Brevet FR2970029A1 — publié le 20120706

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR INTRODUIRE DES ECHANTILLONS DE MATERIAUX DANS UN FORAGE ET LES RECUPERER SANS LES DEGRADER DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine du test de 5 matériaux dans un milieu dans lequel ils doivent être confrontés. Plus particulièrement, il concerne le test de matériaux de construction, tels que l'acier, le ciment, vis-à-vis de milieux notamment souterrains, 10 c'est-à-dire constituant le sous-sol plus ou moins profond, tel que l'argile, les roches, l'eau et certains gaz régnant sous terre tout en étant non invasif, c'est-à-dire sans perturber le milieu concerné. 15 Une des applications de ces tests de matériaux est prévue dans le but de construire des locaux et alvéoles de stockage souterrains pour des produits nocifs, tels que des déchets plus ou moins radioactifs. 20 ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE Dans le cadre de toute campagne de la caractérisation d'un milieu géologique, il est connu de faire des forages spécifiques dédiés. Dans ce cadre, on s'intéresse depuis 25 longtemps à l'étude des milieux argileux, par exemple entre 100 et 1000 mètres de profondeur, en vue du stockage à long et très long terme de colis de déchets hautement radioactifs. Le test de matériaux rentrant 2 dans la constitution de tels ouvrages souterrains est donc nécessaire pour pouvoir choisir les matériaux finaux constitutifs de futures structures à haute performance. Plus précisément, un des buts de l'invention est de contribuer à étudier la corrosion sur l'acier, utilisé, par exemple, pour le chemisage des alvéoles, souvent cylindriques, de stockage à grande profondeur, ainsi que celui utilisé pour constituer les colis de stockage. En effet, on note qu'il est d'usage d'utiliser, autour des colis primaires contenant les déchets hautement radioactifs, des colis de stockage les entourant. La question qui se pose est : - « Comment se comportent les aciers au contact de la roche et de l'argile, à long et très long termes ? ». En effet, une fois mise en place, la chemise métallique, entourant un alvéole, n'est pas immédiatement en contact avec l'eau et la roche. Elle est d'abord en contact avec de l'air et/ou des gaz. Les équilibres de pression variant dans le temps, font que l'eau et des gaz viennent progressivement en contact avec la chemise. On note, en outre, que l'argile est un matériau très peu perméable et limite le transit des éléments radionucléides. D'autre part, il est connu de tester des échantillons de matériaux à court et long termes dans des roches ou matériaux, tels que l'argile, vis-à-vis à 3 la fois de l'eau et des gaz et des phénomènes respectifs qu'ils engendrent. Or, il n'est pas facile de ne pas polluer la chambre de tests avant l'introduction des échantillons. De plus, une fois les échantillons testés, il est difficile de ne pas polluer ces derniers, notamment lors de leur récupération, à savoir leur extraction d'un forage, et leur transfert vers les laboratoires d'analyses, dans lesquels ils sont étudiés. En d'autres termes, un besoin de maintien, de conservation et de non pollution des échantillons se fait sentir lors de leur rapatriement. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients. RESUME DE L'INVENTION A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé pour tester au moins un échantillon de matériaux dans un forage, confronté aux éléments constitutifs du milieu dans lequel se trouve le forage, le procédé consistant à : - placer au moins un échantillon dans une chambre de tests, placée dans la partie distale d'un tube global, qui est lui-même placé dans le forage ; laisser l'échantillon un certain temps au fond du tube global pour qu'il soit confronté aux éléments constitutifs du forage ; et retirer le au moins un échantillon sans le dégrader, en vue d'en analyser le contenu. 4 Selon l'invention, le procédé consiste à utiliser un tube d'isolement et de retrait du ou des échantillons, placé dans le tube global et autour du au moins un échantillon et dont l'extrémité est dotée de moyens d'étanchéité pour protéger et isoler le au moins un échantillon, lors de son retrait. Dans la réalisation principale envisagée du procédé, on utilise une canne de support pour placer et retirer le au moins un échantillon. Dans une réalisation préférentielle du procédé, il est prévu de : - placer le tube de protection et de retrait, en même temps que la canne support et son au moins un échantillon ; - mettre le au moins un échantillon en contact avec les éléments constitutifs du forage, pendant la durée du test ; et isoler de nouveau complètement le au moins échantillon avant son retrait. Dans la réalisation préférentielle du procédé dans un forage vertical, ce sont deux échantillons qui sont placés dans la canne, un 25 échantillon supérieur destiné à être confronté au gaz et un échantillon inférieur destiné à être confronté à l'eau, les deux échantillons étant séparés de façon étanche et superposés de façon espacée. Dans la réalisation envisagée de ce cas, 30 plusieurs cannes sont descendues dans le tube global, avec chacune leur au moins un échantillon, et placées 20 autour d'un tube central pour réguler les conditions de test. Enfin, il est prévu de bloquer et d'étanchéifier le bas du tube global, contenant la 5 chambre de tests, à l'extérieur du tube global, dans le forage. Le deuxième objet principal de l'invention est un dispositif pour tester des échantillons de matériaux dans un forage, confrontés aux éléments constitutifs du milieu dans lequel se trouve le forage et comprenant, entre autres : - un tube global, destiné à être introduit dans un forage laissant passer, dans sa partie inférieure, les éléments constitutifs du milieu dans lequel se trouve le forage ; - au moins un support d'échantillon à descendre dans le tube global et possédant une chambre de tests, placée dans sa partie distale. Selon l'invention, le dispositif comprend : - un tube d'isolement et de retrait du au moins un échantillon à introduire dans le tube global, autour du support d'échantillon ; et - un joint d'étanchéité entre la partie inférieure du tube d'isolement et de retrait et une embase du support d'échantillon. 20 25 6 Le support d'échantillon est de préférence une canne pour supporter deux échantillons placés de façon séparée et superposée. De préférence, le dispositif comprend un tube de canne pour chaque canne, dans lequel est placée ladite canne support, et possédant des ouvertures, ainsi que le tube d'isolement et de retrait et un tube d'isolement de test. Dans ce cas, le tube d'isolement de test possède des ouvertures latérales placées en correspondance avec l'emplacement des échantillons sur la canne et pouvant coulisser autour de celle-ci pour, soit isoler les échantillons des éléments circulant dans la chambre de tests du tube global, soit les confronter à ces éléments par le fait d'une simple translation. De plus, dans le cas où le forage est vertical, un tube central est prévu pour commander la température de l'eau ou de la phase aqueuse régnant dans la chambre de tests et en réguler le niveau, pour créer une phase gazeuse autour d'un premier échantillon supérieur et une phase aqueuse autour d'un deuxième échantillon inférieur. Enfin, on prévoit un obturateur étanche et gonflable pour bloquer et étanchéifier l'extrémité du tube global contenant la chambre de tests, par rapport aux parois du forage. Bien entendu, l'invention prévoit que le dispositif comprenne : des moyens pour placer et retirer chaque canne ; 7 - des moyens pour placer et retirer le tube d'isolement de tests ; - des moyens pour placer et retirer du tube d'isolement et de retrait. LISTE DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante qui est accompagnée de quelques figures représentant respectivement : - figure 1, en coupe presque complète, le dispositif selon l'invention dans une première phase du procédé selon l'invention ; - figure 2, en coupe, le dispositif selon 15 l'invention dans une deuxième phase du procédé selon l'invention ; - figure 3, en coupe, le dispositif selon l'invention dans une troisième phase du procédé selon l'invention ; - figure 4, en coupe, le dispositif selon l'invention dans une quatrième phase du procédé selon l'invention ; - figure 5A, en coupe, le dispositif selon l'invention dans une cinquième phase du procédé selon l'invention ; - figure 5B, un agrandissement de la partie inférieure de la figure 5A, et - figure 6, en vue cavalière, le sommet du dispositif selon l'invention. 20 25 30 8 DESCRIPTION DETAILLEE D'UNE REALISATION DE L'INVENTION La figure 1 représente le dispositif selon l'invention, une grande longueur de sa partie centrale ayant été coupée. Il est représenté verticalement, dans son application à un forage vertical, mais ceci n'est qu'une application envisagée. En premier lieu, un tube global 2, destiné à entourer tout le dispositif, est introduit dans le forage d'un sous-sol dans lequel des tests doivent être effectués sur des échantillons de matériaux à tester. Sur la partie supérieure de ce tube global 2 dépasse une douille de commande 20, qui sert aux commandes de placement (ici descente) et de retrait (ici montée) des différents éléments qui vont être introduits dans le dispositif. Sur cette figure 1, on note la présence d'une goupille de blocage en rotation et en translation 61 de la douille de commande 20 et une goupille de blocage en rotation 62 de cette même douille de commande 20 et pouvant être translatée dans une fente verticale 24 du bâti de l'ensemble. Dans la partie distale (ici inférieure) du tube global se trouve une bride supérieure 21, légèrement plus large que le tube global 2 et une bride inférieure 22 constituant l'ultime partie inférieure du dispositif. Entre ces deux bride supérieure 21 et bride inférieure 22 se trouve un tube global inférieur 25. L'ensemble se complète d'un obturateur 3, placé autour de la partie inférieure du tube global 2 et permet de bloquer la partie inférieure du tube global 2 dans le forage et de rendre étanche les éléments qui se trouvent en dessous, à l'intérieur du tube global 9 inférieur 25 dont l'intérieur constitue une chambre de tests 1. En effet, on distingue à l'intérieur de ce tube global inférieur 25, un tube de canne 5, à l'intérieur duquel doivent être installés, entre autres, deux échantillons, et un tube central 8. On note que ce tube de canne 5 possède deux séries d'ouvertures latérales 55 au niveau des positions futures des échantillons qui devront être introduits. En fait, dans la réalisation décrite, le tube global 2 et le tube global inférieur 25 sont assez larges pour comprendre plusieurs tubes de cannes 5 placés autour du tube central 8. Ce dernier sert à réguler le niveau d'eau à l'intérieur du tube global inférieur 25, sachant que celui-ci laisse passer les éléments régnant et constituant le sous-sol dans lequel le forage a été effectué. En effet, ce tube global inférieur 25 est poreux et peut être façonné par frittage ou constitué d'une matière filtrante. Ainsi, à l'aide de moyens de pompage placés dans la partie supérieure du tube central 8, qui débouche au-dessus d'une bride extérieure 24, on régule l'interface entre la phase aqueuse et la phase gazeuse régnant alors à l'intérieur du tube global inférieur 25. De plus, cette circulation d'eau peut être également modulée en température pour agir sur la température régnant à cet endroit où les tests doivent être effectués. On peut utiliser à cet effet un serpentin ou un échangeur de chaleur. Dans le tube de canne 5 est descendu un tube d'isolement de test 6, possédant des ouvertures 7, ici verticales, et de longueur équivalente à la hauteur 10 d'un échantillon, à savoir, dans cette réalisation l'échantillon supérieur. De sa position initiale, le tube d'isolement de test 6 est placé le plus bas possible, c'est-à-dire qu'il touche une embase de tube 9 et que les ouvertures 7 sont en dessous de la position du futur échantillon supérieur. La figure 2 est une section de même type que celle de la figure 1, excepté le fait que le tube d'isolement de test 6 a été coupé. Toutefois, on a fait subsister les ouvertures 7 de ce dernier. Dans cette deuxième phase, une canne 10 a été descendue à l'intérieur du tube d'isolement de test 6, de façon à ce que deux échantillons 12A et 12B puissent se trouvent à l'intérieur du tube de canne 5. La canne 10 supportant les deux échantillons 12A et 12B est donc entourée, en premier lieu, du tube d'isolement de test 6 dont les ouvertures 7 se trouvent en dessous de la position de l'échantillon supérieur 12A et ne sont donc pas en correspondance avec les ouvertures 55 du tube de canne 5, au niveau de cet échantillon supérieur 12A. Ainsi, chaque échantillon supérieur 12A et inférieur 12B est isolé du milieu régnant à l'intérieur du tube global inférieur 25 dans la chambre de tests 1. Les échantillons supérieur 12A et inférieur 12B sont séparés l'un de l'autre de façon étanche par des moyens d'étanchéité sur la canne 10. L'ensemble est ainsi donc en place pour effectuer des tests. Conformément à la figure 3, le tube d'isolement de test 6 a été relevé, grâce à un vissage de la douille de commande 20 par rapport à un écrou 11 fixe 30. Ainsi, les fenêtres 7 du tube d'isolement de test 6 se trouvent en regard de l'échantillon supérieur 12A et la paroi inférieure du tube d'isolement de test 6 a découvert l'échantillon inférieur 12B et en regard des ouvertures 55 du tube de canne 5. Ainsi, pendant une durée déterminée, les échantillons supérieur 12A et inférieur 12B sont soumis aux aléas du passage des éléments ayant traversés la paroi du tube global inférieur 25 et qui sont constitutifs du sous-sol environnant. On rappelle que, par un système de pompage, le tube central 8 permet de maintenir une interface comprise entre les deux échantillons supérieur 12A et inférieur 12B. Ainsi, l'échantillon supérieur 12A est soumis à une phase plutôt gazeuse, tandis que l'échantillon inférieur 12B est soumis à une phase plutôt aqueuse. Sur la figure 4, le tube d'isolement de test 6 a été redescendu, toujours au moyen de la douille de commande 20 qui a été revissée dans l'écrou 30. Ainsi, les fenêtres 7 de ce tube d'isolement de test 6 ne se trouvent plus en face de l'échantillon supérieur 12A et la partie inférieure de ce tube de test 6 est revenue en contact avec l'embase 9. Ainsi, les deux échantillons supérieur 12A et inférieur 12B se trouvent de nouveau isolés du milieu régnant à l'intérieur du tube global inférieur 25, les tests étant terminés pour ces deux échantillons supérieur 12A et inférieur 12B. Une caractéristique principale de l'invention consiste à remonter les deux échantillons supérieur 12A et inférieur 12B au moyen de la canne 10, 12 sans que ceux-ci ne soient endommagés, affectés ou modifiés lors de leur remontée. En référence à la figure 5A, un tube d'isolement et de remontée 14 est descendu entre la canne 10 et ses échantillons supérieur 12A et inférieur 12B et le tube d'isolement de test 6. La descente et la montée d'un tel tube d'isolement et de retrait 14 se font au moyen d'une douille supplémentaire de commande 40, placée autour de canne 10 et de la partie supérieure du tube d'isolation et de retrait 14. En effet, celui-ci est placé au préalable et est descendu jusqu'à l'embase 9, lors de la cinquième phase pour entourer l'ensemble des deux échantillons supérieur 12A et inférieur 12B, lors de sa descente. L'extrémité inférieure du tube d'isolation et de retrait 14 est donc en contact étanche avec l'embase 9, grâce à un joint d'étanchéité 15. L'ensemble est remonté en débloquant en rotation la douille de commande 20, par l'intermédiaire de sa goupille de rotation 61, et en agissant sur la douille supplémentaire 40 montée filetée dans la partie supérieure du tube d'isolement et de retrait 14. Ainsi, les deux échantillons supérieur 12A et inférieur 12B sont montés, sans avoir été au contact d'un élément quelconque du dispositif ou du milieu ambiant et donc sans avoir été affectés. La figure 5B permet de mieux distinguer les différentes enceintes, tubes et éléments constituant le dispositif, notamment au moment de la remontée des échantillons. On y distingue, de l'extérieur vers l'intérieur, le tube global inférieur 25, les échantillons supérieur 12A et inférieur 12B. Le tube de 13 canne 5, à l'intérieur duquel se trouve le tube d'isolation de tests 6, muni de ses ouvertures 7 et à l'intérieur duquel se trouve le tube d'isolement et de retrait 14 dont la partie inférieure est appuyée sur l'embase 9 et enfin la canne 10. La figure 6 montre le dessus du dispositif dans lequel on distingue que le tube central 8 est entouré de six alésages 16, pratiqués dans la bride extérieure 24 pour pouvoir descendre six cannes, portant chacune deux échantillons. Le mécanisme de commande comprend notamment la douille de commande 20 et la douille supplémentaire 40 qui sont alors utilisées, selon le déroulement des expériences et la mise en place des cannes, d'une canne à l'autre. On remarque la présence d'une fente 64 pratiquée dans une rallonge du bâti 65 pour chaque alésage 16 et destinée à guider la goupille de blocage en rotation 62.20 REVENDICATIONS1. Procédé pour tester au moins un échantillon (12A, 12B) de matériaux dans un forage, le au moins un échantillon (12A, 12B) étant confronté aux éléments constitutifs du milieu dans lequel se trouve le forage, le procédé consistant à : - placer au moins un échantillon (12A, 12B) dans une chambre de tests (1), placée dans la partie distale d'un tube global (2), qui est lui-même placé dans le forage ; - laisser le au moins un échantillon (12A, 12B) un certain temps dans la chambre de tests (1) du tube global (2), pour qu'il soit confronté aux éléments constitutifs du forage ; et - retirer ensuite le au moins un échantillon (12A, 12B) sans le dégrader, en vue d'en analyser le contenu, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un tube d'isolement et de retrait (14) du ou des échantillons (12A, 12B), ce tube d'isolement et de retrait (14) étant placé dans le tube global (2) autour du au moins un échantillon (12A, 12B) et dont l'extrémité est dotée de moyens d'étanchéité pour isoler le ou les échantillons (12A, 12B). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il utilise une canne (10) pour supporter le ou les échantillons (12A, 12B), afin de les placer dans la chambre de tests (1) et de les retirer. 15 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, entre autres, à : - placer le tube d'isolement et de retrait (14) en même temps que la canne (10) support des échantillons avec le au moins un échantillon (12A, 12B) ; - mettre le au moins un échantillon (12A, 12B) en contact avec les éléments constitutifs du forage pendant une durée de test déterminée ; et - isoler complètement le au moins un échantillon (12A, 12B) avant son retrait. 4. Procédé selon la revendication 2 appliqué à un forage vertical, caractérisé en ce que la canne (10) supporte deux échantillons (12A, 12B) superposés, un pour une phase gazeuse en partie supérieure et un pour une phase aqueuse en partie inférieure, ces deux échantillons (12A, 12B) étant séparés de manière étanche. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer plusieurs tests avec plusieurs cannes, placées dans le tube global (2) autour d'un tube central (8) permettant de réguler les conditions de tests. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bas du tube global (2) contenant la chambre de tests (1) est bloqué et étanchéifié dans le forage, à l'extérieur du tube global (2). 7. Dispositif pour tester au moins un échantillon (12A, 12B) dans un forage et confronté aux 16 éléments constitutifs du milieu dans lequel se trouve le forage, le dispositif comprenant, entre autres : un tube global (2) destiné à être introduit dans le forage et laissant passer, dans sa partie inférieure, les éléments constitutifs du milieu dans lequel se trouve le forage ; au moins un support d'échantillons à placer dans une chambre de tests (1) du tube global (2), placée dans sa partie distale, caractérisé en ce qu'il comprend également : un tube d'isolement et de retrait (14) du au moins un échantillon (12A, 12B) à introduire dans le tube global (2) autour du support d'échantillons ; et un joint d'étanchéité (15) entre la partie inférieure du support d'échantillons pour étanchéifier la chambre de tests (1) et le au moins un échantillon (12A, 12B). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le support d'échantillons est une canne (10) supportant deux échantillons (12A, 12B), placés de façon superposée et séparés dans la canne (10) avec des moyens d'étanchéité (16) pour étanchéifier les échantillons (12A, 12B) entre eux. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il utilise pour chaque canne (10) un tube de canne (5) muni d'ouvertures (55) et dans lequel la canne (10) est placée, un tube d'isolement de test (6) pour isoler les échantillons (12A, 12B), une fois que les tests sont effectués et le tube d'isolement et de retrait (14). 17 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le tube d'isolement de test (6) possède des ouvertures latérales (7) placées en correspondance avec l'emplacement des échantillons (12A, 12B) sur la canne (10) et pouvant coulisser autour de celle-ci pour, soit isoler les échantillons (12A, 12B) des éléments circulant dans la chambre de tests (1), soit les confronter à ces éléments par le fait d'une simple translation. 11. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un obturateur (3), étanche et gonflable, pour bloquer et étanchéifier, par rapport au forage, l'extrémité du tube global (2) contenant la chambre de tests (1). 12. Dispositif selon les revendications 7 et 9, le forage étant vertical, caractérisé en ce qu'il comprend un tube central (8) placé au centre du tube global (2), au milieu de plusieurs cannes (10) et possédant des moyens de circulation d'eau à température déterminée, le tube global (2) étant relié à des moyens de pompage placés à l'extérieur pour réguler une interface entre une phase liquide et une phase gazeuse régnant dans la chambre de tests (1). 13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens pour placer et retirer chaque canne (10) ; - des moyens pour placer et retirer le tube d'isolement de test (6) ; - des moyens pour placer et retirer du tube d'isolement et de retrait (14).