Brevet FR2790511A1 — publié le 20000908

L'invention concerne de manière générale les dispositifs de forage, et notamment les dispositifs de forage servant à la mise en place de charges explosives ou de capteurs acoustiques dans le sol dans le cadre d'études sismiques. On connaît les dispositifs de forage à tête d'attaque mécanique rotative. On a proposé dans l'art antérieur de munir ces dispositifs d'un vibreur qui est placé à l'extrémité de la tige opposée au sol et qui transmet des vibrations verticales dans la tige, sous l'effet desquelles la tige pénètre plus efficacement dans le sol. Les dispositifs connus présentent un inconvénient majeur. La nature du sol étant souvent inconnue avant le forage, les vibrations appliquées sont choisies de manière aléatoire de sorte qu'elles se révèlent souvent inadaptées au sol, en termes d'efficacité de forage. L'invention vise à résoudre cet inconvénient en proposant un dispositif de forage du sol par vibration comprenant une tige de forage, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure d'au moins un paramètre du sol montés au niveau de la partie inférieure de la tige, des moyens de réglage de paramètres de forage et des moyens de transmission des mesures entre les moyens de mesure et les moyens de réglage. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue de côté d'une foreuse selon l'invention; - la figure 2 est un schéma sous forme de blocs fonctionnels représentatif d'une même foreuse conforme à l'invention. Le dispositif de la figure 1 comprend un train de tiges de forage entraîné en rotation par un moteur 140, à l'extrémité inférieure duquel est placée une pièce d'attaque 120. Il comporte également un couple de capteurs 180, 185 placés au niveau de l'extrémité basse de la tige 100, un module de commande de forage 170 et des moyens de transmission de données correspondant aux mesures effectuées depuis l'extrémité basse de la tige jusqu'au module 170. Ce dispositif est en outre muni au sommet du train de tiges 100 de deux moteurs à excentriques 150 et 160 placés de manière à transmettre des vibrations verticales dans la tige 100. Le couple de capteurs 180 et 185 portés au niveau de l'extrémité inférieure ou extrémité d'attaque de la tige sont destinés à mesurer respectivement la pression verticale appliquée sur le sol et la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans le sol. Le capteur 185 de vitesse de propagation des ondes dans le sol est constitué d'un émetteur acoustique et d'un géophone acoustique placés à quelques centimètres l'un de l'autre. Ce capteur de vitesse 185 est fixé sur la paroi externe d'un carter fixe en rotation qui entoure la tige 100, à proximité de l'extrémité inférieure de ce carter par laquelle dépasse la pièce d'attaque 120 de la tige 100. Le capteur de pression 180 est constitué par une pièce déformable comprise entre deux pièces de la tige 100 mobiles en rapprochement vertical l'une par rapport à l'autre et qui génère un signal proportionnel à la force de rapprochement qu'il subit. Les signaux relevés en continu par ces capteurs 180 et 185 sont envoyés à un mini-calculateur 190 placé également au niveau de l'extrémité inférieure du carter, qui retire de ces signaux des données essentielles. Ainsi, il calcule, à partir de la pression verticale sur le sol et de la vitesse de propagation des ondes dans le sol, mesurées en temps réel, la valeur de la dureté du sol. Pour cela, il utilise une échelle de correspondance entre la dureté et la vitesse de propagation du sol. La dureté peut également être calculée à partir de la mesure de la pression verticale à partir de laquelle la tige 100 progresse verticalement dans le sol. La dureté est alors calculée en tenant compte de la surface d'appui inférieure de la tige. Le mini-calculateur 190 est associé à des moyens d'émission électromagnétique pour transmettre la valeur de la dureté et de la vitesse du sol à un récepteur 175 associé au module de commande 170, en tête supérieure de la tige 100. Les données transmises sont ici des données pré-traitées de faible volume, de sorte que la transmission de ces données est rapide et peu sensible à d'éventuelles ondes parasites. La tige 100 est ici également munie d'accéléromètres, non représentés, aptes à mesurer les accélérations verticales et transversales au niveau de l'extrémité d'attaque de la tige 100, et à fournir un signal représentatif de ces mouvements verticaux et transversaux. le calculateur déduit de ces signaux deux valeurs de fréquence et d'amplitude pour chacun de ces signaux, et transmet ces valeurs de fréquence et d'amplitude aux moyens de réception 175 par l'intermédiaire de l'émetteur électromagnétique de bar de tige. On prévoit également que l'extrémité basse de la tige soit munie de capteurs de progression verticale des mouvement de la tige 100. Selon une variante, le calculateur 190 peut comporter des moyens de transmission de données par émission acoustique directement dans le sol depuis l'extrémité basse de la tige 100. Ces données sont alors réceptionnées par un capteur acoustique adapté, placé à la surface du sol et relié au module 170. Le module 170 comporte en mémoire une série de modèles de sol classés selon leur dureté et leur vitesse de propagation acoustique. La mémoire du module 170 inclut également un jeu de paramètres de forage pour chacun des modèles de sol, adapté à chaque fois pour produire un forage optimal sur le modèle associé. Lorsque le module 170 reçoit un résultat de mesure d'un couple dureté/vitesse de propagation, il compare ces valeurs avec les duretés et vitesses de propagation des différents modèles de sols en mémoire, et identifie parmi ces modèles celui qui correspond le mieux au sol rencontré. Une fois le modèle le plus proche identifié, il lit en mémoire les paramètres de forage optimaux associés à ce modèle, et les applique au forage en cours. Ces paramètres de forage comportent notamment ici une fréquence de vibration qu'il applique aux moteurs 150 et 160, une vitesse de rotation de la tige 100 et une pression verticale à appliquer à la tige 100. Selon une variante de l'invention, les paramètres de forage associés au modèle consistent uniquement en une fréquence de vibration. Ces modèles peuvent également fournir uniquement l'un ou l'autre des différents paramètres connus de l'homme de l'art comme influant sur I'efficacité du forage. Selon une variante de l'invention, les paramètres de forage comprennent le fait d'entraîner la tige en rotation ou non selon la dureté de la roche rencontrée ou selon un coefficient de foisonnement du sol, c'est à dire selon la densité du sol. Selon une variante dans laquelle l'amplitude des vibrations générées par les moteurs à excentrique est réglable, les paramètres de forage comprennent également une amplitude de vibration associée à chaque modèle de sol. Le présent dispositif est donc muni d'une liaison de contre- réaction depuis l'extrémité basse de la tige 100 vers le dispositif de commande 170 qui permet à celui-ci d'adapter certains paramètres de forage en continu en fonction des mesures effectuées au niveau du point d'attaque. Dans le présent dispositif, la tige est une tige classique d'une longueur située entre 10 et 40 m. Les capteurs sont placés à l'extrémité inférieure d'un carter entourant la tige, à proximité directe de la tête rotative 120. Cependant, les capteurs peuvent être placés légèrement plus haut par rapport à l'extrémité d'attaque, tout en permettant une mesure pertinente des paramètres du sol rencontré. Les capteurs peuvent notamment être placés à quelques mètres de l'extrémité d'attaque et fournir des mesures correspondant sensiblement aux paramètres du sol rencontré à l'extrémité d'attaque. Une disposition de capteurs en partie inférieure de la tige s'avère également adaptée pour le cas de tiges longues prévues pour des forages allant par exemple jusqu'à 200 mètres de profondeur. Les moteurs de vibration 150, 160 sont ici des moteurs hydrauliques connus en eux-mêmes. Ils sont ici commandés par le module électronique de commande 170. Les moteurs 150 et 160 présentent pour cela chacun un couple de vannes d'arrivée d'huile sous pression comprenant une vanne pilote et une vanne principale, ces vannes étant pilotées électriquement par le module de commande 170. Chaque moteur 150, 160 présente ainsi une liaison électrique 174, 176 avec le module 170 dédiée à la commande de ses vannes d'alimentation et à la commande d'un moteur de pressurisation d'huile. Chacune de ces liaisons 174, 176 véhicule ainsi deux signaux de commande pour l'ouverture des vannes pilote et principale. Chaque moteur 150, 160 comporte également une seconde liaison prévue pour transmettre depuis un capteur de fréquence placé en entrée du moteur considéré, jusqu'au module de commande 170, un signal de mesure de la fréquence effective des vibrations du moteur considéré. Ainsi, chaque moteur 150, 160 est le départ d'une liaison de contreréaction 172, 178 par laquelle le module de commande 170 compare la fréquence effective des vibrations générées par le moteur 150, 160 avec une fréquence de référence à atteindre. Un capteur de fréquence peut, comme ici, être constitué par un capteur de pression d'huile au niveau d'une vanne principale 152, 162 de chaque moteur hydraulique 150, 160. A l'aide de ces deux boucles indépendantes 172 et 178, les deux moteurs 150 et 160 sont calés précisément par le module 170 sur une même fréquence de référence. La comparaison des fréquences effectives de chacun des moteurs 150 et 160 avec la fréquence de référence est effectuée par une électronique de comparaison, distincte du reste de l'électronique du module de commande 170, de sorte que le reste de l'électronique du module 170 n'est pas sollicité par cette opération de comparaison et reste disponible pour les traitements informatiques de réglage automatique des paramètres de forage. Dans une variante, les moteurs 150 et 160 sont des moteurs à inertie d'excentrique variable de sorte que l'amplitude de chacun des moteurs est également calé sur une amplitude de référence par l'intermédiaire de chacune des boucles 172, 178. Le dispositif comporte également ici des moyens de surveillance de la position instantanée en rotation de l'excentrique de chacun des deux moteurs 150 et 160 pris individuellement, qui comprennent des accéléromètres de type courant placés sur le boîtier de chacun des moteurs , 160 et transmettant un signal représentatif des mouvements de l'excentrique. L'information concernant la position en rotation du moteur considéré est transmise au module 170 par la liaison de retour 172, 178 de ce moteur. Le module 170 reçoit ainsi deux signaux de mesure indépendants qu'il compare entre eux et il injecte si besoin un signal de correction d'un éventuel écart à au moins un des moteurs. Pour cela, il transmet sur une des deux liaisons de commande 174, 176 correspondant par exemple au moteur en retard, un signal qui produit une brève accélération, de sorte que l'écart détecté est immédiatement annulé. De telles dispositions de surveillance s'avèrent très avantageuses en ce qu'elles permettent de synchroniser les deux moteurs en évitant une liaison mécanique entre les deux qui serait susceptible d'usure. Les deux moteurs 150, 160 sont donc en permanence calés en fréquence et synchronisés en position. Grâce à cette synchronisation en position, les forces d'inertie des deux excentriques s'ajoutent à tout moment l'une à l'autre de sorte que les forces de vibration sont deux fois plus fortes que celles qui seraient générées par un seul moteur. Les moteurs 150 et 160 sont ici prévus pour fonctionner autour d'une fréquence moyenne de 24000 tours/minute, c'est à dire de 400 Hz. Pour éclater certaines roches susceptibles d'être rencontrées, cette fréquence s'avère adaptée car proche des fréquences de résonance de la plupart des roches. Ces vibreurs peuvent, selon une variante, être constitués de simples vibreurs à béton. L'efficacité obtenue avec la foreuse décrite ici est, par cette mesure au pied de la tige, nettement meilleure que celle des foreuses à vibration classiques ou des foreuses à injection. De plus une telle foreuse ne produit que peu de dégâts dans le sol notamment par rapport à une foreuse à injection. REVENDICATIONS 1. Dispositif de forage du sol comprenant une tige de forage (100), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure d'au moins un paramètre du sol (180, 185, 190) montés au niveau de la partie inférieure de la tige (100), des moyens de réglage (170) de paramètres de forage et des moyens de transmission (190, 175) des mesures entre les moyens de mesure (180, 185,190) et les moyens de réglage (170). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réglage (170) comportent des moyens aptes à réaliser un traitement mémorisé des informations reçues des moyens de transmission (190, 175) et à en tirer des paramètres de forage adaptés au sol rencontré. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un vibreur (150, 160) prévu pour transmettre à la tige (100) des vibrations destinées à améliorer l'efficacité du forage, et en ce que lesdits paramètres de forage adaptés au sol rencontré comprennent la fréquence du vibreur (150, 160). 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif de réglage (170) est apte à modifier en cours de forage lesdits paramètres de forage en fonction des paramètres de sol relevés au cours de ce forage. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (170) pour comparer le ou les paramètres de sol mesurés à des modèles de sol mémorisés pour identifier un modèle de sol en accord avec les mesures effectuées, et pour régler lesdits paramètres de forage sur des valeurs mémorisées associées au modèle de sol identifié. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mesure (180, 195) comprennent un capteur de pression (180) verticale appliquée sur le sol par la tige (100). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent un capteur de vitesse (185) de propagation acoustique dans le sol. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les modèles comprennent chacun une gamme de duretés de sol et une gamme de vitesses de propagation acoustique dans le sol. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'émission électromagnétique disposés au niveau de la partie inférieure de la tige (100), aptes à transmettre les résultats des mesures. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'émission acoustique disposés au niveau de la partie inférieure de la tige (100) aptes à transmettre les résultats des mesures. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent au moins un capteur et un calculateur (190) placés au niveau de la partie inférieure de la tige (100), le calculateur (190) étant apte à réaliser un traitement des informations prélevées par les capteurs. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le calculateur (190) est apte à calculer la dureté du sol à partir des informations prélevées par les capteurs (180, 185). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, en combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend deux vibreurs formés chacun d'un moteur (150, 160) ayant un excentrique et muni chacun d'une liaison (172, 178), par laquelle le dispositif de réglage (170) est apte à mesurer la vitesse de chaque moteur (150, 160), la comparer à une vitesse souhaitée pour ce moteur (150, 160) et à corriger un éventuel écart entre la vitesse souhaitée et la vitesse mesurée. 14. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de réglage (170) comporte des moyens pour comparer les positions instantanées des excentriques de chacun des deux moteurs (150, ) et corriger un éventuel écart entre ces positions.