Brevet FR2713276A1 — publié le 19950609

OUTIL DE FORAGE A PERCUSSION ET A DOUBLE ROTATION POUR FORAGE DE GRAND DIAMETRE. L'invention a pour objet un outil pour les forages de puits de grand diamètre dans des terrains durs. Il existe des dispositifs de forages comportant plusieurs trépans, à rotation-percussion, montés sur un plateau pouvant être lui-même animé d'un mouvement de rotation autour de son centre, lesdits dispositifs étant destinés à effectuer des forages de grands diamètres dans des terrains durs. Particulièrement le brevet français N 2.503.241, (sous priorité du brevet allemand N P 31146120) décrit un tel dispositif. Mais ainsi qu'il est décrit, ce dispositif présente certains inconvénients, outre qu'il est onéreux compte tenu de sa constitution. Il présente en effet l'inconvénient principal de ne pas fouiller au fond du forage la totalité de sa surface. Il ne fait qu'un forage annulaire qui laisse subsister une carotte centrale de fort diamètre que l'on doit faire éclater au moyen, comme il y est dit, d'un brise-carottes que l'on doit descendre périodiquement au fond du forage après retrait total de l'appareil de forage. Une telle opération ralentit considérablement l'avancement des travaux, outre qu'elle peut ne pas toujours être couronnée de succès dans des roches dures qui peuvent n'éclater que partiellement et selon des plans inclinés qui peuvent gêner la poursuite de l'éclatement par percussion de ladite carotte. Un tel dispositif est par ailleurs onéreux, comportant autant d'éléments moteurs qu'il y a de trépans mis en action, outre le moteur principal qui assure la rotation de l'ensemble. Le brevet américain N 4.729.439 décrit, quant à lui, un dispositif dans lequel les différents marteaux, au nombre de cinq, sont simultanément animés dans leur mouvement vertical de percussion au moyen du seul fluide comprimé qui leur est distribué à partir de la tige de forage qui ne comporte qu'un seul conduit, le même fluide devant remonter les débris de roche à la périphérie de la jupe enveloppant lesdits marteaux, dont l'engin est muni. Un tel dispositif, s'il est moins onéreux que le dispositif précédemment étudié, présente l'inconvénient de ne pas pouvoir être utilisé pour les forages de grand diamètre dans lesquels la vitesse ascensionnelle du fluide ne serait pas suffisante pour remonter les débris de roche à la périphérie de la jupe, dans l'espace laissé entre elle et la paroi du forage, et plus encore au dessus de cette jupe dans l'espace annulaire existant entre ladite paroi du forage et la tige, la grande surface de ces espaces périphériques et annulaires ne laissant subsister qu'une vitesse ascensionnelle trop faible de l'air moteur. La présente invention a donc pour but d'éviter ces inconvénients et d'obtenir, à l'aide d'un dispositif simple de construction, donc peu onéreux, le curage complet du front de taille, quelle que soit la nature de la roche, même granitique, et quel que soit le diamètre du forage exécuté. Pour cela, le dispositif objet de l'invention comporte un ensemble de moyens assurant, pour une pression initiale déterminée, une vitesses constante du flux ascensionne du fluide évacué depuis le fond du forage, et cela indépendamment du diamètre de celui-ci, ce qui a pour effet d'assurer en toutes circonstances la remontée régulière des débris de roche. En effet, le dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte une jupe cylindrique d'un diamètre suffisamment plus faible que celui du forage projeté pour permettre sa libre rotation sans frottement ni jeu excessif contre la paroi, tout en évitant des fuites importantes dans cet intervalle du fluide comprimé amené sur le front de taille; ladite jupe cylindrique étant fermée à sa base par une cloche conique ouverte vers le bas et qui comporte en son centre, ou au moins aussi proche de son centre que possible, un ou plusieurs conduits ouverts dans ladite cloche et qui débouchent au-dessus de ladite jupe dans le canal central de la tige de forage à double parois à laquelle ladite jupe est reliée. On comprend qu'ainsi organisés les canaux d'évacuation présentant une surface constante indépendante du diamètre du forage, les débris de roche entraînés par le fluide dans son circuit ascensionnel seront toujours évacués à vitesse constante. Par ailleurs il est précisé que ladite jupe cylindrique enveloppe les marteaux qui reçoivent simultanément le fluide comprimé (pneumatique ou hydraulique) à travers des conduits qui les relient au conduit annulaire de la tige de forage à double parois, les dits conduits étant aménagés de préférence à l'intérieur du plateau fermant la partie supérieure de la jupe et par lequel celle-ci est reliée à la dite tige de forage et auquel la tête desdits marteaux est fixée. Les marteaux ainsi contenus dans la jupe traversent à la base de la jupe la cloche conique qui les maintient parallèles entre eux, et les entraîne dans la rotation de l'ensemble. L'invention est en outre caractérisée par les différents détails qui en seront donnés à titre d'exemple ci-dessous, dans la description dans laquelle la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale diamétrale de l'objet de l'invention; la figure 2 est une vue schématique en plan montrant la distribution des marteaux et des canaux d'évacuation du débris de roche la figure 3 est une vue schématique du plan montrant, selon une variante, la distribution des marteaux adaptée à un terrain particulièrement dur la figure 4 est une vue schématique en élévation d'un taillant adapté aux conditions d'utilisation de l'invention. Selon la figure 1 l'ensemble du dispositif de forage est constitué par la jupe 1 caractérisée par son diamètre extérieur qui est suffisamment inférieur au diamètre du forage, pour être guidée par lui sans frottements importants, mais sans laisser un espace capable de créer une fuite importante du fluide comprimé amené à sa base. Elle porte à sa partie supérieure le plateau 2 solidaire de la douille 3 qui assure son raccordement à la tige de forage à double paroi qui est mise en rotation au niveau du sol. Ladite douille comporte elle-même un conduit central 4 et un conduit annulaire 5 qui s'ajustent aux conduits similaires de la tige de forage à laquelle elle est reliée. La jupe 1 est fermée à sa base par la cloche conique 6, ouverte vers le bas, qui est traversée par les marteaux verticaux 7 qu'elle contribue à entraîner et à maintenir parallèles, la tête 8 desdits marteaux étant vissée dans le plateau 2 à travers lequel ils reçoivent le fluide comprimé (pneumatique ou hydraulique) par les conduits de répartition 9 reliés au conduit périphérique 5 de la tige 3. La paroi conique inférieure 6 de la jupe 1 comporte aussi, à son sommet en l'absence de marteau centrai, ou au moins aussi proche que possible de son centre en cas de présence d'un marteau central, une ou plusieurs ouvertures auxquelles est ou sont adaptés le ou les conduits 10 qui, à travers le plateau 2, relient la base de la cloche 6 au conduit central 4 de la tige de forage 3. Les marteaux 7 sont distribués de façon régulière, selon la figure 2, au nombre de trois, au moins, de telle manière que le cercle périphérique de leur taillant 11 soit sécant de la jupe 1, c'est à dire dépasse extérieurement de celle-ci de manière à tangenter librement la paroi du forage que lesdits taillants exécutent. La différence entre les rayons dudit forage et de la jupe 1 constitue le vide assurant la libre rotation de la jupe, sans jeu excessif qui risquerait de créer une fuite périphérique importante de l'air comprimé. Le diamètre des taillants périphériques 11 est en outre tel que par ailleurs ceux-cl sont proches du taillant central 12 porté par le marteau central 21, de façon que dans la rotation de la jupe 1 la totalité de la surface du front de taille soit poinçonnée, sans coincement possible entre les taillants. Dans le mouvement de rotation de la jupe 1 autour de la tige 3, chacun des taillants 11 animé d'un mouvement de percussion par les marteaux 7 se trouve spontanément entraîné dans son propre mouvement de rotation autour de son axe par frottement de sa périphérie contre la paroi du forage. Seul le taillant central 12 ne comporte pas de mouvement de rotation propre, sa rotation étant celle de la jupe 1 elle-même dans l'axe de laquelle il est placé. Ce mouvement de rotation propre des taillants 1 1 est rendu possible par le fait qu'ils sont montés à emmanchement lisse dans les marteaux 7, avec juste le jeu nécessaire pour assurer cette liberté de rotation. La bague cylindrique 14 dont la queue est vissée dans la base du marteau retient le taillant en place par le circlip 18 placé à l'extrémité de la queue 19 du taillant. Selon une variante (figure 3) et en vue d'assurer une force de percussion plus grande, pour un même débit de fluide comprimé, donc pour diminuer la chute de pression dans chaque marteau animé par ce fluide (dans le cas de marteaux multiples), il est prévu (selon la figure 3) de n'équiper la tête de forage que de deux marteaux 15 et 16 placés sur un même diamètre de la Jupe 1, l'un, le 15, étant situé à la périphérie de la Jupe 1, selon les mêmes conditions que les marteaux 7 en ce qui concerne les taillants 11, de manière que son taillant hors de la jupe 1 tangente le forage qu'il effectue, l'autre, le 16, tangentant le centre de ladite jupe. Leurs diamètres réciproques sont tels que, situés en alignement l'un de l'autre, ils tangentent, l'un, le 15, extérieurement, l'autre, le 16, intérieurement le même cercle fictif 20 qu'ils parcourent au cours de leur rotation autour de l'axe de la jupe 1, de telle manière qu'entraînés par celle-ci Ils poinçonnent la totalité de la surface du front de taille, le taillant 15 parcourant la couronne A et le taillant 16 parcourant la surface interne B de cette même couronne. On remarque que le taillant 16, bien que ne dépassant pas de la jupe 1, est entraîné dans un mouvement propre de rotation autour de son axe, au cours de la rotation de la jupe 1, par le fait que une des extrémités de son diamètre tangentant le centre de la jupe (1) n'est pratiquement soumis à aucune force tangentlelle, alors que l'autre extrémité de ce diamètre est soumis à une force tangentielle engendrée par son propre travail. Quel que soit le montage utilisé (figure 2 ou figure 3), on comprend que les débris de roche produits par le travail des taillants ne seront évacués, entraînés par le fluide comprimé, que par les conduits 10 qui les amèneront vers le tube central 4 de la tige 3. Ledit fluide comprimé est amené à travers le canal annulaire 5 de ladite tige et atteint le front de taille, à travers les conduits de répartition 9, puis les marteaux 7 qu'ils mettent en mouvement, pour s'échapper au niveau des taillants par les conduits 17 que ceux-ci comportent (figure 4), pour remonter dans la cloche 6 qui par sa conicité les entraîne dans les conduits d'évacuation 10. Une tête de forage construite selon l'invention peut être avantageusement utilisée pour des forages de grand diamètre, y compris dans des roches dures. L'évacuation des débris de roche s'effectuera en effet, quel que soit le diamètre du forage, toujours à la même vitesse à l'intérieur des conduits 10 et de la tige centrale 4, la surface de ces canaux qui se succèdent étant indépendante du diamètre du forage, alors que la vitesse d'évacuation par la périphérie de la jupe diminuerait en fonction de son diamètre, ce qui rendrait cette vitesse insuffisante pour assurer une bonne évacuation dans les forages de grand diamètre, qui de ce fait ne peuvent être convenablement effectués qu'avec un outil conforme à l'invention. REVENDICATIONS 1') Outil de forage à percussion comportant plusieurs marteaux montés verticalement à l'intérieur d'une jupe (1) les enveloppant, et animés par une même source de fluide comprimé qui leur est distribué à travers la tige de forage qui entraîne ladite jupe (1) dans sa rotation, caractérisé en ce que la jupe (1) qui enveloppe les marteaux (7) présente un diamètre extérieur qui est suffisamment inférieur au diamètre du forage pour être guidé par lui sans frottement excessif et sans provoquer de fuite périphérique importante de l'air comprimé amené à la base du forage. 2') ) Outil de forage à percussion selon la revendication 1 caractérisé en ce que la paroi inférieure (6) de la jupe (1), qui contrlbue à l'entraînement des marteaux qui la traversent (leur tête étant vissée dans le plateau supérieur (2) de ladite jupe) présente une forme de cloche conique ouverte vers le bas, et munie dans une zone aussi proche que possible de son centre de un ou plusieurs conduits (10) ouverts dans ladite cloche et la reliant à travers le plateau supérieur (2) au conduit central (4) de la tige de forage (3) qui comporte une double paroi, son conduit annulaire (5) conduisant le fluide comprimé aux différents marteaux. 3') ) Outil de forage à percussion selon la revendication 2 caractérisé en ce que les marteaux (7) sont organisés à l'intérieur de la jupe (1), périphériquement au nombre, au moins, de trois, la périphérie de leur taillant (11) dépassant de la jupe (1) de la différence existant entre le diamètre de la jupe (1) et le diamètre du forage exécuté, ladite périphérie desdits taillants (11) étant par ailleurs proche du taillant (12) porté par un marteau central (21). 4') ) Outil de forage à percussion selon la revendication 2 caractérisé en ce que les marteaux contenus dans la jupe (1) et entraînés par elle sont au nombre de deux, portant les taillants (15) et (16), placés sur un même diamètre de la jupe (1), la périphérie du taillant (15) dépassant de la jupe (1) de la différence de diamètre entre le diamètre de ladite jupe (1) et le diamètre du forage exécuté, et le taillant (16) tangentant extérieurement le centre de ladite jupe (1), et les diamètres réciproques des taillants (15) et (16), qui sont en alignement l'un de l'autre, tangentent, l'un, le (15), extérieurement, l'autre, le (16), intérieurement le cercle fictif (20) qu'ils parcourent au cours de leur rotation autour de l'axe de la jupe (1), entraînés par elle. 5 ) Outil de forage à percussion conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les taillants (11) percés par le ou les conduits (17) sont munis d'une queue cylindrique lisse (19) pouvant pivoter librement dans la douille qui comporte la bague (14) et qui est vissée à la base des marteaux, dans laquelle elle est retenue par le circlip (18).