Brevet FR2964141A1 — publié le 20120302

Dispositif et procédé pour percer un trou dans une couche épaisse de glace L'invention concerne le domaine technique du forage dans la glace. On connaît des procédés pour percer des trous cylindriques dans une couche de glace épaisse. Ces procédés sont utilisés par exemple pour le forage pétrolier en zone de permafrost, ou pour le carottage de couches de glace épaisses (glaciers par exemple) à des fins scientifiques. Ces procédés utilisent en général des têtes de forage comportant des pièces mécaniques tournantes. Ces têtes de forage permettent un travail efficace et rapide. Cependant, elles génèrent des vibrations. Or, il existe des situations particulières dans lesquelles on souhaite minimiser les vibrations. Une de ces situations est le perçage d'une poche d'eau dans un glacier. Dans ce cas, les vibrations peuvent conduire à la fissuration et fragilisation de la glace autour et notamment en aval de la poche d'eau ; cela engendre le risque d'une fracture de la glace sous la pression de l'eau, conduisant à la rupture de la poche entraînant sa vidange brusque. Or, la rupture soudaine de la poche d'eau glaciaire est précisément l'évènement que le forage, suivi d'un pompage de l'eau, cherche à éviter ; on sait qu'en 1892, la rupture d'une poche d'eau glaciaire avait causé une inondation dans la vallée de Saint-Gervais en Savoie, avec 175 victimes. On connaît également des systèmes de forage à circulation d'eau chaude, mais qui nécessitent une installation assez lourde. On connaît par ailleurs des systèmes de forage à la vapeur d'eau. Le brevet FR 1 588 454 (CNRS) décrit un procédé de forage dans les glaciers consistant à apporter grâce à un tube rigide de la vapeur d'eau surchauffée que l'on injecte directement au fond du trou pratiqué progressivement dans le glacier. Le dispositif comprend une chaudière pour chauffer l'eau et un tube injecteur relié à une pompe. Un tube guide rigide d'un diamètre de 32 mm constitue l'outil de forage (sonde). Son extrémité est percée d'un trou de diamètre 3 mm pour injecter la vapeur d'eau dans la glace. Ce système permet une vitesse de forage élevé, mais le diamètre du trou est faible car le diamètre de la sonde n'est que de 32 mm. Dans ces conditions, la consommation de vapeur d'eau est de l'ordre de 10 kg/h.35 La demande de brevet GB 2 365 462 (Thompson Marconi Sonar Ltd.) décrit une antenne radio comportant un dispositif de forage autonome de la glace par la base, lancée à partir d'un sous-marin. Le dispositif comprend un brûleur thermochimique agencé de telle sorte que l'eau est fournie à un débit prédéterminé à l'extérieur du brûleur pour être convertie en vapeur sous pression, et une sonde par laquelle la vapeur sous pression doit être libérée dans la région dans laquelle la glace doit être percée. Le brevet US 4,699,222 (Westinghouse) décrit un autre dispositif permettant de forer un trou dans la glace, le dispositif étant placé en-dessous de la glace, à l'aide d'un fluide sous pression. Le dispositif comprend un récipient allongé flottant, placé sous la glace, un tube de soutien central placé dans le récipient ; une soupape d'admission de liquide ferme une des extrémités du tube. Le tube contient un tube télescopique auquel est connecté une buse à travers laquelle le fluide sous pression (généralement de l'eau) est projeté pour percer la glace. Toutefois, ce dispositif utilise de l'eau sous pression à température ambiante et de ce fait il n'est pas efficace pour percer des trous dans une couche de glace de dimensions importantes. La demande de brevet US 2007/0127896 (Erich Dunker) décrit un procédé de forage thermique de trous dans la glace comprenant les étapes de : (i) création d'un avant-trou vertical de petit diamètre avec une tête de forage thermique, qui peut être électrique ou utilisant de l'eau chaude, (ii) application d'une tête de forage hydrothermique de diamètre plus grande sur l'avant-trou, (iii) échauffement d'eau en tant que caloporteur sur la surface de la glace, (iv) pompage contrôlé de l'eau chaude dans la tête de forage hydrothermique sous pression, (v) dérivation de l'eau chaude dans la zone de la tête de forage hydrothermique dans un plan radial, (vi) rinçage de l'eau chaude en un jet coupant en forme de disque orienté radialement contre la paroi du trou, l'eau chaude se mélangeant à l'eau de fusion et étant pressée en direction de la surface de la glace, (vii) abaissement de la tête de forage hydrothermique en créant un trou principal, et (viii) infiltration ou pompage de l'eau chaude mélangée à l'eau de fusion poussée en direction de la surface de la glace. Ce procédé est laborieux et l'outillage qu'il utilise est très complexe. On connaît d'autres procédés utilisant une sonde à eau chaude. Le document « Hot water drilling manual - to be used on Fimbul lce Shelf', publié en janvier 2010 par O. Nost, P. Gabrielsen et L. Smedsrud décrit une installation de forage dans la glace à l'aide d'eau chaude envoyée via la buse d'un outil de forage. Le diamètre du trou obtenu est de 17 cm. L'installation consomme environ 38 I d'eau par minute. L'installation est utilisée dans un milieu arctique et de ce fait appel à des équipements spécifiques à ce milieu et étant d'un encombrement important. Le document « Hot water drilling on the Amery Ice Shelf' présenté par M. Craven et al. au 16th International FRISP Workshop à Bergen décrit une installation de forage de glace par eau chaude sous pression. L'eau peut atteindre une température de 80°C, le débit d'eau est de 45 I/min. Le diamètre maximum de forage est de 250 mm. Le document ne décrit pas l'outil de forage. Dans la présente invention, les inventeurs ont développé un procédé et dispositif de forage glaciaire par voie thermique, de conception et d'emploi très simples, qui utilise de l'eau chaude sous pression, qui minimise les vibrations, et qui permet les forages de quelques dizaines de mètres pour accéder à des poches d'eau sous un glacier. L'objet de l'invention est atteint avec un dispositif pour percer un trou dans une couche épaisse de glace comprenant des moyens d'alimentation en eau chaude sous pression reliés à une tête de forage qui envoie l'eau chaude sous pression vers la glace, caractérisé en ce que ladite tête de forage comprend une pluralité de buses agencées de préférence à égale distance l'une de l'autre et sensiblement dans un même plan, proches de la périphérie de ladite tête de forage, le jet d'eau chaude sous pression en provenance desdits moyens d'alimentation qui sort de chaque buse ayant un axe orienté parallèlement à l'axe longitudinal de ladite tête de forage. Par pluralité de buses on comprend au moins deux buses, mais de préférence au moins trois buses uniformément réparties proches de la périphérie de la tête de forage, voire même en étant agencées sur la périphérie de cette dernière. Le nombre de buses dépend du diamètre de la tête de forage. a tête de forage a de préférence une forme générale cylindrique, les buses étant alors uniformément réparties sur un cercle situé proche de (ou sur) la périphérie de ladite tête de forage. Les buses sont alimentées en eau chaude sous pression et envoient chacune un jet d'eau, ayant de préférence une forme conique, d'axe longitudinal parallèle à l'axe longitudinal de la tête de forage. La sortie d'eau chaude sous pression via une pluralité de buses ainsi agencées permet alors de réaliser une pluralité de perforations, la forme du trou finalement réalisé étant déterminé par le contour de la tête de forage. On obtient ainsi un trou de forme sensiblement circulaire de manière rapide et économique. De préférence, chaque buse est reliée à un tube d'alimentation en eau chaude sous pression. Ceci permet d'avoir une alimentation directe en eau chaude sous pression de chaque buse et d'éviter les pertes de charge. Par ailleurs, dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, on peut commander chaque buse individuellement. Avantageusement, le dispositif comporte un corps creux de forme cylindrique dont le prolongement forme ladite tête de forage. Une telle réalisation en une seule pièce de la tête et du corps permet une simplification constructive du dispositif. De préférence, lesdites buses et leurs tubes d'alimentation sont supportés à l'intérieur dudit corps creux, parallèlement à l'axe longitudinal de ce dernier. Ceci permet d'obtenir un dispositif d'encombrement réduit et simple à réaliser. Avantageusement, lesdites buses sont disposées en retrait par rapport à l'extrémité inférieure dudit corps creux. Ceci permet d'assurer la protection des buses lorsque le dispositif est posé sur le sol ou lorsqu'il pénètre dans la glace. Le dispositif et le procédé selon l'invention sont illustrés sur les figures 1 à 3. Le dispositif 20 selon l'invention comprend un corps tubulaire ou corps creux 1, de préférence de forme sensiblement cylindrique dont la surface externe est lisse. Une tête de forage 21 est réalisée dans le prolongement dudit corps creux 1, de préférence en une seule pièce avec ce dernier. Ce corps tubulaire 1 présente à une extrémité 2 dite inférieure une ouverture 3 de forage. L'autre extrémité 4 dite supérieure peut être fermée ou non ; elle présente un dispositif de fixation, par exemple un oeillet ou une boucle de levage 14, qui permet de fixer le corps tubulaire 1 sur un treuil 24. Le corps tubulaire 1 présente à l'intérieur au moins un tube d'alimentation en eau 5,6. Ce tube est de préférence droit et parallèle à l'axe long dudit corps tubulaire 1. En son extrémité inférieure, chaque tube d'alimentation en eau 5,6,7 possède une buse 15,16,17 ou un embout de nettoyeur haute pression. La buse ou l'embout 15,16,17 du tube d'alimentation 5,6 ne dépasse pas l'extrémité inférieure 2, et de préférence se situe en retrait de quelques centimètres (typiquement d'une dizaine de centimètres) par rapport à cette extrémité inférieure 2. Ceci permet de protéger la buse lorsque le dispositif prend appui sur le sol. En son extrémité supérieure 4, le tube d'alimentation présente un raccord 11,12 fileté permettant de brancher un tuyau souple d'alimentation 18,19 en eau chaude à haute pression. L'eau chaude à haute pression qui alimente le dispositif peut provenir d'un compresseur commun, ou on peut utiliser un compresseur 23 dédié à chaque tube d'alimentation. Un nettoyeur à haute pression du commerce peut convenir comme alimentation en eau chaude sous haute pression. Dans un mode de réalisation, ledit tube d'alimentation est fixé sur la paroi interne 8 du corps tubulaire 1, par tout moyen connu tel qu'une patte de fixation 9 et/ou par un châssis de fixation fixé sur la paroi interne 8. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif est lesté au moins dans sa partie inférieure, par une masse 10 ; cette masse peut être un segment de tube fixé sur la paroi interne 8 du corps tubulaire 1. Dans une variante, la masse 10 peut être fixée de manière amovible au corps du dispositif. Le dispositif est suspendu à un treuil 24 agencé au sommet d'une tour d'étayement 20 dont la base prend appui sur la surface S de la glace G. D'une manière générale, le procédé selon l'invention pour percer un trou T dans une couche épaisse de glace comporte les étapes suivantes : (i) on fixe le dispositif selon l'invention sur un moyen de levage, tel qu'une tour d'étayement munie d'un treuil ; (ii) on pose ledit dispositif sur la surface de glace à l'endroit de forage ; (iii) on alimente ledit dispositif en eau chaude sous pression pour former un trou dans ladite couche de glace ; (iv) on laisse ledit dispositif descendre dans le trou formé, tout en alimentant, de manière continue ou intermittente, ledit dispositif en eau chaude sous pression, jusqu'à la profondeur voulue. Ce procédé peut être utilisé notamment pour vider une poche d'eau R dans un glacier G ou sous un glacier. 25 30 35 En vue de son utilisation, le dispositif raccordé à l'alimentation en eau chaude sous pression, suspendu à un treuil et positionné sur la surface de glace à l'endroit de forage, c'est-à-dire à l'endroit que l'on veut percer. Ensuite, on alimente le dispositif en eau chaude sous pression. Dans un mode de réalisation avantageux du procédé selon l'invention, l'eau chaude a une température supérieure à 50°C, et de préférence supérieure à 80°C. Sa pression est de préférence supérieure à 100 bar, et de préférence supérieure à 150 bar. Ainsi, la glace autour de l'ouverture de forage 3 commence à fondre, et le dispositif descend dans le trou formé. On laisse ledit dispositif descendre dans le trou formé, tout en alimentant, de manière continue ou intermittente, ledit dispositif en eau chaude sous pression, jusqu'à la profondeur voulue. II est inutile d'exercer une pression supplémentaire sur le dispositif qui s'enfonce tout seul ; cela compliquerait le procédé de forage. La vitesse de forage dépend de plusieurs facteurs, tels que le diamètre externe du corps tubulaire 1, sa masse ainsi que la température, la pression et le débit de l'eau. En pratique on note que la sortie de l'eau des buses 14,15,16 induit localement des vibrations. Même si ces vibrations sont de faible amplitude comparée avec celles d'un dispositif de forage tournant, on préfère limiter la vitesse de forage à environ 10 m/h et la pression de l'eau à 250 bar. En pratique, une vitesse de forage entre 4 et 10 m/h est recommandée ; elle peut être réduite lors de la phase initiale pour bien positionner le dispositif lors de l'amorçage du trou. On peut pomper l'eau d'alimentation et l'eau de fonte qui inondent le trou, mais cela n'est pas toujours nécessaire ou utile si le débit d'eau d'alimentation n'est pas trop important. Le perçage d'une poche d'eau est détecté visuellement, car cela conduit, soit, à un débordement brusque de l'eau dans le trou lorsque la poche d'eau est sous pression, soit à la vidange brusque de l'eau dans le trou, lorsque la poche d'eau n'est pas sous pression. On retire alors le dispositif de forage du trou, on introduit une pompe à immersion dans la poche d'eau, en passant par le trou foré, et on évacue l'eau de la poche d'eau par pompage. D'une manière générale, le procédé selon l'invention pour vider au moins partiellement une poche d'eau sous un glacier comporte les étapes suivantes : (i) on perce au moins un trou dans le glacier en utilisant le dispositif selon l'invention et le procédé selon l'invention, jusqu'à atteindre ladite poche d'eau; (ii) on retire ledit dispositif du trou ; (iii) on introduit dans au moins un des trous une pompe à immersion ; (iv) on évacue au moins partiellement l'eau de ladite poche d'eau par pompage. On préfère un trou vertical. En pratique, on peut percer plusieurs trous dans un glacier afin de vidanger plus rapidement une poche d'eau, en utilisant plusieurs pompes. On peut également inspecter la glace en introduisant une caméra dans le trou. Le corps tubulaire du dispositif a avantageusement un diamètre externe compris entre 150 et 350 mm. Un diamètre inférieur n'est pas souhaitable car l'encombrement interne du corps tubulaire devient alors important, et le trou dans la glace qui en résulte est trop étroit pour permettre un pompage rapide d'une poche d'eau. Cependant, un tel dispositif peut être utilisé à d'autres fins, et on peut même envisager un dispositif de faible diamètre qui est entièrement portable par un ou plusieurs porteurs, avec son treuil, son compresseur et le groupe électrogène qui alimente le compresseur. Un diamètre supérieur à 350 mm conduit à un dispositif plus lourd à transporter, à manipuler et à alimenter en eau chaude sous pression, et n'est normalement pas utile pour vidanger une poche d'eau dans un glacier car il est de toute manière préférable de procéder à plusieurs forages dans un secteur déterminé par radar afin de permettre un pompage rapide, et afin de pouvoir commencer aussi vite que possible avec le pompage pour soulager la pression exercée par la poche d'au sur la paroi aval du glacier. Le dispositif selon l'invention a de nombreux avantages. II est extrêmement simple et très facile à installer, à désinstaller et à utiliser, même en environnement de haute montagne ou en environnement polaire. II est extrêmement robuste car il ne possède aucune pièce mobile qui pourrait se gripper ou qui pourrait nécessiter une maintenance. Il ne comporte que des composants simples du commerce spécialisé : un corps tubulaire en acier, des tubes d'alimentation en eau sous pression, des buses d'eau à haute pression, des tuyaux souples de plusieurs dizaines de mètres de long, des raccords standard. Il peut utiliser des compresseurs du commerce, par exemple des nettoyeurs sous pression. Le dispositif est assez léger. Le dispositif ou ses composants ainsi que ses accessoires nécessaires pour exploiter le procédé de forage et de vidange d'une poche d'eau (compresseur, groupe électrogène, treuil, pompe à immersion) peuvent être facilement transportés, en cas d'urgence par avion sur des longues distances, et ensuite, ce matériel peut facilement être acheminé par hélicoptère jusqu'au site de forage. Le dispositif lui-même peut être fabriqué facilement et rapidement dans un atelier mécanique dans la région de son site d'intervention. Le procédé selon l'invention ne nécessite pas le perçage d'un avant-trou, on attaque directement avec la tête de forage, et la surveillance du procédé ne nécessite pas un personnel nombreux. A titre d'exemple, avec un dispositif dont le corps tubulaire 1 est réalisé à partir d'un tube cylindrique en acier inoxydable d'une longueur de 1500 mm, d'un diamètre externe de 230 mm, d'une épaisseur de paroi de 6 mm, avec un lestage sur les derniers 500 mm de la partie inférieure du corps cylindrique, équipé de trois tubes d'alimentation en eau chaude sous pression, on a percé un trou cylindrique d'un diamètre d'environ 0,5 m et d'une profondeur d'environ 75 mètres dans un glacier alpin à environ 3200 m d'altitude, en utilisant de l'eau d'une température d'environ 90°C et d'une pression d'environ 200 bar, avec un débit d'environ 19 I/min pour chacun des trois tubes d'alimentation. La vitesse de forage était d'environ 8 m/h, après une phase initiale à vitesse réduite. Ainsi, on a pu accéder à une poche d'eau sous le glacier, qui avait été préalablement repérée et localisée par une technique de radar. Cette poche a été vidangée par pompage à l'aide d'une pompe immergée, qui a été introduite dans le trou après avoir retiré le dispositif de forage. En utilisant la technique décrite ci-dessus, plusieurs trous ont été percés dans le même glacier pour permettre un pompage plus rapide. Le dispositif et procédé de forage selon l'invention peut être utilisé également en milieu arctique, mais compte tenu de la température plus faible de la glace, on obtiendra avec les mêmes paramètres de température, pression et débit une vitesse d'avancement plus faible. REVENDICATIONS1. Dispositif pour percer un trou dans une couche épaisse de glace comprenant des moyens d'alimentation en eau chaude sous pression reliés à une tête de forage (21) qui envoie l'eau chaude sous pression vers la glace, caractérisé en ce que ladite tête de forage comprend une pluralité de buses (15,16,17) agencées de préférence à égale distance l'une de l'autre, sensiblement dans un même plan, proches de la périphérie de ladite tête de forage (21), le jet d'eau chaude sous pression en provenance desdits moyens d'alimentation qui sort de chaque buse (14,15,16) ayant un axe orienté parallèlement à l'axe longitudinal de ladite tête de forage (21). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque buse (14,15,16) est reliée à un tube d'alimentation (5,6) en eau chaude sous pression. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un corps creux (1) de forme cylindrique dont le prolongement forme ladite tête de forage (21). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites buses (15,16,17) et leurs tubes d'alimentation (5,6) sont supportés à l'intérieur dudit corps creux (1), parallèlement à l'axe longitudinal de ce dernier. 25 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que lesdites buses (15,16,17) sont disposées en retrait par rapport à l'extrémité inférieure (2) dudit corps creux (1). 6. Procédé pour percer un trou dans une couche épaisse de glace, comportant les 30 étapes suivantes : (v) on fixe le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 sur un moyen de levage ; (vi) on pose ledit dispositif sur la surface de glace à l'endroit de forage ; (vii) on alimente ledit dispositif en eau chaude sous pression pour former un 35 trou dans ladite couche de glace ; 920 10 (viii) on laisse ledit dispositif descendre dans le trou formé, tout en alimentant, de manière continue ou intermittente, ledit dispositif en eau chaude sous pression, jusqu'à la profondeur voulue. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température de l'eau chaude est supérieure à 50°C, et de préférence supérieure à 80°C. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la pression de l'eau chaude est supérieure à 50 bar, de préférence supérieure à 100 bar, et encore plus préférentiellement supérieure à 150 bar. 9. Procédé pour vider au moins partiellement une poche d'eau sous un glacier, comportant les étapes suivantes : (i) on perce au moins un trou dans le glacier en utilisant le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et le procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, jusqu'à atteindre ladite poche d'eau; (ii) on retire ledit dispositif du trou ; (v) on introduit dans au moins un des trous une pompe à immersion ; (vi) on évacue au moins partiellement l'eau de ladite poche d'eau par pompage. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ledit au moins un trou a un diamètre supérieur à 20 cm, et de préférence supérieur à 35 cm.25