu'augmentent les phénomènes de dégradation des installations d'exploitation : encrassement des canalisations, augmentation de la corrosion, colmatage définitif des filtres... Dans la presque totalité des cas, les phénomènes de vieillissement se font sentir à partir de 10 ans. A 15 ans, les risques d'accident deviennent importants. A partir de 30 ans, presque tous les ouvrages sont touchés et nécessitent des réparations importantes. Les causes de vieillissement les plus fréquemment rencontrées sont la corrosion des tubages, la détérioration des massifs de gravier et l'ensablement. La détection du vieillissement durant l'exploitation reste aléatoire. Dans la majorité des cas, il s'agit de phénomènes de faible importance étales sur un temps très long mais qui conduisent inévitablement à l'accident brutal. La seule méthode préventive consiste à effectuer des contrôles internes périodiques de façon à juger de l'évolution des dégradations et y remédier avant qu'elles ne présentent trop d' importance. Les contrôles périodiques actuellement réalisés consistent généralement en un examen vidéoscopique interne des ouvrages, ainsi que la mesure de certains paramètres de fonctionnement niveau, débit, productivité et caractéristiques physicochimiques des eaux pompées. Les contrôles sont assurés à partir d'un camion laboratoire spécialement équipé. Ils nécessitent le démontage des équipements d'exploitation et leur coût est relativement onéreux d'autant que dans la mesure où aucun élément ne permet de juger extérieurement de l'état de l'ouvrage, il faut les réaliser de façon plus fréquente que nécessaire. C'est ainsi qu'en règle générale, l'expérience montre qu'il est nécessaire de réaliser le premier contrôle après un an d'exploitation. Suivant l'état, on définit ensuite la périodicité des contrôles suivants qui variera entre 1 et 5 ans. Le but de la présente invention est de proposer une nouvelle technique de contrôle et de prévention à la fois sûre et ne nécessitant pas de démontage des installations de pompage. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de contrôle du vieillissement de forages d'eau comprenant un tubage, une crépine de forage disposée à hauteur du terrain aquifère, un groupe moto-pompe immergé à l'intérieur du tubage, relié à une canalisation de refoulement de surface via une colonne d'exhaure, caractérisé en ce que - en une phase préalable d'établissement d'un état de référence propre au forage - on réalise une diagraphie en régime statique, d'une part, de la répartition des flux au droit de la crépine de forage et, d'autre part, des divers paramètres physico-chimiques susceptibles d'être contrôlés ultérieurement tels que température, conductivité électrique, teneur en oxygène dissous, turbidité, débit solide - on met le forage en production dans des conditions contrôlées de niveau, de débit et de volume d'eau pompé, tout en enregistrant, en continu, à la sortie de la colonne d'exhaure, la mesure desdits paramètres, - puis, après stabilisation des valeurs desdits paramètres, on procède, en régime dynamique, à une nouvelle diagraphie desdits répartition de flux et paramètres, et, - à partir des diagraphies et des enregistrements de mesure, d'une part, des caractéristiques de niveau, débit et volume du pompage et, d'autre part, desdits paramètres, on établit une correspondance entre l'échelle de profondeur du forage et les enregistrements successifs desdits paramètres lors de ladite mise en production du forage, - puis, en une ou chaque phase ultérieure, de contrôle:: - on met en production le forage, dans les mêmes conditions d'établissement et mesure des niveau, débit et volume que dans ladite phase préalable, en sorte d'élever la colonne d'eau interposée entre la crépine d'aspiration et la crépine de forage, - on mesure en continu, dès la sortie de la colonne d'exhaure de la tête de ladite colonne d'eau, le ou les mêmes paramètres, - on établit une correspondance entre l'échelle de profondeur du forage et les enregistrements successifs, dans les mêmes conditions que lors de la phase préalable, - et on fait la comparaison avec la correspondance établie dans l'état de référence, en sorte de déterminer des éventuels écarts de valeurs ainsi que leur localisation le long du forage. Le procédé de l'invention vise donc, à chaque contrôle, pour la mesure de certains paramètres, à substituer à une mesure par diagraphie, c'est-à-dire en descendant une sonde dans la colonne d'eau statique, une mesure de façon inverse, à savoir en disposant la sonde en un point fixe dans le circuit de refoulement et de préférence au plus près de la sortie de la colonne d'exhaure, et en faisant remonter la colonne d'eau pour la faire défiler totalement au droit de la sonde. Cela nécessite, bien entendu et toujours conformément à l'invention, d'effectuer au préalable, au cours de la phase dite d'établissement d'un état de référence propre au forage, une semblable série de mesures par extraction de la colonne d'eau, précédée d'une série de diagraphies relatives aux mêmes paramètres, la colonne d'eau étant statique, afin d'établir un recalage précis des mesures sur toute la hauteur de la colonne d'eau in situ. L'invention part de cette constatation que lorsqu'un forage d'eau est au repos, l'eau contenue dans les parties non crépinées de l'ouvrage tel.d progressivement vers un équilibre physico-chimique avec les parois ou équipements internes de l'ouvrage. Toute altération, où début de corrosion, circulation anormale, fuite de raccord de tube, micro-perforation, désagrégation des cimentations, etc... a tendance à modifier localement un ou plusieurs des paramètres physico-chimiques de l'eau environnante. Les variations sont très souvent extrêmement ténues et il est nécessaire pour les détecter d'effectuer des mesures d'une très grande sensibilité. Le procédé de l'invention permet de déceler de telles modifications locales des paramètres physico-chimiques de l'eau environnante, notamment la température, la conductivité électrique et, dans une moindre mesure, la teneur en oxygène dissous. On réalise ainsi, de l'extérieur d'un forage de captage d'eau et sans démontage des installations de pompage, un diagnostic de l'état interne du forage et on décèle de façon précoce les indices de vieillissement, de dégradation ou de dysfonctionnement. Des paramètres complémentaires tels que la turbidité et le débit de matières solides peuvent être éventuellement pris en compte en sus des paramètres principaux : température, conductivité, oxygène dissous. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de modes de mises en oeuvre du procédé de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels - Figure 1 est une coupe verticale d'un forage d'eau, - Figure 2 est une coupe technique d'un forage en regard duquel sont reportés divers logs, et - Figure 3 illustre des types de courbes de variation de paramètres obtenues selon le procédé de l'invention. Sur la figure 1 on a représenté en 1 une crépine de forage entourée d'un massif filtrant 2 et disposée à hauteur du terrain naturel aquifère 3, le terrain naturel non aquifère étant symbolisé en 4. Le forage comprend un tubage 5 s'étendant du massif filtrant 2 à la surface, un groupe moto-pompe 6 immergé, avec sa crépine d'aspiration 7 et une colonne d'exhaure 8 reliant le groupe moto-pompe 6 à une canalisation de surface 9 de refoulement. Le moteur du groupe 6 est alimenté par un câble électrique 10 relié à une boîte de jonction 11 en surface. Des constatations rappelées plus haut quant aux modifications locales de certains paramètres physico-chimiques de l'eau environnante, suite à une altération, il ressort que dans un forage, l'enregistrement fin des variations physicochimiques verticales de l'eau au repos peut être correlé avec l'état des équipements du forage qui leur font face. La présente invention propose un procédé permettant d'obtenir l'équivalent d'un enregistrement fin des variations physico-chimiques verticales de l'eau au repos dans un forage, sans avoir à introduire dans ce dernier des sondes de mesure et donc sans démontage des installations. En partant du principe de fonctionnement d'un forage et du fait que la zone aquifère captée se situe toujours à la base de l'ouvrage : au départ du pompage la première eau extraite est celle contenue dans le forage autour de la pompe (6). Dès que le niveau s'abaisse, les arrivées d'eau dans la crépine 1 commencent à produire et l'ensemble de la colonne d'eau contenue dans l'ouvrage s'élève vers la pompe (6). Si l'élévation de la colonne d'eau s'effectue relativement lentement, le mélange est très faible et un enregistrement, conformément à l'invention, des données physico-chimiques à la sortie du tube d'exhaure 8 de la pompe retraduira les mêmes fluctuations que celles que l'on aurait obtenues lors d'un enregistrement vertical réalisé dans l'ouvrage avant pompage. Si on connaît le volume interne du forage en fonction de sa profondeur, la mesure de l'abaissement du niveau d'eau et du volume d'eau extrait permettra de recalculer la profondeur de stockage initial de l'eau mesurée. On peut ainsi, conformément à l'invention, reconstruire artificiellement l'enregistrement vertical que l'on aurait obtenu entre la pompe (6) et la crépine 1 sans pour autant descendre les sondes de mesure dans l'ouvrage. Afin de comparer ultérieurement les mesures en exploitation, il est nécessaire de définir, pour chaque forage, un état de référence. Aussi, en une phase préalable du procédé, de préférence dès la réception du forage s'il s'agit d'un ouvrage neuf, on va procéder à l'établissement de ce que l'on peut appeler une "carte d'identité" du forage. Après avoir débarrassé l'ouvrage de toutes ses installations (pompe 6 - exhaure 8) et laissé le forage au repos pendant quelques jours, on procède, dans l'état, d'une part, à une diagraphie relative à la répartition des flux ou arrivées d'eau le long de la crépine de forage (15) et, d'autre part, à une série de diagraphies relatives aux divers paramètres physico-chimiques susceptibles de faire l'objet d'un contrôle ultérieur, tels que : température de l'eau, conductivité électrique, teneur en oxygène dissous, turbidité, débit solide. Le choix des paramètres dépend de la structure de l'ouvrage, de l'étage géologique, de la nappe aquifère et du cycle habituel d'exploitation. A cet effet, la ou les sondes de mesure appropriées sont descendues dans le forage et des mesures sont effectuées et enregistrées en continu. Sur la figure 2 on a représenté quelques logs, ctest-à- dire des enregistrements continus de paramètres tout le long de la colonne d'eau d'un forage dont une coupe technique verticale est schématisée en regard d'une échelle de profondeur allant de 0 à 210 mètres. Le tubage du forage est symbolisé en 12, la cimentation annulaire en 13, le tube de crépine de forage en 14, la partie ajourée formant crépine étant représentée en tiretés en 15 et le massif filtrant entourant la crépine en 16. A titre illustratif on a représenté en regard du forage, trois logs, l'un (17) relatif à la répartition des arrivées d'eau à hauteur de la crépine 15 en fonction de la profondeur, un second (18) relatif à la température naturelle, le troisième (19) relatif à la température en cours de pompage. Les valeurs des paramètres (m3/h, degrés C) ne sont pas indiquées sur le graphique, les courbes étant simplement données pour donner une idée de leur allure. Enfin, en c est représentée la courbe caractéristique du forage exprimée en m3/heure. Les diagraphies réalisées dans le cadre de la présente étape d'établissement de l'état de référence et visant la répartition des flux ou arrivées d'eau le long de la crépine 15 ainsi que les divers paramètres mentionnés plus haut, sont réalisées lentement, afin de ne pas perturber la colonne d'eau et sur toute la hauteur de l'ouvrage. Cette série de diagraphies est complétées par d d'autres mesures ou inspections, tels qu'un examen vidéo à l'aide d'une caméra à laquelle est associé un dispositif de mesure du diamètre du tubage. Ensuite, l'ouvrage est équipé d'une pompe de test, d'un capteur de niveau, d'un débitmètre et d'un compteur volumétrique. De préférence, le compteur volumétrique est disposé en surface, dans la canalisation de refoulement 9 et le plus près possible du forage. Des capteurs ou appareils de mesure des divers paramètres susdits, ayant au préalable fait l'objet d'un étalonnage comparatif et étant d'une grande précision, sont installés dans les mêmes conditions que le compteur volumétrique. Les sorties des capteurs ou appareils sont reliées à un enregistreur. La pompe est mise en marche à un débit fixe, proche de celui d'exploitation et les mesures des capteurs ou appareils de mesure sont enregistrées en continu jusqu'à ce que les paramètres analysés se soient stabilisés dans le temps. Lorsqu'on est arrivé en effet à cette stabilisation, cela signifie que les capteurs ou analogues voient passer à partir de ce moment l'eau issue du terrain aquifère, la totalité de la colonne d'eau contenue initialement dans les tubages ayant déjà transité dans la canalisation de refoulement 9. Enfin, à partir de la stabilisation desdits paramètres et alors que la pompe est toujours en marche, on procède à une seconde série de diagraphies relatives auxdits paramètres ainsi qu'à la répartition des arrivées d'eau dans la crépine de forage 15. La mesure du niveau, du débit de pompage et du volume pompé, permet, d'une part, de déceler d'éventuelles anomalies dynamiques du forage et, d'autre part, d'identifier toutes les mesures desdits paramètres effectuées au cours du pompage, par rapport au volume, extrait à partir du début du pompage, puis de resituer, par le calcul, l'endroit où stationnait, avant pompage, l'eau mesurée, en fonction du niveau et du volume de l'ouvrage. La prise en compte des données procurées par les divers mesures et contrôles ci-dessus s'effectue de préférence automatiquement et par traitement informatique. Les enregistrements sont réalisés sur un enregistreur dont l'avance est asservie au volume extrait. La correction de rabattement est obtenue à partir de la transformation de la mesure de niveau en volume rabattu qui se soustrait automatiquement de la mesure du volume total extrait. Des seuils préprogrammés manuellement en fonction de la coupe technique de l'ouvrage permettent de changer automatiquement le rapport volume extrait-avance de l'enregistrement, afin de corriger les variations de diamètres éventuelles du forage en profondeur. On obtient un diagramme comportant en abscisse un étalonnage du volume en profondeur et qui permet de reconstruire les courbes de variation physico-chimique en fonction de la profondeur. Cette opération est réalisée par digitalisation des courbes, traitement informatique et restitution sur traceur. La figure 3 illustre trois courbes de variations relatives, l'une (20), au niveau de l'eau dans le forage, l'autre (21), à la température et, la troisième (22), à la conductivité électrique. En abscisse est porté le volume d'eau extrait, en ordonnée à gauche la profondeur du forage (courbe 20) et en ordonnée à droit, d'une part, la température (courbe 21) et, d'autre part, la conductivité électrique (courbe 22). Les unités et valeurs ne sont pas indiquées, la figure ayant simplement pour but de donner une idée de l'allure des courbes en question. On note trois zones dans les courbes, dénommées A,B et C et relatives, la zone A, à la mesure de l'eau de la colonne d'eau initiale se trouvant au dessus de la crépine de forage (15), la zone B, à la mesure de l'eau contenue initialement dans la crépine de forage et, la zone C, à la mesure de l'eau provenant des nappes aquifères. Ces zones A,B et C peuvent être facilement délimitées sur le graphique des courbes 20 à 22 à partir de la mesure du débit d'eau extrait, connaissant les diverses caractéristiques dimensionnelles du forage. La zone A des courbes 20 à 22 est interprétable, car elle correspond à l'eau de la colonne située au dessus de la crépine de forage 15, mais la zone B est ininterprétable car l'eau eu de la crépine au cours de son élévation hors de- la crépine va se mélanger à des arrivées d'eau des divers étages aquifères. Par contre, une fois que toute l'eau initialement contenue dans la crépine a défilé devant les capteurs ou analogues, l'eau qui passe alors devant ces capteurs provient des nappes aquifères et les paramètres mesurés se stabilisent plus ou moins rapidement. C'est ainsi que la conductivité (courbe 22) se stabilise plus rapidement que la température (courbe 21) et le niveau (courbe 20). L'état de référence du forage étant ainsi bien déterminé, on pourra par la suite, par exemple tous les ans, faire un contrôle du vieillissement du forage consistant - à mettre en production le forage, dans les mêmes conditions d'établissement et mesure des niveaux, débits et volumes que dans ladite phase préalable, en sorte d'élever la colonne d'eau interposée entre la crépine d'aspiration et la crépine de forage, - à mesurer en continu, dès la sortie de la colonne d'exhaure de la tête de ladite colonne d'eau, le ou les mêmes paramètres, - à établir une correspondance entre l'échelle de profondeur du forage et les enregistrements successifs, dans les mêmes conditions que lors de la phase préalable, - et à faire la comparaison avec la correspondance établie dans l'état de référence, en sorte de déterminer des éventuels écarts de valeurs ainsi que leur localisation le long du forage. La durée des mesures de contrôle est conditionnée par le volume de l'ouvrage, le débit de pompage et la durée de l'arrêt d'exploitation du forage précédant nécessairement la mise en oeuvre du contrôle de vieillissement. En pratique, on poursuivra les mesures des paramètres retenus jusqu'à la stabilwsation des paramètres, c'est-à-dire après que la totalité de la colonne d'eau initiale, non seulement entre le sommet de la crépine de forage (1,15) et la pompe, mais dans ladite crépine, aura été soumise aux mesures. L'interprétation des mesures est réalisée sur l'évolution qualitative des logs et par comparaison aux logs de référence. Les anomalies ou variations constatées au cours du temps doivent être interprétées en fonction de la construction de l'ouvrage, de ses caractéristiques techniques et hydrodynamiques de son environnement hydrogéologique et des diagraphies statique et dynamique relatives à la répartition des flux ou arrivées d'eau dans la crépine de forage, réalisées au cours de la phase d'établissement de l'état de référence du forage. Enfin, l'invention n'est évidemment pas limitée au mode de mise en oeuvre décrit ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS =:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:=:= 1. Procédé de contrôle du vieillissement de forages d'eau comprenant un tubage (5), une crépine de forage (1) disposée à hauteur du terrain aquifère (3), un groupe moto-pompe (6) immergé à l'intérieur du tubage (5), relié à une canalisation (9) de refoulement de surface via une colonne d'exhaure (8), caractérisé en ce que - en une phase préalable d'établissement d'un état de référence propre au forage - on réalise une diagraphie en régime statique, d'une part, de répartition des flux au droit de la crépine de forage et, d'autre part, des divers paramètres physico-chimiques susceptibles d'être contrôlés ultérieurement tels que température, conductivité électrique, teneur en oxygène dissous, turbidité, débit solide - on met le forage en production dans des conditions contrôlées de niveau, de débit et de volume d'eau pompé, tout en enregistrant, en continu, à la sortie de la colonne d'exhaure (8), la mesure desdits paramètres, - puis, après stabilisation des valeurs desdits paramètres, on procède, en régime dynamique, à une nouvelle diagraphie desdits répartitions de flux et paramètres, et, - à partir des diagraphies et des enregistrements de mesure, d'une part, des caractéristiques de niveau, débit et volume du pompage et, d'autre part, desdits paramètres, on établit une correspondance entre l'échelle de profondeur du forage et les enregistrements successifs desdits paramètres lors de ladite mise en production du forage, - puis, en une ou chaque phase ultérieure, de contrôle:: - on met en production le forage, dans les mêmes conditions d'établissement et mesure des niveau, débit et volume que dans ladite phase préalable, en sorte d'élever la colonne d'eau interposée entre la crépine d'aspiration (7) et la crépine de forage (15), - on mesure en continu, dès la sortie de la colonne d'exhaure (8) de la tête de ladite colonne d'eau, le ou les mêmes paramètres, - on établit une correspondance entre l'échelle de profondeur du forage et les enregistrements successifs, dans les mêmes conditions que lors de la phase préalable, - et on fait la comparaison avec la correspondance établie dans l'état de référence, en sorte de déterminer des éventuels écarts de valeurs ainsi que leur localisation le long du forage. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure desdits paramètres en cours de pompage dans la phase d'établissement d'un état de référence et dans chaque phase ultérieure de contrôle, est effectuée jusqu'à la stabilisation desdits paramètres. 3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les pompages sont effectués à un débit fixe, proche du débit d'exploitation du forage.