EP1396585B1

EP1396585B1 - Tête d'injection sous pression d'un fluide pour désagréger le terrain à partir d'un forage

Info

Publication number: EP1396585B1
Application number: EP03291946A
Authority: EP
Inventors: Jean-Claude c/o Compagnie du Sol Gessay; Jacques c/o Compagnie du Sol Morey; Fabrice c/o Compagnie du Sol Mathieu
Original assignee: Compagnie du Sol SARL
Current assignee: Compagnie du Sol SARL
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: SG129253A1; FR2843609B1; US20050077041A1; EP1396585A1; DE60305256T2; ES2262955T3; US7000714B2; ATE326585T1; FR2843609A1; DE60305256D1; JP2004076573A

Description

La présente invention a pour objet une tête d'injection sous pression d'un fluide, le plus souvent un liquide qui peut être équipée d'un outil de forage pour forer une excavation dans le sol et notamment une tête d'injection pour la mise en oeuvre de la technique connue sous le terme anglo-saxon de "jet grouting".
La technique dite du jet grouting consiste à désagréger le terrain à l'aide d'un jet de fluide à très haute énergie cinétique mis en oeuvre dans un forage, le jet de fluide provoquant l'érosion du sol dans lequel on veut réaliser une excavation. Pour former le jet, on utilise une buse qui est fixée à l'extrémité des tiges de forage, ces tiges permettant à la fois l'acheminement vers la buse ou les buses du fluide sous haute pression et la translation progressive de la buse dans le terrain. Plus précisément, la ou les buses sont montées sur un organe appelé le plus souvent moniteur ou tête d'injection qui est fixé à l'extrémité inférieure du train de tiges, ce moniteur pouvant lui-même être équipé à son extrémité inférieure d'un outil mécanique de forage. Comme on le sait, le fluide utilisé le plus souvent est un coulis à base de ciment qui permettra, après le forage, de réaliser un élément de sol en ciment moulé dans le terrain en place. On peut également avoir plusieurs jets de fluide dont l'un peut être un gaz tel que de l'air.
Dans la suite de la description, on parlera de liquide, étant entendu qu'en fait, dans des cas particuliers, il pourra s'agir au moins en partie d'un gaz.
Le liquide qui est véhiculé par les tiges est envoyé depuis la surface par une pompe à des pressions de une à plusieurs dizaines de MPa. Le diamètre intérieur des tiges acheminant le liquide doit être assez grand pour limiter les pertes de charge dans les tiges. Ce diamètre peut être typiquement de l'ordre de 20 à 50 mm. En revanche, le diamètre de sortie de la buse doit être suffisamment réduit pour imprimer au jet de liquide une vitesse suffisante à sa sortie afin d'éroder le terrain à distance. Typiquement, le diamètre de sortie de la buse est compris, le plus souvent, entre 2 et 5 mm et la vitesse du liquide en sortie de buse est de une à plusieurs centaines de mètres par seconde.
Pour obtenir une grande qualité du jet, il est souhaitable que la forme intérieure de la buse soit optimisée pour conserver au jet de liquide une vitesse aussi élevée que possible au fur et à mesure que le jet s'éloigne de la buse vers le terrain afin qu'il puisse éroder le terrain le plus possible en employant un minimum d'énergie cinétique. Des formes de buses optimisées répondant à cet impératif sont couramment utilisées.
Cependant, même avec de telles buses, on constate que la perte d'efficacité du jet pour provoquer l'érosion du terrain est rapide, si bien qu'il faut des énergies cinétiques considérables pour que, lorsque l'on fait translater et, éventuellement, tourner les tiges, le terrain soit érodé à une grande distance de la buse par exemple à plusieurs décimètres. Le rayon d'action du jet de liquide sous pression pour former une colonne, un secteur de colonne ou un élément plan reste généralement médiocre de quelques décimètres à 1 ou 2 mètres suivant la méthode de mise en oeuvre, la nature du terrain et l'énergie employée.
Pour augmenter l'action du jet, on a proposé notamment dans le brevet américain 5 228 809 un mode de réalisation de la tête d'injection ou moniteur qui permet d'améliorer la qualité de ce jet.
Sur la figure 1 annexée, on a représenté la tête d'injection décrite dans ce brevet. La tête d'injection 10 comporte un corps 12 présentant une paroi latérale 14 définissant une cavité interne. Une buse d'injection de liquide sous pression 16 est montée dans la paroi externe 14 du moniteur. Sur cette figure, on a également représenté des éléments 18 de raccordement au train de tiges et des éléments 20 et 22 de raccordement à la conduite de liquide sous pression et à une conduite annulaire d'air circulant dans les tiges afin d'alimenter simultanément la buse de liquide et une buse annulaire d'air 16. Selon ce brevet, la buse 16 est alimentée à partir de la conduite 22 d'acheminement du liquide sous pression par un passage 24 ménagé dans le corps du moniteur 10 et par une tubulure 26 raccordant l'extrémité de ce passage à l'entrée de la buse 16. La tubulure 26 qui présente une section constante a une courbure régulière afin de limiter les perturbations du liquide sous pression entre la tige de forage et la buse 16 elle-même. Cependant, comme on l'a expliqué, la buse d'injection a un diamètre très réduit par rapport au diamètre de la conduite servant à acheminer le liquide sous pression à travers les tiges. La solution décrite dans le brevet américain mentionné ci-dessus n'est donc pas pleinement satisfaisante, notamment en raison de ces différences de section. De plus, on voit que le passage 24 forme des angles droits avec la conduite 22 et avec la conduite 26. Une telle disposition crée des perturbations importantes dans l'écoulement du liquide à l'entrée de la conduite 26, et donc au niveau de la buse.
En outre, le moniteur décrit dans ce brevet ne permet pas d'alimenter en liquide sous pression l'outil mécanique susceptible d'être monté sur le moniteur.
Or, il est nécessaire d'alimenter en liquide de forage l'outil mécanique afin de le lubrifier et surtout de remonter les déblais résultant du forage.
Il est donc intéressant de pouvoir disposer d'un moniteur unique qui permette d'alimenter à la fois les buses de jet grouting dans des conditions optimales et l'outil de forage au pied du moniteur. Pour obtenir une alimentation optimale de la buse d'injection, il est nécessaire, dans certains cas, de pouvoir interrompre l'alimentation de l'outil de forage afin que tout le débit de fluide, par exemple de coulis, sous haute pression serve à alimenter la buse d'injection.
Un objet de la présente invention est de fournir une tête d'injection notamment pour la mise en oeuvre du jet grouting qui permette d'améliorer plus sensiblement la qualité du jet fourni par la ou les buses de la tête d'injection montée à l'extrémité inférieure du train de tiges tout en permettant, à l'aide de la même tête d'injection, d'alimenter l'outil mécanique de forage.
Pour atteindre ce but selon l'invention, la tête d'injection sous pression d'un fluide pour désagréger le terrain à partir d'un forage, ladite tête étant montée à l'extrémité d'un train de tiges ou de tubes, ledit train comportant une conduite d'alimentation sous pression en fluide coaxiale audit train de tiges, ladite tête comportant un corps ayant une extrémité supérieure de raccordement à l'extrémité inférieure du train de tiges ou de tubes, une paroi inférieure pour le montage d'un outil mécanique de forage comportant une canalisation d'alimentation, et une paroi externe, corps dans lequel sont montés au moins une buse d'injection dont le diamètre d'entrée est égal à d, et qui présente un axe x, x', et des moyens formant conduit pour raccorder la conduite d'alimentation en fluide à l'entrée de ladite buse, lesdits moyens formant conduit présentant une ligne moyenne dont la première extrémité est raccordée à l'extrémité inférieure de la conduite d'alimentation en fluide et dont la deuxième extrémité est raccordée tangentiellement à l'axe x, x' de la buse, ladite tête d'injection se caractérisant en ce que ladite ligne moyenne est définie par au moins une portion de courbe présentant un rayon de courbure variant de façon continue, la section droite desdits moyens formant conduit diminuant de façon régulière sur au moins la moitié de sa longueur depuis sa première extrémité jusqu'à sa deuxième extrémité. Elle comprend en outre :

au moins une canalisation d'alimentation dudit outil mécanique en fluide sous pression, ladite canalisation étant raccordée d'une part à la première extrémité des moyens formant conduit et d'autre part à une chambre disposée à l'extrémité inférieure de ladite tête d'injection ; et
un clapet commandable interposé entre ladite chambre et la canalisation d'alimentation dudit outil mécanique.

On comprend que la qualité et la direction du jet produit par la buse sont sensiblement améliorées du fait de la réduction progressive et régulière de la section droite des moyens formant conduit, par exemple une tubulure, sur au moins la moitié de sa longueur depuis son extrémité de raccordement à la conduite d'acheminement du fluide, le plus souvent du liquide sous pression jusqu'à son raccordement à l'orifice d'entrée de la buse d'injection. Cette caractéristique combinée au fait que la ligne moyenne des moyens formant conduit présente un rayon de courbure, qui varie régulièrement, permet de limiter au maximum les perturbations de l'écoulement de liquide dans cette tubulure et donc d'obtenir un jet dont l'énergie est maximale et dont la puissance érosive est maintenue à une distance maximale de la buse dans le terrain.
De plus, le moniteur permet sélectivement d'alimenter la ou les buses ou d'alimenter à la fois la ou les buses et l'outil de forage mécanique. Il est donc possible d'effectuer ces deux types d'opération sans changer l'outil fixé à l'extrémité du train de tiges. Cette possibilité permet de diminuer très sensiblement la durée du forage.
Selon un mode préféré de réalisation, lesdits moyens formant conduit comprennent une première portion sensiblement rectiligne s'étendant selon l'axe longitudinal de ladite tête d'injection et prolongeant la conduite d'alimentation du train de tige, une deuxième portion dont la ligne moyenne présente un point d'inflexion et une troisième portion dont la ligne moyenne a une courbure de signe constant.
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 limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles :

la figure 1, déjà décrite, est une vue en coupe verticale d'une tête d'injection connue ;
la figure 2 est une vue en coupe verticale de l'ensemble de l'outil de forage, selon l'invention, représenté monté à l'extrémité inférieure du train de tiges ;
la figure 3 est une vue en coupe verticale de la tête d'injection ;
la figure 4 est une vue partielle en coupe verticale selon la ligne IV-IV de la figure III ;
la figure 5 est une vue en coupe horizontale selon la ligne V-V de la figure 4 ;
la figure 6 est une vue en coupe horizontale selon la ligne VI-VI de la figure 4;
la figure 7 est une vue de détails de la figure 4 montant l'implantation de la buse d'injection ; et
la figure 8 est une vue partielle de la figure 3 montrant un mode préféré de réalisation du clapet d'alimentation de l'outil mécanique de forage.

En se référant tout d'abord à la figure 2, on va décrire l'outil de forage. Celui-ci est constitué essentiellement par une tête d'injection ou moniteur 30 qui, comme on l'expliquera ultérieurement plus en détails, sert à fournir un jet de liquide sous pression ou plus généralement de fluide sous pression, délivré par une buse pour déstructurer la paroi d'un forage. Ce liquide sous pression est typiquement un coulis ou un liquide chargé analogue. La buse peut être multiple et délivrer plusieurs jets de liquide et de gaz. L'extrémité supérieure 30a du moniteur 30 est reliée à des tiges de forage telles que 32 pour provoquer la descente de l'outil et sa mise en rotation. De préférence, les tiges de forage 32 sont équipées d'une conduite coaxiale interne 34 servant à l'acheminement du liquide sous pression pour l'alimentation de la buse d'injection et de l'outil mécanique de forage. A l'extrémité inférieure 30b du moniteur 30 est montée une pièce intermédiaire 36 servant elle-même au montage effectif de l'outil de forage mécanique 38 ou outil de pied.
La tête d'injection 30 comporte un corps ayant une paroi externe 40 de forme générale cylindrique. Une buse d'injection 42, ou éventuellement plusieurs buses d'injection sont montées à proximité de l'extrémité inférieure 30b du moniteur. La buse 42 est reliée à la conduite d'alimentation 34 de la tige de forage 32 par une première canalisation 44 raccordée à la conduite 34 par un convergeant 46. La canalisation 44 a une section S1 qui est très légèrement inférieure à celle de la canalisation 34 des tiges de forage. La canalisation 44 s'étend sensiblement selon l'axe longitudinal X, X' du moniteur 30, c'est-à-dire dans le prolongement de la conduite 34. Une conduite 50 dont la forme sera décrite plus en détail ultérieurement sert à raccorder la buse 42 à la portion de canalisation rectiligne 44. La première extrémité 50a de la conduite 50 est raccordée à l'extrémité inférieure 44a de la canalisation 44 alors que sa deuxième extrémité 50b est raccordée à l'entrée 42a de la buse 42. Dans le mode de réalisation préféré décrit, la buse d'injection 42 a un axe x, x' qui est sensiblement horizontal.
La conduite 50 a, à sa première extrémité 50a, une section S'1 égale à la section S1 de la canalisation 44 et, à sa deuxième extrémité 50b, une section s'1 égale à la section s1 d'entrée de la buse 42. La conduite 50 présente une ligne moyenne L et les sections de la conduite 50 orthogonalement à la ligne moyenne L peuvent être des cercles, des ellipses ou des formes ovales. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la section droite de la conduite 50 va en décroissant régulièrement depuis sa valeur maximum S'1 jusqu'à sa valeur minimale s'1.
En outre, la ligne moyenne L de la canalisation S présente une forme particulière pour obtenir des lignes d'écoulement jusqu'à la buse 42 aussi régulières que possible. La ligne moyenne L comporte une première partie L1 s'étendant de l'extrémité supérieure A au point intermédiaire B à tangente verticale et une deuxième partie L2 s'étendant du point B à la deuxième extrémité C de raccordement à la buse d'injection 42. A son extrémité A, la ligne moyenne L1 est raccordée tangentiellement à l'axe X, X' de la canalisation 44. La portion de ligne moyenne L1 présente une première partie L11 présentant un rayon de courbure régulier de signe constant et une deuxième partie L12 présentant un rayon de courbure régulier de signe constant inverse de celui de la partie L11. Ces deux parties de la ligne moyenne L sont bien sûr raccordées en un point d'inflexion I. La deuxième portion L2 de la ligne moyenne L de la conduite 50 présente un rayon de courbure qui varie régulièrement en gardant le même signe depuis le point B jusqu'à son extrémité C.
Il résulte de la forme particulière donnée à la canalisation 50 que celle-ci présente une section droite qui va en diminuant régulièrement de son extrémité A à son extrémité C et que sa ligne moyenne présente une succession de rayons de courbure également réguliers de son extrémité C à son extrémité A. On comprend que la combinaison de ces deux caractéristiques permette de définir entre la canalisation 44 et l'entrée 42a de la buse 42 des lignes d'écoulement régulières du liquide sous pression circulant dans la conduite 50. Cet écoulement régulier permet d'obtenir à la sortie de la buse 42 un jet de liquide sous pression ayant une forme optimale et donc un efficacité de forage de la paroi du forage maximale.
Il faut également souligner que, grâce à la forme particulière de la conduite 50, on peut raccorder la conduite axiale 44 à la buse 42 par une conduite dont le rayon de courbure varie régulièrement.
Enfin, grâce à cette forme de la conduite 50, la ou les buses 42 peuvent avoir un axe x, x' disposé dans un plan orthogonal à l'axe longitudinal X, X' du moniteur, c'est-à-dire un axe horizontal. Le jet produit par la buse est donc dans un plan orthogonal à la paroi à forer.
On va maintenant décrire la partie du moniteur servant à alimenter l'outil de forage mécanique 38 en liquide sous pression. Cette alimentation est réalisée, dans le mode de réalisation préféré décrit, par deux conduites 52 et 54 s'étendant parallèlement à l'axe X, X' du moniteur, dont une première extrémité supérieure 52a, 54a débouche dans la canalisation rectiligne 44 d'alimentation en liquide sous pression et dont les extrémités inférieures 54b et 52b débouchent dans une chambre interne 56 mieux visible sur la figure 8 et disposée selon l'axe X, X' de la tête d'injection. La chambre interne 56 est équipée d'un clapet 58 monté dans un logement 60 prévu à l'extrémité inférieure du corps du moniteur 30.
Le clapet 58 comporte un corps cylindrique 62 monté de façon étanche dans le logement 60 et qui prolonge ainsi la chambre 56. La paroi 62 du clapet définit un siège de clapet 64 qui peut coopérer avec un obturateur mobile 66. L'obturateur 66 est fixé à l'extrémité d'une tige de clapet 68 montée coulissante dans un évidement axial 70 de la paroi inférieure 72 du corps de clapet. Un écrou 74 est vissé sur l'extrémité externe de la tige 66 et constitue un épaulement externe pour la tige 68. Cet épaulement définit une position de repos pour l'obturateur 66. L'obturateur 66 est maintenu dans cette position de repos représentée sur la figure 8 par un ressort de rappel 76 interposé entre l'obturateur 66 et le fond 72 du corps du clapet.
L'obturateur 66 comporte une face supérieure 66a disposée dans la chambre 58 qui est donc soumise à la pression du liquide sous pression arrivant par les conduites 52 et 54. Pour une pression du liquide dans la chambre 56 supérieure à une valeur prédéterminée, le débit de liquide crée une dépression sous l'obturateur 66. L'action de cette pression sur la face supérieure 66a, en raison de la dépression créée, provoque la compression du ressort de rappel 76 et l'obturateur 66 se déplace vers le bas jusqu'à ce qu'il vienne au contact du siège de clapet 64. Dans cette position, on interrompt la circulation de liquide sous pression entre les conduites 52 et 54 et la conduite axiale de sortie du clapet 78.
Comme le montre mieux la figure 3, la sortie 78 du clapet 58 est prolongée par un alésage axial 80 ménagé dans la pièce intermédiaire 36. L'alésage 80 est équipé d'un clapet anti-retour 82. Enfin, l'alésage 80 de la pièce intermédiaire 36 est prolongé au-delà du clapet anti-retour 82 par la conduite axiale d'alimentation 84 de l'outil mécanique de forage 38. Le clapet anti-retour 82 a simplement pour fonction d'empêcher la remontée du liquide de forage à l'intérieur des conduites du moniteur.
Le fonctionnement de l'outil de forage complet est le suivant. Dans les phases d'utilisation où l'on veut simplement réaliser un forage à l'aide de l'outil mécanique 38, la pression du liquide de forage circulant dans les conduites 34, 44, 50, 52, 54 et 78 est relativement réduite. On obtient ainsi à la sortie de la buse 42 un jet de liquide sous pression d'efficacité réduite et l'outil mécanique de forage 38 est alimenté à travers le clapet 58 qui est en position ouverte, comme cela est représenté sur la figure 8. En revanche, lorsque l'on veut procéder à l'étape de "jet grouting" c'est-à-dire à l'utilisation du jet produit par la buse 42 pour réaliser le forage, la pression du liquide dans les conduites énoncées précédemment est plus importante. Cette pression, comme on l'a déjà expliqué, provoque la descente de l'obturateur 66 du clapet 58 interrompant l'alimentation de l'outil mécanique de forage 36. Dans ces conditions, l'intégralité de la circulation du liquide arrivant par les conduites 34 des tiges de forage sert à alimenter la buse d'injection 42 qui a alors son efficacité maximale.
Lorsqu'on diminue la pression d'un liquide en dessous de la valeur prédéterminée, l'obturateur 66 se soulève de son siège et l'outil de forage mécanique est à nouveau alimenté.
En variante, le moniteur 30 peut comporter également une conduite auxiliaire 90 d'alimentation de la buse de réalisation de jet 42. Cette conduite 90 est directement alimentée par l'espace annulaire 35 qui se présente entre la paroi externe de la tige 32 et la conduite interne 34 de celle-ci. La conduite 90, à son extrémité inférieure 90a, sert à alimenter un espace annulaire 92 qui entoure la sortie de la buse 42. Cette alimentation auxiliaire en fluide sous pression qui crée un jet annulaire, entourant le jet principal produit par la buse 42, peut servir à améliorer encore la qualité du jet créé par la buse 42.
On comprend que, grâce au moniteur selon l'invention, la buse ou les buses d'injection 42 peuvent être alimentées en liquide sous pression dans des conditions optimales, ce qui permet également d'obtenir un jet sous pression d'efficacité optimale grâce à la régularité des veines liquides dans la conduite 50. Le moniteur 30 permet également l'alimentation en liquide sous pression de l'outil mécanique de pied 38 sans altérer la qualité du jet produit par la buse 42. De plus, grâce à la présence du clapet 58, l'intégralité du liquide sous pression peut être utilisée pour la réalisation du jet si cela apparaît comme nécessaire.

Claims

Tête d'injection sous pression (30) d'un fluide pour désagréger le terrain à partir d'un forage, ladite tête étant montée à l'extrémité d'un train de tiges ou de tubes (32), ledit train comportant une conduite (34) d'alimentation sous pression en fluide coaxiale audit train de tiges, ladite tête comportant un corps (40) ayant une extrémité supérieure (30a) de raccordement à l'extrémité inférieure du train de tiges ou de tubes, une paroi inférieure pour le montage d'un outil mécanique (38) de forage comportant une canalisation d'alimentation (84) et une paroi externe, corps dans lequel est montée au moins une buse d'injection (42) dont le diamètre d'entrée est égal à d, et qui présente un axe x, x', et des moyens formant conduit (50) pour raccorder la conduite d'alimentation en liquide à l'entrée de ladite buse, lesdits moyens formant conduit (50) présentant une ligne moyenne (L) dont la première extrémité est raccordée à l'extrémité inférieure de la conduite d'alimentation (34) en liquide et dont la deuxième extrémité est raccordée tangentiellement à l'axe x, x' de la buse (42), ladite tête d'injection se caractérisant en ce que ladite ligne moyenne est définie par au moins une portion de courbe présentant un rayon de courbure variant de façon continue, la section droite desdits moyens formant conduit (50) diminuant de façon régulière sur au moins la moitié de sa longueur depuis sa première extrémité (50a) jusqu'à sa deuxième extrémité (50b), et en ce qu'elle comprend en outre :
- au moins une canalisation d'alimentation (52, 54) dudit outil mécanique (38) en fluide sous pression, ladite canalisation étant raccordée d'une part à la première extrémité des moyens formant conduit (50) et d'autre part à une chambre (56) disposée à l'extrémité inférieure de ladite tête d'injection ; et

- un clapet commandable (58) interposé entre ladite chambre (56) et la canalisation (84) d'alimentation dudit outil mécanique.
Tête d'injection selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens formant conduit (50) comprennent une première portion sensiblement rectiligne (44) s'étendant selon l'axe longitudinal (X, X') de ladite tête d'injection (30) et prolongeant la conduite d'alimentation (34) du train de tige, une deuxième portion (L1) dont la ligne moyenne présente un point d'inflexion (I) et une troisième portion (L2) dont la ligne moyenne a une courbure de signe constant.
Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'axe de ladite buse (42) ou desdites buses est disposé dans un plan orthogonal à l'axe longitudinal (X, X') de ladite tête d'injection.
Tête d'injection selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend deux canalisations d'alimentation (52, 54) dudit outil mécanique (38), la première extrémité desdites canalisations étant raccordée à la première portion (44) desdits moyens formant conduit.
Tête d'injection selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite chambre interne (56) est disposée selon l'axe longitudinal de ladite tête d'injection.
Tête d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit clapet commandable (58) comprend un siège (64) et un obturateur (66) mobile dont la position est commandée par le débit de liquide circulant dans ledit clapet.