Brevet FR2702241A1 — publié le 19940909

La présente invention a pour objet, dans le domaine du forage, une tige de forage à double corps de conception nouvelle destinée à être mise en oeuvre dans les modes de forage dits "à circulation inverse". On sait que le forage à circulation inverse implique la mise en oeuvre de deux tubes de forage concentriques, le fluide de forage étant injecté dans l'espace annulaire séparant les deux tubes et remontant par le tube axial avec les débris de roche. Dans les techniques de circulation inverse à double tube on peut mettre en oeuvre soit deux trains de tubes concentriques, soit un seul train de tiges à double corps. Dans le premier cas les éléments tubulaires intérieurs sont solidarisés uniquement entre eux, les uns sous les autres, les éléments tubulaires extérieurs étant également solidarisés uniquement entre eux, les uns sous les autres. Le train de tubes intérieurs et le train de tubes extérieurs peuvent être libres en rotation l'un par rapport à l'autre, et peuvent être aussi libres en translation, par exemple pour ajustement des longueurs des deux trains concentriques. Ce mode de réalisation, théoriquement simple, est d'une utilisation difficile car il est quasiment impossible de remonter en fin de forage simultanément et coaxialement les deux trains de tubes et il faut avoir recours à des artifices de conception pour remonter les deux trains séparément. De plus la mise en oeuvre d'un double train exclut pratiquement toute possibilité d'automatisation des manoeuvres, ce qui explique que cette solution est rarement employée. Dans le cas où on met en oeuvre un seul train de tiges à double corps, chaque tige comporte - à l'extérieur : un tube robuste capable de transmettre le couple de rotation à l'outil de creusement et capable d'assurer la transmission d'une certaine poussée et d'une certaine traction sur outil - à l'intérieur : un tube plus mince suspendu dans l'axe du tube extérieur robuste les tubes extérieurs étant raccordés les uns aux autres par vissage, tandis que les tubes intérieurs le sont par emboîtement. Les tiges doubles corps disponibles sur le marché sont généralement munies à leurs extrémités des filetages pétroliers courants, ce qui, pour pouvoir disposer du passage intérieur suffisant au tool-joint, a conduit à l'utilisation de tubes extérieurs disproportionnés parce qu'inutilement surdimensionnés en diamètre et en épaisseur. Malgré cela, dans les techniques où ces tubes transmettent exclusivement la rotation à l'outil de creusement (outil à lames, tricônes, marteaux fond de trou) cette disproportion est masquée par des paramètres étrangers à une conception rationnelle des tiges - dans le cas d'un outil à lames parce qu'on fore dans des terrains tendres - dans le cas d'un tricône parce que les meilleurs d'entre eux sont ceux d'un diamètre important - dans le cas d'un marteau fond de trou parce que l'efficacité de la frappe est fonction du diamètre du piston. Dans ces conditions, le caractère irrationnel de la configuration des tiges double corps n'est pas mis en évidence. Par contre si l'on opérait en rotopercussion avec un marteau hors du trou courant actuel, il en irait tout autrement. En effet, pour que les ondes de choc soient transmises efficacement, il faut que le piston du marteau ait une surface de section égale à la surface de section du tube qui transmet l'onde de choc. Or compte tenu des diamètres des tiges double corps actuelles et des diamètres des pistons des marteaux usuels, le rapport des surfaces des sections respectives est au moins de l'ordre de trois. La présente invention a pour objet de proposer une tige à double corps plus avantageuse et aussi plus universelle car également utilisable en technique de rotopercussion avec marteau hors du trou. La tige double corps selon 11 invention se caractérise essentiellement en ce qu'elle comporte - dans l'axe : un tube intérieur robuste capable de transmettre à l'outil de creusement le couple, la poussée, ou la traction de la tête de la sondeuse et capable, dans le cas d'emploi sous un marteau de surface, de supporter les ondes de choc et de les transmettre jusqu'au taillant. - à la périphérie : un tube mince extérieur jouant le rôle de simple élément de conduite du fluide d'injection et s'adaptant par emboîtement sur ses homologues supérieur et inférieur, au moment du vissage du tube intérieur. Le tube axial robuste est fileté à ses deux extrémités pour pouvoir s'abouter dans le forage au tube robuste qui le précède et à celui qui le suit, et il possède un dispositif qui lui permet d'entraîner le tube mince. Une fois en place dans le forage, les tiges double corps forment - entre tubes intérieurs et extérieurs un conduit annulaire continu étanche, allant de la tête d'injection à l'outil de creusement et servant à injecter le fluide de forage - à l'intérieur du tube central un conduit axial continu étanche, allant de l'outil à la tête d'injection et servant à remonter le fluide et les débris de roche. Les caractéristiques et les avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui suit et qui se rapporte aux dessins annexés, étant bien entendu que cette description ne présente aucun caractère limitatif vis à vis de l'invention. Dans les dessins annexés - la figure 1 représente une tige double corps du type traditionnel. - la figure 2 représente une tige double corps selon l'invention. - la figure 3 représente une tige double corps selon l'invention adaptée à la rotopercussion marteau hors du trou. - les figures 4 et 5 représentent des variantes possibles de la tige de la figure 3. - la figure 6 représente une coupe par le milieu de la tige de la figure 1. - la figure 7 représente une coupe par le milieu de la tige de la figure 3. - les figures 8 et 9 représentent un train de tiges double corps selon l'invention adapté à des outils exclusivement rotatifs. - les figures 10 et 11 représentent un train de tiges double corps selon l'invention adapté à la rotopercussion marteau hors du trou. Si on se réfère à la figure 1, on peut voir une tige double corps du type existant qui comprend - à la périphérie : un tube épais 1', lisse extérieurement, comportant à chaque extrémité une surépaisseur interne dans laquelle est taillé d'un côté un filetage mâle 12' de l'autre un filetage femelle 13'. - à l'intérieur : un tube mince 2' suspendu et centré par des dispositifs 5 et 6 munis de passages 7 pour le fluide d'injection. Sur le tube mince 2' s'adapte le tube mince suivant 9, l'assemblage étant étanchéifié par un joint 8. L'espace annulaire 10 sert à l'injection et le conduit central 11 sert à la remontée du fluide et des débris. Si on se réfère à la figure 2, on peut voir une tige double corps selon l'invention qui comporte - à l'intérieur un tube robuste 1 lisse intérieurement, possédant à chaque extrémité une surépaisseur externe dans laquelle est taillé, d'un côté un filetage mâle 12 et de l'autre un filetage femelle 13. - à l'extérieur un tube mince 2 muni d'embouts rapportés plus épais, par exemple soudés, mâle d'un côté 15, femelle de l'autre 16. Ces embouts servent à centrer le tube interne 1 et possèdent des passages 17 pour le fluide d'injection, un dispositif d'étanchéité 18 constitué de joints appropriés et un dispositif servant à solidariser le tube extérieur au tube intérieur, par exemple des pions 19. L'espace annulaire 20 sert à l'injection et le conduit 21 sert à la remontée du fluide et des débris. On se rend compte en comparant les figures I et 2 que le tube extérieur mince de la figure 2 a une épaisseur de matière importante dans les zones où cela est nécessaire (les embouts) pour pouvoir supporter l'action des clés de déblocage et inclure le dispositif qui centre et rend solidaires les tubes extérieurs et intérieurs. On voit aussi la nette surdimension des filetages 12' et 13' de la figure I par rapport aux filetages 12 et 13 de la figure 2. Ainsi, avec un encombrement extérieur moindre, on disposera à l'intérieur d'un passage plus important pour la remontée des débris de roche, tout en ayant la solidité nécessaire et suffisante. Si on se réfère à la figure 3, on peut voir une tige double corps selon l'invention, adaptée à la rotopercussion avec marteau hors du trou, et comportant à l'intérieur un tube robuste 1, intérieurement lisse, comportant à une extrémité un filetage mâle 22 et à l'autre extrémité une surépaisseur dans laquelle est taillé un filetage femelle 23, et qui porte à l'extérieur un tube mince 2 muni d'embouts rapportés plus épais, par exemple soudés par friction, mâle d'un côté 25, femelle de l'autre 26, ces embouts assurant - l'étanchéité grâce au joint 28 placé entre l'embout mâle 25 et l'embout femelle 26, et la liaison mécanique grâce à la poussée du touret d'injection de la sondeuse qui maintient en contact permanent les deux embouts au point 34 - la prise de mouvement grâce à l'embout mâle 25 qui possède un dispositif complémentaire du dispositif d'entraînement du tube intérieur et le reçoit à coulissement, ici des cannelures 32 et 33 ;. - le centrage grâce à l'appui et au coulissement de surfaces parallèles, ici, par exemple, les faces des fonds 36 des cannelures 32 sur les sommets 37 des cannelures 33 - la continuité de la circulation du fluide d'injection dans l'espace annulaire 30 grâce au passage 27 ménagé, ici par un large intervalle entre le sommet des cannelures 32, et le fond des cannelures 33. Comme on l'a compris le dispositif de centrage et d'entraînement entre le tube intérieur et le tube extérieur laisse ce dernier à l'abri des ondes de choc, lesquelles transitent par le tube intérieur. La tige double corps présentée ici convient en particulier pour l'emploi le plus fréquent, celui de forages verticaux, étant conçu pour que l'on puisse visser et dévisser le tube intérieur en appliquant le couple sur le tube extérieur. En stockage vertical la tige double corps repose sur son tube extérieur tandis que le tube intérieur est suspendu dans le tube extérieur par appui de l'arrondi du fond 36 des cannelures 32 dans l'arrondi du sommet 37 des cannelures 33. Pour faciliter le centrage au moment du vissage du filetage mâle 22 dans le filetage femelle 23 on peut réaliser les cônes d'entrée 35 et 38. Si on se réfère à la figure 4, on peut voir une tige double corps selon l'invention qui présente des variantes par rapport à la figure 3. Ici, en effet, l'assemblage des embouts 45 et 46 des tubes minces extérieurs se fait par des filetages 44 possédant un pas résultant identique à celui des filetages 42 et 43 du tube intérieur. Ce peut être soit le même pas, par exemple, deux filets au pouce , soit deux filets au pouce sur le tube intérieur et quatre filets au pouce sur le tube extérieur avec, sur ce dernier, un filetage à deux entrées. L'étanchéité est obtenue par un dispositif de joints 48. La priorité de butée des filetages est donnée au tube intérieur pour transmission des ondes de choc. D'autre part les tubes intérieurs épais sont bi-mâles et réunis par des manchons, leurs filetages ayant toutefois la particularité d'être de profils différents en haut et en bas. Dans la partie haute du tube, on choisira un filetage ayant tendance à bloquer, par exemple un profil dit "corde", et dans la partie basse du tube un filetage facile à dévisser, par exemple à profil trapézoïdal. Ainsi, à l'usage, le tube bi-mâle se comportera comme un tube mâle et femelle, le côté femelle étant formé du manchon qui restera en place. Enfin si dans la demi-coupe de droite l'accrochage se fait de la même façon que dans la figure 3, par contre dans la demi-coupe de gauche les cannelures extérieures ont des butées arrondies inversées, cela de façon à pouvoir manutentionner la tige double corps par le filetage supérieur du tube intérieur ; le tube extérieur est alors suspendu par appui des arrondis des cannelures 47 sur les arrondis des cannelures 49. Si on se réfère à la figure 5, on peut voir une autre variante d'une tige double corps selon l'invention. Ici les dispositifs de centrage et d'entraînement sont des éléments distincts des embouts du tube extérieur. Ils agissent sur un tube intérieur de section polygonale dans sa plus grande partie. L'élément supérieur 50 qui sert au centrage se guide sur la partie cylindrique du tube intérieur et sert également à sa suspension lors du stockage. Il est maintenu en place entre les embouts de deux tubes extérieurs consécutifs 56 et 55. L'élément inférieur 51 sert non seulement au centrage, mais aussi à l'entraînement en rotation par ses faces internes 54 qui prennent appui sur les faces polygonales du tube intérieur ; cet élément 51 est solidarisé au tube extérieur 55 par un dispositif d'assemblage, par exemple ici des pions 53 Le fait de posséder deux dispositifs de centrage par tige facilite llaccouplement de celles-ci en forages inclinés ou horizontaux. Les éléments de centrage 50 et 51 possèdent des passages 57 pour le fluide d'injection. Si on se réfère à la figure 6, on peut voir une coupe médiane de la tige double corps traditionnelle de la figure 1 montrant le tube épais périphérique et le tube mince intérieur. Si on se réfère à la figure 7, on peut voir une coupe médiane de la tige double corps de la figure 3 montrant le tube robuste axial et le tube mince périphérique. Les figures 1 et 3, 6 et 7 étant toutes à la même échelle, on mesure mieux la différence des masses d'acier qu'auraient à solliciter les ondes de choc d'un marteau hors du trou usuel entre des tiges double corps de facture traditionnelle et celles selon l'invention. Si on se réfère aux figures 8 et 9, on peut voir la mise en oeuvre d'un train de tiges double corps selon l'invention. Une tête de foreuse 61 par l'intermédiaire d'une tige d'entraînement 62 met en rotation le tube intérieur 65 solidaire de son tube extérieur 6 (figure 8). Le tube 65 à son tour met en rotation le tube intérieur 67 solidaire de son tube extérieur 68. Puis le tube intérieur 67 met en rotation le porteoutil 69 qui entraîne l'outil-rotatif (ici à lames) 70, qui attaque la roche (figure 9). Le fluide de forage injecté par le touret 63 dans l'espace annulaire 60 entre les tubes intérieurs et extérieurs (petites flèches) tout au long du train de tiges va jusqu'au porte-outil 69 qu'il traverse par les passages 71 puis par les passages 72 de l'outil et gagne la périphérie de la face d'attaque. Le porte-outil 69 étant au plus près du terrain par son extérieur 73 (pratiquement du même diamètre que l'outil 70) le fluide et les débris ne pouvant remonter par l'extérieur se dirigent vers le trou 74 de l'outil puis remontent (grosses flèches) dans l'axe du train de tiges jusqu'en surface, où ils sont éjectés ici latéralement par le touret 64. Si on se réfère aux figures 10 et 11, on peut voir la mise en oeuvre d'un train de tiges double corps selon l'invention, adapté à la rotopercussion avec marteau hors du trou. Le piston 80 du marteau hors du trou 81 frappe sur l'emmanchement 82 qui transmet à la fois la rotation et la frappe au tube intérieur 85 ; le tube 86 situé à la périphérie du tube intérieur 85 est entraîné en rotation par les cannelures imbriquées des deux tubes. Le tube 85 transmet à son tour frappe et rotation au tube 87 situé plus en avant, et le tube 88 situé à la périphérie du tube 87 est entraîné en rotation par les cannelures imbriquées des deux tubes, tandis que le tube 87 transmet à son tour frappe et rotation au taillant 90. Le porte-outil cannelé 93 est entraîné en rotation par les cannelures 97 du taillant. Dans la version présentée ici les tubes extérieurs ne sont solidarisés entre eux que par un simple emboîtement, ce qui nécessite la présence d'un vérin pour maintenir les tubes en contact par poussée. La tête d'injection 83 est reliée à la tête rotopercutante 81 par un vérin hydraulique 79 permettant d'appliquer une certaine poussée sur la tête d'injection dont la rotation est assurée par un dispositif, par exemple des cannelures 77 de l'emmanchement et 78 de la tête d'injection 83. Cette poussée permet de maintenir le contact au point 75 entre la tête 83 et le tube 86, au point 76 entre le tube 86 et le tube 88, au point 95 entre le tube 88 et le porteoutil 89, au point 96 entre le porte-outil 89 et le taillant 90. Elle permet aussi d'empêcher le rebondissement du taillant, de la même manière qu'on le fait avec un taillant de marteau fond de trou en règlant la poussée du train de tiges sur ce marteau. Dans la variante possédant des tubes extérieurs accouplés par filetage (figure 4) précisons que leur raccordement au touret d'injection d'une part, au porte-outil d'autre part se fait aussi par filetage. Dans les deux versions, le porte-outil 89 autorise toujours un certain coulissement du taillant 90 à son intérieur et la partie circulaire 96 sert de butée et d'appui. Le fluide injecté par le touret 83 dans l'espace annulaire 80 entre les tubes intérieurs et extérieurs (petites flèches) tout au long du train de tiges va jusqu'au porte outil 89 et par les passages 91 puis 92 de l'outil 90 gagne la périphérie de la face d'attaque. Le porte-outil 89 étant au plus près du terrain par son extérieur 93 (pratiquement du même diamètre que l'outil 90) le fluide et les débris ne pouvant remonter par l'extérieur se dirigent vers le trou 94 de l'outil puis remontent (grosses flèches) dans l'axe du train de tiges jusqu'en surface où ils sont éjectés latéralement par le touret 84. Comme on l'a vu dans toutes les descriptions qui précèdent, les tiges double-corps selon l'invention peuvent remplacer les tiges double corps classiques dans tous leurs emplois, et notamment dans le secteur des recherches minières, où les tiges double corps sont appréciées du fait de la qualité de leur prise d'échantillons, remontés à l'abri de la pollution par les terrains déjà traversés. Mais les tiges double corps selon l'invention peuvent trouver de nouvelles applications du fait qu'elles sont adaptées à la rotopercussion sous un marteau hors du trou et qu'elles se prêtent aussi à une manutention mécanisée : c'est le cas du forage en front de carrière. En effet l'évolution, ces dernières années, des explosifs classiques (en cartouches) vers des explosifs en vrac (poudres, liquides) a amené les carriers à agrandir la maille des forages et à réaliser ceux-ci en plus gros diamètre. On a donc augmenté la puissance des marteaux hydrauliques courants et l'on à foré de plus en plus gros, jusqu'à des diamètres de 127 mm par exemple, avec une simple allonge dans l'axe du trou. Pour obtenir une vitesse ascensionnelle suffisante des débris, on a accru considérablement la puissance des compresseurs, entraînant ainsi un surcoût important, au point que parfois, on a vu réapparaître sur certaines exploitations l'utilisation de marteaux fond de trou, technique qui avait v régressé en carrière. Devant ce problème les constructeurs de marteaux hydrauliques et de matériel dans le trou ont réagi de deux façons - en proposant de nouvelles machines hydrauliques utilisant d'énormes marteaux qui frappent sur des tubes de conception nouvelle avec une paroi épaisse et proche du diamètre de forage, à la base desquels est vissé un taillant monobloc qui envoie l'air et les débris vers l'extérieur dans un annulaire tube-terrain restreint, consommant ainsi moins d'air comprimé. Mais cette solution implique de s'équiper de matériel neuf : machine nouvelle très puissante et tubes nouveaux fort chers. - en proposant un système de tubes filetés ayant chacun à l'intérieur une tige cylindrique pleine, non filetée, dont les contacts entre elles s'établissent lors du vissage des tubes extérieurs. Ces systèmes dits COMPOUND (SANDVIK) ou COPROD (ATLAS-COPCO) sont à circulation directe (soufflage entre tige pleine et tube), les débris remontant entre les tubes et le terrain. Le diamètre du tube extérieur est choisi pour avoir l'espace annulaire adéquat, tandis que la tige pleine axiale, un peu supérieure au diamètre des allonges classiques, s'accommode des marteaux hydrauliques courants actuels. Cette dernière technique, séduisante en théorie, est encore en cours d'expérimentation et semble difficile à mettre au point dans le mode d'assemblage des tiges. La présente invention fournit une troisième façon de résoudre le problème de soufflage évoqué plus haut, en recourant à la circulation inverse qui par définition, qu'elle soit en simple ou en double corps, offre l'intérêt de réduire considérablement la section du conduit de remontée. En effet les tiges double corps rotopercutantes selon l'invention présentent, tout comme les deux solutions précédentes, l'avantage que l'on peut choisir le diamètre du tube extérieur le plus approprié, et comme la seconde solution, l'avantage que l'on peut choisir le diamètre du tube intérieur adapté aux pistons des marteaux courants actuels l'avantage enfin, contrairement à la solution précédente, d'être d'une technologie classique non seulement dans la fabrication (aciers, traitements thermiques), mais surtout par le mode d'assemblage des tiges à l'aide de filetages traditionnels. Quant à la remontée du fluide et des débris, on disposera ici, comme dans toute tige double corps, d'un conduit de remontée axial cylindrique infiniment plus performant pour l'écoulement qu'un conduit annulaire de section équivalente à circulation directe. A titre d'exemple un conduit axial de 32 mm de diamètre (soit 800 mm2), utilisé pour la circulation inverse, représente, à surface de remontée équivalente, l'espace annulaire compris entre un trou foré en 127 mm et un tube de 123 mm extérieur qui suivrait le taillant (2 mm au rayon). Enfin, avantage spécifique du marteau hors du trou sur une tige double corps de conception nouvelle, le tube de remontée axial est vibré en permanence par les ondes de choc ce qui prévient tout bouchage. Pour chiffrer les avantages des nouvelles tiges double corps sur le système traditionnel on prendra le même exemple d'un trou de 127 mm foré avec une allonge de 55 mm (cas le plus favorable), dans lequel la surface annulaire est de 10.000 mm2 tandis qu'avec une tige double corps selon l'invention le plus grand passage axial (cas le plus défavorable) serait de 800 mm2 (# 32), soit un rapport de 10.000 / 800, supérieur à 12. On peut donc affirmer qu'avec une tige double corps rotopercutante marteau hors du trou selon l'invention, utilisée en lieu et place d'une allonge traditionnelle à soufflage direct, on peut réduire les besoins en air comprimé dans un rapport considérable. REVENDICATIONS 1) Tige de forage à double corps destinée à être mise en oeuvre dans les modes de forage dits "à circulation inverse", comportant deux tubes concentriques entre lesquels le fluide de forage est injecté pour remonter par le tube intérieur avec les débris de roche, caractérisée en ce qu'elle comprend - un tube intérieur (1) robuste capable de transmettre à l'outil de creusement le couple, la poussée ou la traction de la tête de la sondeuse, ledit tube intérieur (1) comportant à ses deux extrémités un filetage, d'un côté mâle (12, 22) et de l'autre femelle (13, 23) et comportant en outre un dispositif (33) qui lui permet d'entraîner le tube extérieur (2) ; - un tube extérieur (2) mince, comportant des embouts rapportés plus épais (15, 25 ;; 16, 26) servant à centrer le tube intérieur (1) et munis de passages (17, 27) pour le fluide d'injection, et un dispositif (19, 32) servant à le solidariser en rotation au tube intérieur (1). 2) Tige de forage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube intérieur (1) comporte à ses deux extrémités une surépaisseur externe dans laquelle est taillé, d'un côté un filetage mâle (12) et de l'autre un filetage femelle (13) et en ce que le tube externe (2) comporte des embouts filetés mâle d'un côté (15) et femelle de l'autre (16), et est solidarisé au tube intérieur (1) au moyen de pions (19). 3) Tige de forage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tube intérieur (1) comporte à une de ses extrémités un filetage mâle (22) et à l'autre extrémité une surépaisseur dans laquelle est taillé un filetage femelle (23), et en ce que le tube externe (2) comporte des embouts mâle d'un côté (25) et femelle de l'autre (26), l'embout mâle (25) comportant des cannelures (33) s'insérant dans des cannelures (32l ménagés la périphérie de l'extrémité en surépaisseur du tube intérieur (1).