Brevet FR2852352A1 — publié le 20040917

La présente invention a pour objet une installation de forage équipée de moyens de correction de verticalité. De façon plus précise la présente invention concerne le cas d'une telle installation de forage lorsque celle-ci comporte une tête rotative de forage. Lors de la réalisation de pieux forés à l'aide d'une tête de forage rotative entraînée par un train de tige de nombreux paramètres peuvent influer sur la verticalité du forage effectivement réalisé. Ces paramètres sont notamment l'inhomogénéité du terrain que rencontre à une même 10 profondeur la tête de forage ou encore la rigidité nécessairement limitée du train de tige. Lorsque le forage doit être réalisé à une grande profondeur par exemple de l'ordre de 100 mètres on comprend qu'une déviation même d'un angle réduit par rapport à la verticale peut entraîner une erreur de positionnement du fond du forage important. Or, dans un 15 grand nombre d'ouvrages, il est impossible de tolérer de tels écarts. Il est donc très souhaitable de disposer d'une installation de forage du type à tête rotative qui permette de corriger les erreurs éventuelles de verticalité. On comprend également qu'il est très souhaitable que les 20 moyens utilisés pour corriger cette erreur de verticalité n'entraînent pas des périodes d'indisponibilité de la tête de forage significatives. On comprend aussi que dans certains cas il peut être intéressant de disposer d'une installation de forage de ce type dans laquelle la correction d'erreur de verticalité est réalisée automatiquement. Selon un premier aspect de l'invention l'installation de forage équipée de moyens de correction de verticalité qui comprend - une tête rotative de forage; - un train de tige pour provoquer la rotation et la descente de la tête de forage; - des moyens de commande de la rotation du train de tige, ladite installation se caractérise en ce qu'elle comprend en outre: - des moyens de détection d'une erreur de verticalité du forage en cours de réalisation et de l'orientation angulaire de ladite erreur; - des moyens de correction de verticalité de la tête de forage; - des moyens d'orientation angulaire des moyens de correction d'erreur en réponse à ladite détection; - des moyens pour commander l'action des moyens de correction en réponse à la détection d'une erreur de verticalité supérieure à une valeur prédéterminée et pour maintenir cette action; et des moyens pour interrompre l'action des moyens de 5 correction de verticalité lorsque l'erreur de verticalité redevient inférieure à ladite valeur prédéterminée. Selon l'invention on détecte en permanence, ou avec une périodicité prédéterminée, une erreur éventuelle de verticalité et l'orientation angulaire de ce défaut de verticalité. Dès que l'erreur de 10 verticalité dépasse une valeur prédéterminée, le train de tige est arrêté et les moyens de correction de verticalité qui peuvent, par exemple, être constitués par un patin d'appui sont orientés en fonction de l'orientation angulaire du défaut de verticalité. Lorsque le patin de correction de verticalité est mis en place avec l'orientation voulue, le train de tige est 15 remis en rotation. L'action des moyens de correction permet d'agir sur la tête de forage rotative pour corriger l'erreur de verticalité. Selon cet aspect de l'invention on obtient ainsi une correction automatique de l'erreur de verticalité. Selon un deuxième aspect de l'invention l'installation de forage 20 équipée de moyens de correction de verticalité comprenant une tête rotative de forage et un train de tige pour provoquer la rotation et la descente de ladite tête de forage se caractérise en ce qu'elle comprend en outre: - des moyens de correction de verticalité de la tête de forage en 25 cours de forage, montés sur ledit train de tige à proximité de ladite tête de forage; et - des moyens de commande des moyens de correction de verticalité pour mettre lesdits moyens de correction dans un état inactif dans lequel lesdits moyens de correction sont solidaires en rotation dudit 30 train de tige et occupent une position angulaire prédéterminée par rapport au train de tige, et dans un état actif dans lequel lesdits moyens de correction sont en appui sur la paroi de forage pour exercer une poussée horizontale sur le train de tige et dans lequel lesdits moyens de correction sont désolidarisés du train de tige en rotation. On comprend que les moyens de correction de verticalité sont capables en prenant appui sur la paroi de forage de corriger l'erreur de verticalité par action sur le train de tige et donc sur la tête rotative de forage. Selon l'invention, les moyens de correction d'erreur de verticalité, lorsqu'ils sont dans leur position active en appui sur la paroi du forage sont désaccouplés en rotation du train de tige. Ainsi lorsque la tête de 5 forage, va reprendre son action de forage l'effet des moyens de correction de verticalité sera maintenu et on obtiendra ainsi effectivement la correction de la direction de forage de la tête rotative de forage. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de ce deuxième aspect de l'invention les moyens de correction de verticalité 10 comprennent: - une bague libre en translation par rapport au train de tige et, solidaire en rotation dudit train de tige, - des moyens formant bras dont une première extrémité est articulée sur ladite bague autour d'un axe orthogonale à celui du train de 15 tige, - des moyens d'appui sur la paroi du forage montés à la deuxième extrémité des moyens formant bras et des moyens de commande pour provoquer le pivotement des moyens formant bras entre ladite position inactive dans laquelle les moyens d'appui ne sont pas au 20 contact de la paroi du forage et ladite position active dans laquelle les moyens d'appui sont au contact de la paroi du forage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non 25 limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles: la figure 1 est une vue d'ensemble simplifiée de l'ensemble de l'installation de forage dans son mode de fonctionnement automatisé; la figure 2A est une vue en élévation d'un mode préféré de réalisation du dispositif de correction de verticalité ; la figure 2B est une vue en coupe selon le plan B-B de la figure 2A; la figure 3 est une vue en coupe verticale partielle montrant les détails des moyens de correction de verticalité selon un mode préféré de réalisation de l'invention; et les figures 4A et 4B illustrent l'effet de correction obtenu grâce à l'invention. En se référant tout d'abord à la figure 1 on va décrire l'ensemble de l'installation de forage dans sa version automatisée. Cette installation comporte par exemple une plate-forme 10 sur laquelle est monté un mat de guidage 12. Le mat 12 sert à provoquer et à 5 contrôler, les mouvements verticaux d'une tête de mise en rotation 14. Cette tête de mise en rotation 14 sert à provoquer les mouvements de rotation d'un train de tige 16. A l'extrémité inférieure du train de tige 16 est montée une tête de forage rotative 18 d'un type quelconque. La tête de mise en rotation 14 est notamment équipée d'un moteur 20 assurant la 10 rotation du train de tige 16. La tête de mise en rotation 14 est également associée à une couronne de repérage angulaire 22 solidaire du train de tige en rotation. La couronne de repérage angulaire 22 est associée à un capteur optique 24 qui est lié en translation à la couronne 22 mais fixe en rotation. Selon l'invention, la tête rotative de forage est équipée de 15 moyens de détection d'erreur de verticalité 26. De tels capteurs sont en eux-mêmes connus et il est donc inutile de les décrire plus en détails. Il peut par exemple s'agir de deux inclinomètres disposés dans deux plans orthogonaux. Les détecteurs d'erreur de verticalité 26 permettent non seulement de mesurer l'angle de l'axe de la tête de forage 18 par rapport 20 à la verticale mais également de déterminer l'orientation angulaire de cette erreur de verticalité. L'installation comprend également des moyens 28 de correction de l'erreur verticalité éventuellement détectée. Dans le mode de réalisation très simplifié illustré sur la figure 1, les moyens de correction 25 28 comprennent un patin 30 monté à l'extrémité d'un vérin à axe horizontal 32 dont le corps est solidaire d'une bague 34 montée autour de la tige inférieure du train de tige, c'est-à-dire à proximité de la tête rotative de forage 18. Le patin 30 grâce au vérin 32 peut être dans une position en retrait ou amené dans une position active dans laquelle le 30 patin prend appui sur la paroi 38a du forage 38. En outre, des moyens non représentés permettent de solidariser la bague 34 avec le train de tige lorsque le patin 30 est dans sa position rétractée et au contraire de désolidariser la bague 34 du train de tige lorsque le patin est amené dans sa position active o il est en appui sur la paroi interne du forage. L'installation comporte également une unité de traitement 39 qui reçoit un premier signal Al délivré par le capteur optique 24 et des signaux EV délivrés éventuellement par le détecteur 26 d'erreur de verticalité. En retour l'unité de traitement sert à commander le vérin 32 d'actionnement du patin 30 de correction de verticalité (signal Dl) et un signal D2 de commande du moteur 20 de mise en rotation du train de tige 16. Le mode de fonctionnement de l'installation représenté sur la figure 1 est le suivant: les capteurs 26 de détection d'erreur de verticalité fonctionnent en permanence ou sont activés avec une périodicité prédéterminée pour 10 délivrer le signal EV. Lorsque l'unité de traitement 40 détecte une erreur de verticalité supérieure à un angle prédéterminé le système de correction de verticalité va être mis en oeuvre. Le signal EV délivré par le détecteur 26 comporte non seulement l'erreur de verticalité mais également l'orientation angulaire de cette erreur de verticalité. L'information 15 d'orientation de l'erreur de verticalité est transmise au moteur 20 de mise en rotation du train de tige de telle manière que ce train de tige soit angulairement orienté afin que le dispositif de correction d'erreur de verticalité (patin 30) présente l'orientation souhaitée compte tenu de l'orientation angulaire de cette erreur de verticalité. Lorsque le train de 20 tige a été amené dans la position angulaire voulue, ce qui est détecté par la coopération de la couronne de repérage 22 et du capteur optique 24, le patin 30 occupe la position angulaire convenable. Le vérin 32 est alors commandé pour amener le patin 30 en appui sur la paroi interne 38a du forage 38. Puis on désaccouple en rotation la couronne 34 portant le patin 25 30 du train de tige. Lorsque ces opérations sont réalisées la tête rotative de forage 18 est à nouveau entraînée normalement en rotation et en descente pour poursuivre le forage selon une direction rectifiée par l'action du patin 30 sur la paroi du forage. Lorsque les détecteurs d'erreur de verticalité 26 ne 30 détectent plus qu'une erreur de verticalité inférieure à une valeur d'angle prédéterminée, le train de tige est arrêté. Puis on provoque à l'aide du moteur 20 la seule rotation du train de tige pour amener celui-ci dans une position particulière constituant la position de référence du patin 30 de correction d'erreur de verticalité. Lorsque le train de tige a été amené 35 dans cette position de référence on commande la solidarisation de la bague 34 avec la tige inférieure du train de tige puis on commande le vérin 32 pour provoquer le retrait du patin. Dans cette situation, le patin 30 occupe à nouveau une position angulaire correspondant à une position de référence et il est solidaire en rotation du train de tige. Ces opérations terminées, le forage reprend normalement sous l'action de la tête de mise 5 en rotation 14 jusqu'à la détection éventuelle d'une nouvelle erreur de verticalité supérieure à la valeur prédéterminée. En se référant maintenant aux figures 2A, 2B et 3, on va décrire un mode préféré de réalisation des moyens de correction de verticalité utilisable dans l'installation décrite en relation avec la figure 1. Sur ces figures on a représenté la tête de forage rotatif 18 fixée à l'extrémité inférieure 16a du train de tige 16 ainsi que le dispositif de correction d'erreur de verticalité qui porte la référence générale 40. Le dispositif de correction de verticalité 40 est constitué essentiellement par un patin d'appui 42 qui est monté à une première 15 extrémité de bras formant levier 44. La deuxième extrémité 44a des bras 44 est montée pivotante autour d'un axe 46 orthogonal à l'axe vertical XX' du train de tige. L'axe 46 est constitué par exemple par deux paliers 46a, 46b alignés et montés sur une première bague 48 qui est libre en rotation autour du train de tige 16a mais solidaire en translation de celui-ci. Ce 20 résultat est obtenu par exemple en interposant entre la première bague 48 et le train de tige des roulements adaptés aux conditions d'utilisation. Le déplacement du patin 42 est obtenu par le pivotement des bras 44 autour de l'axe 46. Ce pivotement est commandé par une deuxième bague 50 disposée en dessous de la première bague 48, cette bague 50 étant 25 montée libre en translation sur le train de tige 16a mais solidaire en rotation de celui-ci. La périphérie de la face inférieure 50a de la deuxième bague 50 reçoit les extrémités des tiges 52a de vérins 52 fixés verticalement sur la partie supérieure 18a de la tête rotative de forage 18. Le nombre de vérins 52 est déterminé pour permettre d'exercer de façon 30 symétrique la poussée souhaitée sur la deuxième bague 50. Les vérins 52 permettent donc le déplacement en translation de la bague 50 le long de la tige 16a. La face supérieure 50b de la deuxième bague 50 comporte de préférence une périphérie chanfreinée 54 sur laquelle vient en contact un galet de préférence tronconique 56 monté rotatif autour d'un axe 58 qui 35 est lui-même solidaire des bras 44. Lorsque les tiges 52a des vérins 52 sont en position rentrée et donc que la deuxième bague 50 est en position basse, les bras 44 sont également en position basse et le patin d'appui est en retrait. En revanche, lorsque les tiges de vérin 52a sont en position 5 haute, la bague 50 est elle-même en position haute et par l'intermédiaire du galet 56 les bras 44 pivotent vers le haut et le patin d'appui 42 vient au contact de la paroi du forage. Il faut ajouter que, lorsque la bague 50 est en position basse et que donc les bras 44 sont également en position basse, un ergot 58 10 solidaire des bras 44 pénètre dans un trou borgne 60 aménagé dans la partie inférieure 16a du train de tige. Par effet de gravité en position basse, le patin 42 et les bras 44 sont donc solidarisés en rotation par la coopération de l'ergot 58 et du trou borgne 60 sous l'effet de la gravité. Le trou borgne 60 constitue une position de référence angulaire pour le patin 15 42 par rapport à l'axe vertical XX' de la tête rotative de forage. Au contraire lorsque la bague 50 est en position haute l'ergot 58 sort du trou borgne 60 et grâce à la rotation du galet 56 sur le chanfrein 54 de la bague 50, le patin 42 est désolidarisé en rotation du train de tige 16. Ainsi la tête de forage peut continuer à travailler alors que le patin 42 maintient 20 son appui sur la paroi du forage dans la direction initialement fixée comme on l'a expliqué en liaison avec la figure 1. Comme on l'a également déjà expliqué, avant de ramener le patin 42 dans sa position en retrait, le train de tige est entraîné en rotation pour amener le trou borgne 60 en regard de l'ergot 58 de telle 25 manière que le patin 42 puisse reprendre sa position de référence. REVENDICATIONS 1. Installation de forage équipée de moyens de correction de verticalité comprenant: - une tête rotative de forage (14); - un train de tige (16) pour provoquer la rotation et la descente de ladite tête de forage, ladite installation se caractérisant en ce qu'elle comprend en outre: - des moyens (28, 40) de correction de verticalité de la tête de forage en cours de forage, montés sur ledit train de tige à proximité de 10 ladite tête de forage; et - des moyens de commande (50, 52) des moyens de correction de verticalité (42) pour mettre lesdits moyens de correction dans un état inactif dans lequel lesdits moyens de correction sont solidaires en rotation dudit train de tige et occupent une position angulaire prédéterminée par 15 rapport au train de tige, et dans un état actif dans lequel lesdits moyens de correction sont en appui sur la paroi de forage pour exercer une poussée horizontale sur le train de tige et dans lequel lesdits moyens de correction sont désolidarisés du train de tige en rotation. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que 20 lesdits moyens de correction de verticalité comprennent: - une bague (48) libre en translation par rapport au train de tige (16) et, solidaire en rotation dudit train de tige, - des moyens formant bras (44) dont une première extrémité est articulée sur ladite bague (48) autour d'un axe orthogonal à celui du 25 train de tige, - des moyens d'appui (42) sur la paroi du forage montés à la deuxième extrémité des moyens formant bras et des moyens de commande (50, 52) pour provoquer le pivotement des moyens formant bras entre ladite position inactive dans laquelle les moyens d'appui (42) ne 30 sont pas au contact de la paroi du forage et ladite position active dans laquelle les moyens d'appui (42) sont au contact de la paroi du forage. 3. Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que lesdits moyens pour provoquer le pivotement des moyens formant bras comprennent: une deuxième bague (50) montée coulissante sur ledit train de tige (16); des moyens (52) pour commander le rapprochement de ladite deuxième bague (50) vers la première bague (48); et - des moyens de contact (56) montés sur les moyens formant bras (44) pour réaliser un contact avec une partie non verticale de ladite 5 deuxième bague (50) par quoi le déplacement de ladite deuxième bague provoque le pivotement des moyens formant bras et l'écartement horizontal dudit patin (42). 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de contact comprennent un rouleau (56) dont l'axe de 10 rotation est solidaire des moyens formant bras (44). 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre: - des moyens de commande (20) de la rotation du train de tige, - des moyens (26) de détection d'une erreur de verticalité du 15 forage en cours de réalisation et de l'orientation angulaire de ladite erreur; - des moyens d'orientation angulaire desdits moyens de correction d'erreur en réponse à ladite détection; - des moyens pour commander l'action desdits moyens de 20 correction en réponse à la détection d'une erreur de verticalité supérieure à une valeur prédéterminée et pour maintenir cette action; et des moyens (32) pour interrompre l'action desdits moyens de correction de verticalité lorsque l'erreur de verticalité redevient inférieure à ladite valeur prédéterminée.