Brevet FR3021677A1 — publié le 20151204

DISPOSITIF POUR SOUMETTRE, A UNE PRESSION MODULEE, LA PAROI D'UN PUITS REALISE DANS UN SOL La présente invention concerne les dispositifs pour soumettre la paroi d'un puits ou analogue réalisé dans un sol, à une pression modulée, qui trouvent une application particulièrement avantageuse pour réaliser par exemple des études de la résistance des sols à la pression, des études de type sismique de ces sols à des profondeurs relativement faibles par rapport, par exemple, à celles des études similaires que l'on peut être amené à effectuer dans des puits du type "puits de pétrole" à grande profondeur. En effet, il est nécessaire de savoir que, pour décider l'implantation des ouvrages d'art comme des ponts et autres immeubles dans un sol donné, il faut prendre en compte la nature de ce sol, y compris son caractère sismique afin d'en déterminer les éventuelles conséquences et les risques liés aux effets induits par les séismes, tels que des glissements de terrain ou analogues. Pour effectuer ces études, il existe déjà des dispositifs pour soumettre un sol à une pression modulée en fréquence et en intensité. Cependant, on constate qu'il n'existe en fait aucun de tels dispositifs qui soit d'une structure relativement simple, facile à mettre en oeuvre, peu onéreux, et en outre sans danger pour l'environnement, tout en donnant d'excellents' résultats. Aussi, la présente invention a-t-elle pour but de réaliser un dispositif pour étudier les caractéristiques d'un sol, qui tente de répondre au maximum des objectifs définis ci-dessus. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif pour soumettre, à une pression modulée, la paroi d'un puits réalisé dans un sol, caractérisé par le fait qu'il comporte : - une sonde comportant au moins une cellule cylindrique à paroi latérale déformable, ladite cellule comportant une entrée d'alimentation en fluide, 3021677 2 - une chambre définissant un volume cylindrique, ladite chambre comportant une sortie de fluide, - un piston monté coulissant de façon étanche dans ledit volume cylindrique de la chambre, 5 - des moyens de conduite pour relier la sortie de fluide de la chambre à l'entrée d'alimentation en fluide de la cellule, et - des moyens pour commander la translation alternative du piston dans ledit volume cylindrique, caractérisé par le fait que les moyens pour commander la translation 10 alternative du piston dans ledit volume cylindrique sont constitués par des moyens pour transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation de va et vient. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens pour transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation de 15 va et vient comportent : - un moteur avec un arbre de sortie menant, - des moyens pour lier ledit moteur à ladite chambre, - une came, - des moyens pour connecter ladite came au dit arbre menant, 20 - une bielle, - des moyens pour monter de façon rotative une première extrémité de la bielle sur un point d'attache défini sur le piston, autour d'au moins un axe parallèle à l'axe de l'arbre menant, et .- des moyens pour monter de façon rotative la seconde extrémité de 25 la bielle sur un point de liaison défini sur ladite came, autour d'au moins un axe parallèle à l'axe de l'arbre menant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des dessins annexés à titre illustratif mais nullement limitatif, dans lesquels : 30 La figure 1 est une vue schématique du dispositif selon l'invention pour soumettre, à une pression modulée, la paroi d'un puits réalisé dans un sol, et 3021677 3 Les figures 2 et 3 représentent, selon deux vues en coupe longitudinales orthogonales, un mode de réalisation préféré de la partie du dispositif qui est encadrée sur la figure 1 et référencée EC2/3. Il est tout d'abord précisé que, sur les figures, les mêmes références 5 désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments. De même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l'une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à une autre figure. 10 Il est aussi précisé que les figures représentent un seul mode de réalisation de l'objet selon l'invention, mais qu'il peut en exister d'autres qui répondent à la définition de cette invention. Il est en outre précisé que, lorsque, selon la définition de l'invention, l'objet de l'invention comporte "au moins un" élément ayant une fonction 15 donnée, le mode de réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments. Réciproquement, si le mode de réalisation de l'objet selon l'invention tel qu'illustré comporte plusieurs éléments de fonction identique et si, dans la description, il n'est pas spécifié que l'objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de ces éléments, l'objet 20 de l'invention pourra être défini comme comportant "au moins un" de ces éléments. Il est aussi précisé que lorsque, dans la présente description, une expression définit à elle seule, sans mention particulière spécifique la concernant, un ensemble de caractéristiques structurelles, ces 25 caractéristiques peuvent être prises, pour la définition de l'objet de la protection demandée, quand cela est techniquement possible, soit séparément, soit en combinaison totale et/ou partielle. Il est enfin précisé que, dans la présente description, si l'adverbe "sensiblement" est associé à un qualificatif d'un moyen donné, ce qualificatif 30 doit être compris au sens strict ou approché. La présente invention est relative à un dispositif pour soumettre, à une pression modulée, la paroi d'un puits Pu réalisé dans un sol So, dans le 3021677 4 but d'effectuer une étude des propriétés du sol, notamment de type sismique, notamment à des profondeurs relativement faibles, au maximum à quelques centaines de mètres de profondeur. Au sens de la présente description, le terme "sol" désigne aussi bien 5 le sol en surface que le sous-sol qui lui correspond. En référence aux trois figures annexées, le dispositif comporte une sonde 10 comportant au moins une cellule cylindrique 11 à paroi latérale déformable de façon qu'elle soit apte à se gonfler et se dégonfler à la manière d'un ballon (comme représenté sur la figure 1, en traits continus 10 sous sa forme dégonflée et en traits interrompus sous sa forme gonflée). La cellule 11 comporte une entrée d'alimentation en fluide 12 et se présente généralement, figure 1, sous la forme d'un manchon cylindrique définissant un volume annulaire dont la paroi intérieure est rigide et la paroi extérieure en un matériau élastiquement déformable constitue la paroi 15 latérale de la cellule. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, l'entrée d'alimentation en fluide 12 est réalisée dans la paroi intérieure rigide. Il est précisé que la sonde 10 peut comporter d'autres éléments que la cellule 11, connus en eux-mêmes. N'entrant pas dans le champ de la 20 présente invention, ils ne seront pas explicités dans la présente description. Le dispositif comprend en outre un chambre 20, tel le cylindre d'un vérin, définissant un volume intérieur cylindrique 21 avantageusement de révolution, la chambre comportant une sortie de fluide 22 située préfentiellement sur son fond 26. 25 Sont en outre prévus un piston 23 monté coulissant de façon étanche dans le volume cylindrique 21 de la chambre 20, des moyens de conduite 30 pour relier la sortie de fluide 22 de la chambre à l'entrée d'alimentation en fluide 12 de la cellule 11 et des moyens 40 pour commander la translation alternative du piston 23 dans le volume cylindrique 21. 30 Selon une caractéristique importante de l'invention, les moyens 40 pour commander la translation alternative du piston 23 dans le volume cylindrique 21 sont constitués par des moyens pour transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation de va et vient. 3021677 5 Ces derniers moyens comportent, selon un mode de réalisation préférentiel, un moteur 41 avec un arbre de sortie dit "menant" 42, des moyens 43 pour lier le moteur, plus particulièrement son stator, à la chambre 20, une came 44, des moyens 142 pour connecter cette came 44 à 5 l'arbre menant 42, une bielle 45, des moyens 40-1 pour monter de façon rotative une première extrémité 46 de la bielle sur un point d'attache 47 défini sur le piston 23, autour d'au moins un axe parallèle à l'axe de l'arbre menant 42, et des moyens 40-2 pour monter de façon rotative la seconde extrémité 48 de cette même bielle sur un point de liaison 49 défini sur la 10 came 44, autour d'au moins un axe lui aussi parallèle à l'axe de l'arbre menant 42. Selon une réalisation possible, les moyens 142 pour connecter la came 44 à l'arbre menant 42 sont constitués par une solidarisation directe de la came sur l'arbre menant 42. Mais ils peuvent aussi être constitués 15 d'une boîte de vitesse du type réducteur ou analogue permettant de changer la vitesse de rotation de la came 4 sans changer la vitesse de rotation du moteur 41. De cette façon, il est possible de modifier, si nécessaire, la vitesse de rotation de la came 44, soit en modifiant la vitesse de rotation du moteur 41, 20 par exemple de façon électronique, soit en maintenant constante la vitesse de rotation du moteur mais en commandant de façon déterminée la boîte de vitesse pour obtenir la valeur voulue de la vitesse de rotation de la came 44. Quant aux moyens 40-1, 40-2 pour monter de façon rotative les extrémités 46, 48 de la bielle respectivement sur les points d'attache 47 et 25 de liaison 49, ils sont par exemple avantageusement constitués de rotules ou analogues à au moins un degré de liberté de rotation. Selon une réalisation avantageuse, les moyens 43 pour lier le moteur 41 à la chambre 20 sont agencés de façon que la distance séparant le moteur et la chambre soit ajustable. 30 Selon une réalisation possible, ces derniers moyens 43 sont par exemple constitués par une patte dont la longueur est réglable, notamment de façon télescopique, ou par une patte de longueur fixe mais qui peut être fixée sur la chambre 20 à différents endroits, par tous moyens de fixation 3021677 comme des vis, boulons ou analogues, de façon à adapter la distance entre l'arbre menant 42 et la chambre 20, et donc le piston 23 (figure 2). Selon une réalisation avantageuse, la distance séparant le point de liaison 49 et l'arbre menant 42 est ajustable. Dans ce but, ce point de liaison 5 49 est par exemple défini par un ergot ou analogue solidaire d'une réglette montée coulissante sur la came 44 selon une droite passant sensiblement par l'arbre menant 42, de façon à ajuster la distance entre l'arbre menant 42 et cet ergot sur lequel est apte à pivoter la seconde extrémité 48 de la bielle 45 via les moyens 40-2. 10 Selon une autre réalisation préférée, ce point de liaison 49 peut être défini par un ergot choisi parmi une pluralité d'ergots ou analogues montés solidaires de la came 44 à différentes distances de l'arbre menant 42. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 3, ces ergots sont au nombre de quatre respectivement référencés 49-1 à 49-4, mais ils peuvent être plus 15 nombreux, ou moins nombreux. En outre, la bielle 45 peut aussi être choisie parmi un ensemble de bielles de différentes longueurs. De façon préférentielle, le fluide qui remplit tout l'espace fermé défini par le volume 21, les moyens de conduite 30 et la cellule 11 est choisi parmi 20 les fluides suivants : eau, huile notamment de pin. De façon préférentielle, le dispositif comporte en outre un train de tiges 60 défini entre une extrémité proximale 61 relativement proche de la surface du sol et une extrémité distale 62 opposée à l'extrémité proximale, et des moyens 70 pour solidariser la sonde à l'extrémité distale 62 du train 25 de tiges 60, de façon à pouvoir descendre la sonde dans le puits à une distance déterminée. De façon optionnelle, les moyens 70 pour solidariser la sonde 10 à l'extrémité distale du train de tiges comporte au moins une garniture d'étanchéité 71 qui est désignée, par les techniciens dans le domaine du 30 forage, sous le terme anglo-saxon de "packer". Une telle garniture, connue en elle-même, est généralement alimentée pour être plaquée contre la paroi du puits, par un gaz neutre comme de l'azote ou analogue. 3021677 7 De façon encore plus préférentielle, le dispositif comporte au moins un capteur 81, 82 d'au moins l'un des paramètres suivants : pression, température, pression interstitielle, et des moyens 100 pour recueillir, au niveau de la surface du sol So, les données délivrées en sortie du capteur, 5 par exemple un enregistreur, des mémoires informatiques, etc. Comme illustré, il est très avantageux que le dispositif comporte au moins deux de ces capteurs 81, 82, montés en coopération avec la sonde 10 de façon à être situés respectivement en amont et en aval de celle-ci. Le dispositif s'utilise et fonctionne de la façon suivante : 10 Il est nécessaire d'effectuer une étude des caractéristiques d'un sol So dans lequel est réalisé, volontairement ou non pour ce but, un puits Pu, notamment pour déterminer la pression interstitielle et/ou faire des relevés d'ondes sismiques à un niveau déterminé par rapport à la surface de ce sol. La sonde 10 est descendue dans le puits Pu au moyen du train de 15 tiges 60 ou analogue, la garniture d'étanchéité (packer) 71 est commandée de façon connue en elle-même au moyen d'un fluide gazeux comme de l'azote et permet ainsi de relativement bloquer et centrer la sonde par rapport à la paroi du puits. Puis, la rotation du moteur 41 est commandée. La came 44 est alors 20 entraînée en rotation par l'arbre menant 42 et, via la bielle 45, le piston subit des mouvements de translation alternatifs de va et vient dans le volume 21 de la chambre 20. Dans ces mouvements, le fluide relativement incompressible contenu dans l'espace défini ci-avant (à savoir le volume 21, les moyens de conduite 25 30 et la cellule 11) est alternativement déplacé pour remplir la cellule 11 à paroi deformable (quand le piston est poussé vers le fond 26 de la chambre) et vider la cellule par aspiration (quand ce même piston s'éloigne du fond 26 de la chambre). Donc, avec ces mouvements de va et vient du piston, la cellule se 30 gonfle (en traits interrompus) et se dégonfle (traits continus) alternativement. Lorsque la cellule se .gonfle, sa paroi latérale vient se plaquer contre la paroi du puits en exerçant sur elle une pression. Alors, par exemple la valeur de la pression interstitielle peut être mesurée grâce aux capteurs 81, 3021677 8 82 et enregistrée dans l'enregistreur 100 pour y être analysée selon des techniques connues en elles-mêmes. Le dispositif selon l'invention présente incontestablement des avantages. Outre sa simplicité de réalisation et de fonctionnement qui 5 apparaît de façon évidente à la présente description, il permet de modifier la fréquence de gonflage et dégonflage de la cellule, simplement en modifiant la vitesse de rotation de la came 44 comme explicité ci-avant. Il permet en outre de régler le différentiel entre les pressions maximale et minimale exercées sur la paroi du puits, par exemple en réglant 10 la position du point 49 sur la came 44 par rapport à l'arbre menant, en choisissant l'un des quatre ergots 49-1 à 49-4 dans l'exemple illustré. Il est ainsi possible de simuler, dans le sol, des effets sismiques dont l'épicentre est situé à l'endroit où se trouve la sonde. Le dispositif permet de ce fait d'étudier les caractéristiques du sol, y 15 compris sur le plan sismique pour en tirer les conclusions notamment quant aux risques à édifier un ouvrage d'art sur ce sol. REVENDICATIONS1. Dispositif pour soumettre la paroi d'un puits (Pu) réalisé dans un sol (So) à une pression modulée, caractérisé par le fait qu'il comporte : - une sonde (10) comportant au moins une cellule cylindrique (11) à paroi latérale déformable, ladite cellule comportant une entrée d'alimentation en fluide (12), - un chambre (20) définissant un volume cylindrique (21), ladite chambre comportant une sortie de fluide (22), - un piston (23) monté coulissant de façon étanche dans ledit volume cylindrique (21) de la chambre (20), - des moyens de conduite (30) pour relier la sortie de fluide (22) de la chambre à l'entrée d'alimentation en fluide (12) de la cellule (11), et - des moyens (40) pour commander la translation alternative du piston (23) dans ledit volume cylindrique (21), caractérisé par le fait que les moyens (40) pour commander la translation alternative du piston (23) dans ledit volume cylindrique (21) sont constitués par des moyens pour transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation de va et vient. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens pour transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation de va et vient comportent : - un moteur (41) avec un arbre de sortie menant (42), - des moyens (43) pour lier ledit moteur à ladite chambre (20), - une came (44), - des moyens (142) pour connecter ladite came (44) au dit arbre menant (42), - une bielle (45), - des moyens (40-1) pour monter de façon rotative une première extrémité '(46) de la bielle sur un point d'attache (47) défini sur le piston (23), autour d'au moins un axe parallèle à l'axe de l'arbre menant (42), et 3021677 10 - des moyens (40-2) pour monter de façon rotative la seconde extrémité (48) de la bielle sur un point de liaison (49) défini sur ladite came (44), autour d'au moins un axe parallèle à l'axe de l'arbre menant (42). 5 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens (43) pour lier ledit moteur (41) à ladite chambre (20) sont agencés de façon que la distance séparant ledit moteur et ladite chambre soit ajustable. 10 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que les moyens (40-2) pour monter de façon rotative la seconde extrémité (48) de la bielle (45) sur un point de liaison (49) défini sur ladite came (44) sont agencés de façon que la distance séparant ledit point de laison (49) et ledit arbre menant (42) soit ajustable. 15 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes 2 à 4, caractérisé par le fait que ladite bielle (45) est choisie parmi un ensemble de bielles de différentes longueurs. 20 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes 2 à 5, caractérisé par le fait que ledit fluide est choisi parmi les fluides suivants : eau, huile notamment de pin. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé 25 par le fait qu'il comporte en outre : - un train de tiges (60) défini entre une extrémité proximale (61) et une extrémité distale (62), et - des moyens (70) pour solidariser ladite sonde (10) à l'extrémité distale (62) du train de tiges (60). 30 8. Dispositif selon la -revendication 7, caractérisé par le fait que les moyens (70) pour solidarise/ ladite sonde (10) à l'extrémité distale (62) du train de tiges comporte au moins une garniture d'étanchéité (71). 3021677 11 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre au moins un capteur (81, 82) d'au moins l'un des paramètres suivants : pression, tempértaure, pression interstitielle, 5 et des moyens pour recueillir les données délivrées en sortie du dit capteur. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux dits capteurs (81, 82), les deux dits capteurs étant montés en coopération avec la sonde (10) de façon à être situés 10 respectivement en amont et en aval de ladite sonde. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes 2 à10, caractérisé par le fait que les moyens (142) pour connecter ladite came (44) au dit arbre menant (42) sont constitués par une boîte de changement de 15 vitesse.