EP0353168B1 - Procédé et dispositif de forage pour l'étude et l'exploitation du sous-sol - Google Patents
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- EP0353168B1 EP0353168B1 EP89420268A EP89420268A EP0353168B1 EP 0353168 B1 EP0353168 B1 EP 0353168B1 EP 89420268 A EP89420268 A EP 89420268A EP 89420268 A EP89420268 A EP 89420268A EP 0353168 B1 EP0353168 B1 EP 0353168B1
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- E21B6/00—Drives for drilling with combined rotary and percussive action
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- E21B21/12—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor using drilling pipes with plural fluid passages, e.g. closed circulation systems
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- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
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Definitions
- the present invention is the new application to an existing drilling method, percussive drilling with hammer out of the hole, of a particular circulation technique, the double tube reverse circulation, already used in drilling but in totally different fields, like for example tricone drilling.
- the tube is used to inject a fluid, most often air or water, the role of which is to clean the cutter, to clear the bottom of the hole of the rock debris and to bring them up to the surface by l space between the tube and the ground.
- This method has two main drawbacks, namely that on the one hand the fluid loaded with excavation debris can be polluted by other debris torn from the wall during the ascent, which prevents the succession of the lands crossed from being reconstituted; and that on the other hand the sleeves which serve to assemble the tubular elements between them projecting into the borehole, contribute to the degradation of the wall and create a permanent risk of jamming.
- document CH-B-422 681 describes a drill bit comprising an annular part and a central part mounted respectively at the lower end of an outer sleeve and at the lower end of a drilling spindle. The latter is subjected simultaneously to rotation and to shocks, which are transmitted to the outer sleeve by a bayonet connection, during a first implementation phase. Then, the outer sleeve, carrying the annular part of the drill bit, is dissociated from the drill spindle which continues drilling alone, using another drill bit.
- the present invention aims to make drilling "hammer out of the hole" a real geological reconnaissance tool providing a good sampling of the land crossed and at a lower cost than traditional coring.
- the method according to the invention can be implemented with drilling tubes of small internal section, making it possible to raise the rock debris very quickly as soon as they are removed, without there being any possibility of pollution of the sample. during the ascent, so that it makes it possible to obtain rock elements of a size facilitating their identification and their study.
- a drilling device according to the invention for the implementation of this method, is defined by claim 2.
- the tube is centered inside the jacket by a device which leaves it sheltered from the shock waves transmitted by the tube and which allows a certain sliding between tube and shirt.
- a stack of monoblock double-body elements made up of an axial tube and a peripheral sleeve threaded male at one end and female at the other will be used, these threads serving to couple the monoblock elements. double-body them and to rotate them.
- an axial tube constituted by conventional tubular extensions threaded male at their two ends and joined together by sleeves.
- the peripheral jacket will be formed by male threaded elements on one side, female on the other and screwed to each other.
- the axial tube and the peripheral liner are only interconnected at their ends, under the hammer and at the cutting edge.
- the rotary drive of the cutter can be ensured in two ways, either by the hammer acting on the tube, either by an independent rotation head acting on the jacket.
- the shirt which, in all cases, progresses with the cutter, it can accompany it in two ways, either by not turning, or by being rotated either by the rotation head or by a linked device to the cutter.
- the hammer has a tubular piston crossed by a hollow "needle" whose internal diameter is identical to that of the axial tube, which gives a strictly rectilinear path for the rock debris lifted by the water, so that it can be collected at the outlet of the tube above the hammer.
- This particular configuration allows, subject to minor modifications to the cutting edge, the continuous ascent of carrots, thus further improving the quality of the sampling of the terrain crossed.
- Figure 1 is a schematic longitudinal section showing the upper part of a drilling installation according to the invention.
- Figure 2 shows the lower end at the cutting edge.
- Figure 3 shows a variant of Figure 1, allowing further to collect carrots above the hammer.
- Figure 4 illustrates the connection area between two elements of the central tube.
- Figure 5 is a view of the base of the axial tube and the first element of the peripheral jacket.
- Figure 6 illustrates the method of unscrewing between two elements of the peripheral liner.
- Figure 7 illustrates the lower structure, in the cutting area.
- Figure 8 shows the circulation of water and sediment in the cutting area.
- Figure 9 is a section along IX-IX ( Figure 10).
- Figure 10 shows the connection of the cutter with the base of the axial tube and that of the peripheral liner.
- Figure 11 shows the completed drilling, as it is delivered jacketed.
- Figure 12 details a possible structure in the upper area of Figure 1 in the "drilling" position.
- Figure 13 is a cross section along XIII-XIII ( Figure 12) showing an unlocking key.
- Figure 14 corresponds to another view of Figure 12, but in the "maneuver" position.
- the rotary hammer 1 comprises a piston 2 which strikes in the known manner on the upper section 3 of a tube 4.
- This consists of a series of tubular extensions such as 5, 6, 7, 8, 9 assembled one after the other.
- each extension has at its top a threaded area 10 ( Figure 4) and at its base another threaded area 11.
- the two threads are in the same direction and the assembly is carried out in the known manner by screwing in a threaded sleeve 12 of two adjacent threaded zones 10 and 11 ( Figure 4).
- a section 18 is provided on the body provided with longitudinal grooves 19.
- the latter slide freely in the axial direction (double arrow 20, FIG. 2) between the corresponding grooves 21 provided inside the end 22 of the lower element 24 of a jacket 23 formed by screwing one after the other, elements such as 24, 25, 26, 27, 28.
- jacket elements 24 to 28 are assembled in line with one another by male 30 and female 31 threads cut in the reinforced zones 29.
- the pitch of these latter threads has the particularity of being in the opposite direction to the threads 10,11 , 15, 17. In other words, some are threaded "to the right", others "to the left".
- the hammer 1 when the hammer 1 drives the drilling tube 4 through its top, it is the lower part thereof which, by the grooves 19, 21, rotates the foot of the jacket 23. Thanks to this arrangement, the rotation controlled by the hammer 1 tends to tighten all the screwed assemblies, both those of the tube 4 and those of the jacket 23.
- centering pins 32 are provided on the inner wall of the jacket 23, distributed in the reinforced zones 29 and possibly in the jacket elements 24 to 28. These pins are intended to bear against the outside of the tube 4, to define around it an annular intermediate space 33 where the drilling fluid (air or water) will circulate.
- a wide peripheral groove 34 is preferably provided on the drill bit 13 ( Figures 2, 7, 10) and longitudinal milled channels 35. It is also expected that the number of grooves male 19 (for example three in Figure 9) is lower than that of the grooves 21 of the sleeve 22 (for example six), which leaves free large passages of water or air 36 (for example three).
- the upper section 3 is surmounted by a striking surface 37 and it has a lateral outlet opening 38 which communicates with the interior space 39 of the drilling tube 4.
- annular space 33 is closed at its upper part by a sealed injection drum 40 which surrounds the tube 4 but remains isolated from the striking of the piston 2, while this space 33 opens laterally on a supply channel. 41 connected to an injection of compressed air or pressurized water.
- the operation is as follows:
- the axial tube 4 is used to transmit to the cutting edge 13 the shock waves and the rotational movement.
- the fluid (air or water) injected through the supply channel 41 descends into the annular space 33 then, through the passages 36, 34, 35 reaches the digging zone 42 located at the bottom of the hole which it cleans and d 'where it discharges the debris 43. These are raised by the central space 39, then ejected through the opening 38.
- the rock debris reassembled is not likely to be polluted by the terrain already crossed.
- FIGs 12, 14 There is shown in Figures 12, 14, a possible embodiment of the head device connecting the tube 4, the jacket 23 and the hammer 1 according to Figures 1 and 2.
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Description
- La présente invention est l'application nouvelle à un mode de forage existant, le forage percutant avec marteau hors du trou, d'une technique particulière de circulation, la circulation inverse double tube, déjà utilisée dans les forages mais dans des domaines totalement différents, comme par exemple le forage au tricône.
- On sait depuis longtemps forer le sol à l'aide d'un taillant vissé à l'extrémité inférieure d'un tube dont le sommet est soumis simultanément à la percussion et à la rotation données par un marteau de surface. Au fur et à mesure de la progression du forage, on visse sur le sommet du tube des éléments tubulaires sur lesquels le mécanisme de forage agit à nouveau.
- Le tube est utilisé pour injecter un fluide, le plus souvent l'air ou l'eau, dont le rôle est de nettoyer le taillant, de dégager le fond du trou des débris de roche et de les remonter jusqu'à la surface par l'espace existant entre le tube et le terrain.
- Cette méthode présente deux inconvénients principaux, à savoir que d'une part le fluide chargé des débris du creusement peut être pollué par d'autres débris arrachés à la paroi au cours de la remontée, ce qui empêche de reconstituer la succession des terrains traversés ; et que d'autre part les manchons qui servent à assembler les éléments tubulaires entre eux faisant saillie dans le trou de forage, contribuent à la dégradation de la paroi et créent un risque permanent de coincement.
- Dans le but d'éviter ces inconvénients et de réaliser des forages de meilleure qualité on a mis au point la technique de forage dite "à circulation inverse", illustrée notamment par le document CA-A-933146, dans laquelle le fluide est injecté entre le tube de forage et une chemise périphérique qui lui est concentrique et remonte par le trou central du taillant, puis par le conduit central du tube de forage.
- Dans cette technique, l'eau parvenue à la base sort autour du taillant, nettoie le fond du forage, puis par le trou central du taillant et l'intérieur du tube remonte avec les débris de roche jusqu'en surface.
- Par ailleurs, le document CH-B-422 681 décrit un trépan comportant une partie annulaire et une partie centrale montées respectivement à l'extrémité inférieure d'un manchon extérieur et à l'extrémité inférieure d'une broche de forage. Cette dernière est soumise simultanément à une rotation et à des chocs, qui sont transmis au manchon extérieur par une liaison à baïonnette, lors d'une première phase de mise en oeuvre. Ensuite, le manchon extérieur, portant la partie annulaire du trépan, est dissociée de la broche de forage qui poursuit seule le forage, à l'aide d'un autre trépan.
- La présente invention a pour but de faire du forage "marteau hors du trou" un véritable outil de reconnaissance géologique fournissant un bon échantillonnage des terrains traversés et ce, à un moindre coût que le carottage traditionnel.
- A cet effet, le procédé selon l'invention est conforme à la revendication 1.
- Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre avec des tubes de forage de faible section intérieure, permettant de remonter les débris de roche très rapidement dès qu'ils sont prélevés, sans qu'il puisse se produire de pollution de l'échantillon au cours de la remontée, en sorte qu'il permet d'obtenir des éléments de roche d'une taille facilitant leur identification et leur étude.
- Un dispositif de forage selon l'invention, pour la mise en oeuvre de ce procédé, est défini par la revendication 2.
- Le tube est centré à l'intérieur de la chemise par un dispositif qui laisse celle-ci à l'abri des ondes de choc transmises par le tube et qui autorise un certain coulissement entre tube et chemise.
- Selon qu'il est nécessaire de livrer au géologue un trou de forage chemisé ou non on utilisera deux dispositifs différents.
- Si le trou doit être livré nu on emploiera un empilage d'éléments monoblocs double-corps composés d'un tube axial et d'une chemise périphérique filetés mâle à une extrémité et femelle à l'autre, ces filetages servant à accoupler les éléments monoblocs double-corps entre eux et à les entraîner en rotation.
- Si le trou doit être chemisé, il est préférable de mettre en oeuvre un tube axial constitué par des allonges tubulaires classiques filetées mâle à leurs deux extrémités et assemblées entre elles par des manchons.
- La chemise périphérique sera formée par des éléments filetés mâle d'un côté , femelle de l'autre et vissés les uns aux autres.
- A la différence du dispositif monobloc double-corps le tube axial et la chemise périphérique ne sont reliés entre eux qu'à leurs extrémités, sous le marteau et au taillant.
- Selon une caractéristique de l'invention outre la frappe qui est , dans tous les cas , transmise par le tube jusqu'au taillant , l'entraînement en rotation du taillant peut être assuré de deux façons , soit par le marteau agissant sur le tube , soit par une tête de rotation indépendante agissant sur la chemise.
- Quant à la chemise qui, dans tous les cas, progresse avec le taillant, elle peut l'accompagner de deux façons , soit en ne tournant pas , soit en étant mise en rotation ou bien par le tête de rotation ou bien par un dispositif lié au taillant.
- Dans ce dernier cas les filetages des éléments du tube et ceux des éléments de la chemise devront être réalisés de sens opposé.
- Suivant une autre caractéristique de l'invention, le marteau possède un piston tubulaire que traverse une " aiguille " creuse dont le diamètre intérieur est identique à celui du tube axial , ce qui donne un trajet rigoureusement rectiligne pour les débris de roche remontés par l'eau , si bien qu'on peut les recueillir à la sortie du tube au-dessus du marteau.
- Cette configuration particulière permet , sous réserve de modifications mineures du taillant , la remontée continue de carottes , améliorant encore ainsi la qualité de l' échantillonnage des terrains traversés.
- Le dessin annexé , donné à titre d' exemple non limitatif , permettra de mieux comprendre l' invention et les avantages qu 'elle est susceptible de procurer.
- Figure 1 est une coupe longitudinale schématique montrant la partie supérieure d'une installation de forage selon l'invention.
- Figure 2 montre l'extrémité inférieure au niveau du taillant.
- Figure 3 montre une variante de la Figure 1, permettant en outre de recueillir des carottes au dessus du marteau.
- Figure 4 illustre la zone de raccordement entre deux éléments du tube central.
- Figure 5 est une vue de la base du tube axial et du premier élément de la chemise périphérique.
- Figure 6 illustre le mode de dévissage entre deux éléments de la chemise périphérique.
- Figure 7 illustre la structure inférieure, dans la zone du taillant.
- Figure 8 montre la circulation de l'eau et des sédiments dans la zone du taillant.
- Figure 9 est une coupe suivant IX-IX (Figure 10).
- Figure 10 montre la liaison du taillant avec la base du tube axial et de celle de la chemise périphérique.
- Figure 11 montre le forage terminé, tel qu'on le livre chemisé.
- Figure 12 détaille une structure possible dans la zone supérieure de la Figure 1 en position "forage".
- Figure 13 est une coupe transversale suivant XIII-XIII (Figure 12) montrant une clé de déblocage.
- Figure 14 correspond à une autre vue de la Figure 12, mais en position "manoeuvre".
- On a représenté sur les Figures 1 et 2 le schéma d'un dispositif de forage à flux inverse selon l'invention.
- Le marteau roto-percutant 1 comprend un piston 2 qui frappe à la manière connue sur le tronçon supérieur 3d′ un tube 4. Celui-ci est constitué par une suite d'allonges tubulaires telles que 5, 6, 7, 8, 9 assemblées les unes à la suite des autres. Pour cela, chaque allonge possède à son sommet une zone filetée 10 (Figure 4) et à sa base une autre zone filetée 11. Les deux filetages sont de même sens et l'assemblage s'effectue à la manière connue par vissage dans un manchon fileté 12 de deux zones filetées adjacentes 10 et 11 (Figure 4).
- A son extrémité inférieure, le tube (composé d'allonges tubulaires) est vissé sur le taillant 13 par l'intermédiaire d'un manchon fileté 14. Ce manchon 14 présente la particularité d'avoir le filetage côté opposé au taillant plus facile à dévisser que ceux des zones précitées 10 et 11. A cet effet, on peut prévoir :
- dans la partie supérieure du manchon 14, pour son assemblage avec l'allonge tubulaire inférieure 9 du tube 4, un filet 15 à profil trapézoïdal ;
- dans la partie inférieure du manchon 14, pour son assemblage avec le filetage 16 du taillant 13, un filet 17 à profil cordon, par exemple du genre classé sous la référence R 45 dans la norme européenne (Figures 2 et 7).
- Par ailleurs, entre l'embase proprement dite du taillant 13 et son filetage mâle 16, on prévoit sur le corps un tronçon 18 pourvu de cannelures longitudinales 19. Ces dernières coulissent librement dans le sens axial (flèche double 20, Figure 2) entre les cannelures correspondantes 21 prévues à l'intérieur de l'extrémité 22 de l'élément inférieur 24 d'une chemise 23 formée par vissage les uns au bout des autres, d'éléments tels que 24, 25, 26, 27, 28.Ces éléments de chemise 24 à 28 sont assemblés dans le prolongement les uns des autres par des filetages mâle 30 et femelle 31 taillés dans les zones renforcées 29. Le pas de ces derniers filetages présente la particularité d'être de sens inverse des filetages 10,11, 15, 17. Autrement dit, les uns sont filetés "à droite", les autres "à gauche". Ainsi, lorsque le marteau 1 entraîne par son sommet le tube de forage 4, c'est la partie inférieure de celui-ci qui, par les cannelures 19, 21, entraîne en rotation le pied de la chemise 23. Grâce à cette disposition, la rotation commandée par le marteau 1 tend à serrer tous les assemblages vissés, aussi bien ceux du tube 4 que ceux de la chemise 23.
- Par ailleurs, des pions de centrage 32 sont prévus sur la paroi intérieure de la chemise 23, répartis dans les zones renforcées 29 et éventuellement dans les éléments de chemise 24 à 28. Ces pions sont destinés à prendre appui contre l'extérieur du tube 4, pour définir autour de lui un espace intermédiaire annulaire 33 où circulera le fluide de forage (air ou eau).
- Enfin, pour augmenter les sections de passage prévues pour le fluide de forage, on prévoit préférablement sur le trépan 13 une large gorge périphérique 34 (Figures 2, 7, 10) et des canaux fraisés longitudinaux 35. On prévoit aussi que le nombre des cannelures mâles 19 (par exemple trois sur la Figure 9) est inférieur à celui des cannelures 21 du manchon 22 (par exemple six), ce qui laisse libres de larges passages d'eau ou d'air 36 (par exemple trois).
- Dans l'exemple de la Figure 1, le tronçon supérieur 3 est surmonté par une surface de frappe 37 et il possède une ouverture de sortie latérale 38 qui communique avec l'espace intérieur 39 du tube de forage 4.
- Par ailleurs, l'espace annulaire 33 est obturé à sa partie supérieure par un touret d'injection étanche 40 qui entoure le tube 4 mais reste isolé de la frappe du piston 2, alors que cet espace 33 débouche latéralement sur un canal d'alimentation 41 relié à une injection d'air comprimé ou d'eau sous pression.
- Le fonctionnement est le suivant :
Le tube axial 4 sert à transmettre au taillant 13 les ondes de choc et le mouvement de rotation. Le fluide (air ou eau) injecté par le canal d'alimentation 41 descend dans l'espace annulaire 33 puis, par les passages 36, 34, 35 parvient à la zone de creusement 42 située au fond du trou qu'il nettoie et d'où il évacue les débris 43. Ceux-ci sont remontés par l'espace central 39, puis éjectés par l'ouverture 38. Ainsi, les débris de roche remontés ne risquent pas d'être pollués par les terrains déjà traversés. - En fin de forage, il suffit de bloquer avec une clé 44 (Figures 12 et 15) le sommet de la chemise 23, puis de provoquer la rotation du tube 4 en sens inverse du sens utilisé pour le forage. C'est au niveau du manchon 14 que les filetages se desserrent et se dévissent, si bien que la chemise 23 et le trépan 13 restent en place dans le trou 45 (Figure 11) lorsque l'on a extrait le tube 4. Ainsi, le trou 35 peut être livré tubé.
- Dans la variante de la Figure 3, on prévoit dans le marteau 46, un piston 47 qui présente la particularité d'être percé. Ce piston annulaire est traversé par une aiguille tubulaire 48 qui prolonge vers le haut le tube 4. L'intérêt de cette disposition est d'évacuer les sédiments 43 suivant un trajet entièrement rectiligne jusqu'à l'ouverture d'évacuation finale 48. Grâce à cette structure, on peut donc recueillir par l'ouverture supérieure 48, non seulement des débris de roche, mais également des carottes permettant l'étude plus complète des terrains.
- On a représenté sur les Figures 12, 14, une réalisation possible du dispositif de tête reliant le tube 4, la chemise 23 et le marteau 1 selon les Figures 1 et 2.
Claims (6)
- Procédé pour la réalisation d'un forage roto-percutant à circulation inverse avec marteau hors du trou à l'aide d'un taillant (13) équipant l'extrémité inférieure d'un tube de forage (4) dont l'extrémité supérieure (3) reçoit la frappe du piston (2, 47) d'un marteau (1), procédé dans lequel le fluide est injecté entre le tube de forage (4) et une chemise périphérique (23) et remonte avec les débris de forage par le conduit central (39) du tube (4) caractérisé en ce que la chemise périphérique (23) est entraînée en rotation au niveau de sa base, en même temps que le tube de forage (4), par le taillant (13), avec lequel ladite base peut demeurer dans le trou de forage (45) après le forage.
- Dispositif pour réaliser un forage rotopercutant à circulation inverse avec marteau hors du trou, comportant un taillant (13) équipant l'extrémité inférieure d'un tube de forage (4) dont l'extrémité supérieure (3) reçoit la frappe du piston (2, 47) d'un marteau (1), et une chemise périphérique (23) entourant le tube (4) dont elle est séparée par un espace annulaire (33), ladite chemise périphérique (23) étant raccordée à sa partie supérieure à une tête d'injection de fluide (40, 41) au-dessus de laquelle dépasse le tube de forage (4) pourvu d'une ouverture (38, 44) pour l'évacuation des débris de forage (43) remontés par le fluide, caractérisé en ce que la chemise périphérique (23) est munie de moyens d'entraînement, situés au niveau du taillant (13), permettant l'entraînement en rotation de ladite chemise avec ledit tube de forage (4).
- Dispositif de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'entraînement consistent en des cannelures longitudinales (21) ménagées à la face interne de l'élément inférieur (22) de la chemise périphérique (23) et dans lesquelles sont encastrées à coulissement des cannelures longitudinales (19) réparties en plus faible nombre à la périphérie du corps (18) du taillant (13), laissant libres pour le passage du fluide des canaux de passage (36) entre des cannelures successives (21) de la chemise périphérique (23).
- Dispositif de forage selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les filetages (10,11) dont sont munies les extrémités des allonges tubulaires successives (5 à 9) constituant le tube de forage (4), de même que le filetage (16) équipant l'extrémité supérieure du taillant (13), sont en sens inverse des filetages (30, 31) équipant les extrémités des éléments tubulaires (24 à 28) constituant la chemise périphérique (23).
- Dispositif de forage selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le piston (47) du marteau (1) est traversé par une aiguille tubulaire (48) qui prolonge vers le haut le tube de forage (4) en vue de permettre l'évacuation des débris (43) selon un trajet rigoureusement rectiligne jusqu'à l'ouverture d'évacuation (44).
- Dispositif de forage selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la paroi interne de la chemise périphérique (23) est munie de pions d'écartement (32) qui prennent appui sur la périphérie du tube de forage (4) afin de délimiter un espace annulaire (33) bien défini.
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (2)
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Publications (2)
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