EP3754154A1 - Machine pour forer un sol recouvert d'une couche poreuse, et procede correspondant - Google Patents

Machine pour forer un sol recouvert d'une couche poreuse, et procede correspondant Download PDF

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EP3754154A1
EP3754154A1 EP20179234.8A EP20179234A EP3754154A1 EP 3754154 A1 EP3754154 A1 EP 3754154A1 EP 20179234 A EP20179234 A EP 20179234A EP 3754154 A1 EP3754154 A1 EP 3754154A1
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EP
European Patent Office
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drilling
machine
protection tube
drill rod
porous layer
Prior art date
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Granted
Application number
EP20179234.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3754154B1 (fr
Inventor
Bruno DEMARCQ
Christophe REYNA
Maxime SITERRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Soletanche Freyssinet SA
Original Assignee
Soletanche Freyssinet SA
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Publication date
Application filed by Soletanche Freyssinet SA filed Critical Soletanche Freyssinet SA
Publication of EP3754154A1 publication Critical patent/EP3754154A1/fr
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Publication of EP3754154B1 publication Critical patent/EP3754154B1/fr
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes

Definitions

  • the present invention relates to the field of drilling techniques in the ground, and more particularly to the so-called small perforation drilling techniques under fluid circulation.
  • a reinforcement is then placed in the borehole, or else the tool is left in the borehole with its drive rod, before injecting a sealing grout therein.
  • One solution to protect a platform against infiltration is to recover the fluid at the drilling head. Such a solution is usually done by digging a pit in which a suction (pump) is immersed. Alternatively, there are also bins drilled to the right of the borehole and fitted with a suction mouth, which makes it possible to avoid the digging of the pit.
  • a suction pump
  • the present invention aims to solve the various technical problems mentioned above.
  • the present invention aims to provide a machine making it possible to limit the infiltration of drilling fluid and to preserve the upper layer of the drilled soil.
  • the present invention aims to provide a drilling machine which does not allow the platform to be destructured and which does not require the installation of a recovery tank.
  • a machine for drilling, under fluid circulation, a ground covered with a porous layer, for example a layer of ballast includes a drive head for rotating a drill pipe, and means for circulating a drilling fluid configured to inject a drilling fluid through the drill pipe.
  • the machine is also configured to insert, through the porous layer, a protective tube extending around the drill pipe and leaving an intermediate tubular space between the drill pipe and the protective pipe.
  • the machine also comprises first means for recovering the drilling fluid configured, during the insertion of the protection tube through the porous layer, to suck, from the upper end of the protection tube, the drilling fluid coming from the drill rod, present at the lower end of the protective tube and rising, preferably, via said intermediate tubular space.
  • the machine according to the present invention uses a protective casing, in addition to the drill rod, without using a double head, to maintain the integrity of the platform, and in particular of the porous layer, and ensures sealing by continuous suction at the top of the casing. It is then possible to have an autonomous use of the machine not requiring a previous step, such as that the establishment of a pit or drilled tanks, while limiting the infiltration of drilling fluid, in particular in the porous layer.
  • the machine also comprises second means for recovering the drilling fluid, the second recovery means being configured to evacuate the drilling fluid coming from the drill rod and coming out through the upper end of the protection tube, preferably via said intercalary tubular space, when the protective tube is positioned through the porous layer.
  • the protective tube remains in place, to continue to isolate the borehole, and in particular the circulation of drilling fluid, from the porous layer. Moreover, the protective tube is detached from the machine, and in particular from the drive head. At the same time, the drilling tool continues to dig, under the porous layer, with a circulation of fluid: the latter is then recovered through the tubular space interposed between the protection tube and the drilling rod.
  • the first and second recovery means comprise a common pump and a connecting means configured to connect the common pump to the first recovery means during the insertion of the protection tube through the porous layer, and to connect the common pump. to the second recovery means when the protective tube is positioned through the porous layer.
  • the drilling fluid is not recovered in the same way in the different stages of drilling, in particular because the protection tube is gradually inserted with the drill rod at first, then remains static in a second. time, when positioned through the drill bed.
  • the recovery means used are different according to the drilling stages, but can be connected to the same pumping means in order to limit the costs and the volume of the machine.
  • the second recovery means are configured to be positioned at the upper end of the protection tube when the protection tube is positioned through the porous layer, the second recovery means comprising a reservoir, preferably in the form of a crown, into which the drilling fluid coming out of the protection tube is poured, and a peripheral seal, preferably circular, creating a seal between the reservoir and the outer wall of the protection tube.
  • the upper end of the latter generally comes flush with the surface of the drilled soil.
  • the drilling fluid injected at the level of the drilling tool can go up alone, under the effect of the pressure and / or the flow, to said upper end of the protective tube. In order to recover this drilling fluid, it is then no longer sufficient to collect it in a reservoir situated at the upper end of the protection tube, and to suck it up with a pump.
  • the peripheral seal is an inflatable seal.
  • the inflatable seal allows easy installation at the upper end of the protection tube, while ensuring a desired seal by controlling the pressure applied in the inflatable seal.
  • the drive head is configured to also drive the protection tube in rotation, preferably at the same time as the drill rod, during the insertion of the protection tube through the porous layer.
  • the rotational drive of the protective tube makes it easier to insert it into the ground, and in particular through the porous layer, at the same time as the drill rod.
  • Such a drive does not require double head equipment, but can be done simultaneously with the drill rod. Once the protection tube is positioned, it is then sufficient to detach it from the drive head to leave it in place, and to continue only with the drill rod.
  • the drive head comprises means for mounting the drill rod, having a first determined diameter, and means for mounting the protection tube, having a second determined diameter greater than the first determined diameter.
  • the drill rod and the protective tube are mounted on the head by mounting means which may differ only in their diameter. This facilitates the use of the machine, allowing installation and removal procedures which are similar for the protection tube and the drill pipe.
  • the first means for recovering the fluid are mounted on the drive head, for example above the means for mounting the protection tube.
  • Such a mounting of the first recovery means on the drive head makes it possible to keep the suction at the upper end of the protection tube throughout the duration of the insertion of said protection tube through the porous layer and the sub-layer. underlying.
  • a work train comprising a machine for drilling a ground covered with a porous layer as described above.
  • the drilling machine has been designed so as to allow the use of standard equipment, and not heavy equipment such as a double head or specific duplicate equipment for the protective tube on the one hand and for the drill rod on the other hand. It then becomes possible to install it on a railway vehicle, such as a work train, in order to be able to move it along the site, as the work progresses.
  • the work train comprises a drilling fluid reservoir connected to the drive head, means for sucking up the drilling fluid configured to be connected to the recovery means, and means for supplying a cement grout configured. to be connected to the drive head.
  • Such a work train can thus transport the various elements necessary for the operation of the machine for drilling and for carrying out the work.
  • the works train also comprises a sludge recovery system, for example a settling tank, mounted downstream of the recovery means.
  • a sludge recovery system for example a settling tank, mounted downstream of the recovery means.
  • the sludge recovery system can be configured to operate with the sludge from the first recovery means and sludge from the second recovery means.
  • the sludge recovery system makes it possible in particular to recover part of the drilling fluid directly on the work train for reuse in situ, and makes it possible to store the material removed during drilling in order to limit the impact of the work on the site.
  • a method for drilling under circulation of fluid, in a ground covered with a porous layer, for example a layer of ballast.
  • a drill pipe is rotated, and a drilling fluid is injected through the drill pipe, preferably during the rotation of the drill pipe.
  • a protective tube extending around the drill pipe and leaving a tubular space between the drill pipe and the protective pipe is inserted through the porous layer, and suction is carried out from there.
  • the upper end of the protection tube, the drilling fluid coming from the drill rod present at the lower end of the protection tube and rising, preferably, via said intermediate tubular space, during the insertion of the protection tube through the porous layer.
  • the protection tube is left in place and the drilling fluid coming from the drill rod and emerging through the upper end of the tube is evacuated. protection, preferably via said intermediate tubular space.
  • the protective tube is driven at the same time as a first part of the drill rod equipped, at its end, with a tool, then, during the second step, a second part of the rod is assembled. to the first drill pipe part and the two drill pipe parts are rotated while injecting a drilling fluid through and discharging the fluid exiting through the upper end of the protection tube, preferably via said intercalary tubular space.
  • the machine for drilling 1 thus comprises a support 2 on which a frame 4 is mounted.
  • the support 2 is intended to come, integrally, on a railway carrier (not shown), conventionally a railway car, making it possible to transport and route the machine for drilling 1 along the rails R of a railway track.
  • a railway carrier not shown
  • Such an embodiment is particularly advantageous when the drilling machine 1 is used to install catenary pylon micropiles along the railway track, through the ballast layer.
  • the frame 4 In order to deploy and store the machine for drilling 1 on the wagon, the frame 4 is rotatably mounted on the support 2, relative to a vertical axis: it is thus possible to position the drilling tool next to the rail carrier , or else above the rail carrier, depending on whether the drilling machine 1 must install a pylon micro-pile or else must be moved.
  • the drilling machine 1 also comprises a mast 6 extending in a longitudinal direction, and mounted to pivot on the frame 4, relative to a horizontal axis, for example via jacks 8.
  • the jacks 8 thus make it possible to position the mast 6 horizontally, in particular above the rail carrier, when the drilling machine 1 is to be moved, or else vertically, as illustrated in the figure figure 1 , when the machine for drilling 1 needs to install a pylon micro-pile.
  • the mast 6 In the drilling position, as shown in figure 1 , the mast 6 has a lower end 6a intended to come to rest on the surface to be drilled.
  • the drilling machine 1 further comprises a carriage 10 slidably mounted along the mast 6.
  • the carriage 10 can be moved along the mast 6 by means known elsewhere and not shown here.
  • the carriage 10 comprises in particular a rotation table 12 configured to drive in rotation a drive head 14 on which the drilling tool will be mounted.
  • the drilling tool of the present machine for drilling 1 comprises on the one hand a drilling rod and on the other hand a protective tube independent of the drilling rod and surrounding the latter at the level of the upper portion of the borehole.
  • the drive head 14 comprises in particular first mounting means 16, for example an internal thread, configured to allow the mounting of a drill rod 18, comprising a corresponding external thread, on the drive head 14.
  • the head drive 14 also comprises second mounting means 20, for example an external thread, configured to allow the mounting of a protection tube 22, comprising a corresponding thread, on the drive head 14.
  • the first mounting means 16 and the second mounting means 20 are arranged coaxially on the drive head 14, in order to obtain a mounting of the drill rod 18 parallel to the mounting of the protection tube 22. , and include different diameters corresponding to those of the drill rod 18 and the protection tube 22.
  • the drill rod 18 and the protection tube 22 are driven simultaneously, together, by the drive head 14 when ' they are mounted on the means 16 and 20 respectively.
  • the drilling machine 1 also comprises a circuit for circulating a drilling fluid.
  • the drilling fluid can for example be water, and is circulated by the drilling machine 1 in the drilling zone in order to extract the drilled material therefrom.
  • the drive head 14 thus comprises a supply channel 24 for drilling fluid connected to means for supplying and circulating under pressure a drilling fluid (not shown).
  • the drill pipe 18 also includes an axial channel 26 which comes into fluid communication with the supply channel 24 of the drive head 14 when the drill pipe 18 is mounted on the drive head 14. The drilling fluid is thus injected under pressure inside the drilling rod 18, in order to come out at the other end of the drilling rod 18 on which is mounted a cutting tool 28 (see figure 3 ).
  • the protection tube 22 is designed with an inner diameter greater than the outer diameter of the drill rod 18, so as to create, when the drill rod 18 and the protection tube 22 are mounted on the drive head 14, an intermediate tubular space 29 extending from the lower end of the protection tube 22 to the first and second mounting means 16, 20 of the drive head 14.
  • the drive head 14 is configured to extend the intercalary tubular space 29 beyond the first and second mounting means 16, 20, to the first means 30 for collecting drilling fluid.
  • the first recovery means 30 are mounted on the drive head 14, above the first and second mounting means 16, 20, and make it possible to recover, or to suck thanks to suction means not shown , the drilling fluid loaded with drilled material and rising from the bottom of the borehole via the intercalated tubular space 29.
  • This recovery, or suction, of the drilling fluid loaded with drilled material takes place as it goes, and throughout the descent of the drill rod 18 and of the protective tube 22 in the ground, and more particularly in the porous upper layer P of ballast.
  • the machine for drilling 1 also comprises second recovery means 32 mounted at the lower end 6a of the mast 6 and configured to recover, or suck, the drilling fluid loaded with drilled material leaving the tube protection 22 when the latter is positioned through the porous layer P of ballast and is detached from the drive head 14.
  • the machine for drilling 1 can comprise suction means (not shown), for example a single pump configured to be connected to the first recovery means 30 and / or to the second recovery means 32 according to the stage of the drilling process.
  • the suction means can comprise a connection means to come to be connected to the first recovery means 30 then to the second recovery means 32.
  • the second recovery means 32 may for example comprise a reservoir in the form of a ring mounted around the protection tube 22, and a circular seal, preferably inflatable, configured to create a seal between the outer wall of the protection tube 22 and the reservoir of the second recovery means 32.
  • the drilling fluid, loaded with drilled material, exiting through the upper end of the protection tube 22 then flows into the reservoir of the second recovery means 32 before being, for example , sucked towards a treatment means (not shown) such as a settling tank making it possible to separate the drilling fluid and the drilled material then to reuse the drilling fluid.
  • a cement grout can then be injected into the drill rod in order to seal the latter in the soil S and thus obtain a catenary pylon micro-pile.
  • a micropile is obtained formed on the one hand by a drill rod and on the other hand by a protective tube which reinforces the retention of the drill rod in the ground.
  • the protection tube is positioned in the ground, through a layer of ballast, without the latter or the surface of the zone to be drilled being impacted by the drilling carried out.
  • the drilling machine 1 is suitable for being installed on a railway wagon and for moving quickly, with significant bends.
  • a work train 34 part of which is illustrated on the figure 5 , comprising a machine for drilling 1 as described above, and making it possible to install the micro-piles of catenary pylons along the railway track on which it runs.
  • the work train 34 can thus comprise, in addition to the machine for drilling 1, means for supplying and circulating, under pressure, a drilling fluid (not shown), connected to the drive head, means Cement grout supplies (not shown) configured to connect to drive head 14 when sealing drill rod 18 in the borehole.
  • the work train 34 may also include suction means 36 for the drilling fluid loaded with drilled material, configured to be connected to the first or to the second recovery means 30, 32, as well as a settling tank 38 mounted downstream of the suction means 36 and allowing separation of the drilling fluid and the drilled material, in order to allow reuse of the drilling fluid.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne une machine pour forer, sous circulation de fluide, un sol (S) recouvert d'une couche poreuse (P) dans laquelle la machine comporte :- une tête d'entraînement (14) pour entraîner en rotation une tige de forage (18), et- des moyens de circulation d'un fluide de forage configurés pour injecter un fluide de forage à travers la tige de forage (18).La machine est également configurée pour insérer, à travers la couche poreuse (P), un tube de protection (22) s'étendant autour de la tige de forage (18) et laissant un espace tubulaire intercalaire (29) entre la tige de forage (18) et le tube de protection (22), et dans laquelle la machine comprend également des premiers moyens de récupération (30) du fluide de forage configurés, lors de l'insertion du tube de protection (22) à travers la couche poreuse (P), pour aspirer, depuis l'extrémité supérieure du tube de protection (22), le fluide de forage issu de la tige de forage et présent à l'extrémité inférieure du tube de protection (22).L'invention concerne également un train-travaux comportant une telle machine pour forer, et le procédé de forage correspondant.

Description

    Domaine Technique
  • La présente invention concerne le domaine des techniques de forage dans le sol, et plus particulièrement les techniques de forage dites de petite perforation sous circulation de fluide.
    • Technique antérieure
  • Il est connu, pour installer dans un sol un ancrage, c'est-à-dire un micro-pieu, de réaliser d'abord un forage en entrainant en rotation un outil de coupe qui va excaver le sol. Pendant le forage, on injecte en général un liquide, appelé fluide de forage, afin de refroidir et lubrifier l'outil de coupe et d'évacuer les déblais.
  • On dispose ensuite une armature dans le forage, ou bien on laisse l'outil dans le forage avec sa tige d'entraînement, avant d'y injecter un coulis de scellement.
  • Toutefois, une telle technique de forage sous circulation de fluide peut endommager le sol du lieu de travail, ou plateforme, notamment en raison des infiltrations du fluide de forage tout autour du forage et en raison des contraintes mécaniques s'exerçant au niveau de la couche de surface. Cela est particulièrement problématique dans le cas des sols présentant une couche poreuse devant être préservée tout autour du forage, tel que les forages sur des installations ferroviaires qui présentent une couche supérieure de ballast.
  • Une solution pour protéger une plateforme contre les infiltrations est de récupérer le fluide en tête de forage. Une telle solution se fait généralement en creusant une fosse dans laquelle une aspiration (pompe) est plongée. Alternativement, il existe aussi des bacs percés au droit du forage et muni d'une bouche d'aspiration, ce qui permet d'éviter le creusement de la fosse.
  • Toutefois, le creusement d'une fosse ou l'installation de bacs percés au droit du forage est contraignant et rend le forage dépendant de la bonne réalisation d'étapes antérieures.
  • Par ailleurs, afin de protéger la couche de terrain de surface, il est également possible d'utiliser un tubage sur la couche concernée.
  • Toutefois, pour que l'étanchéité par tubage soit efficace, il faut généralement utiliser un matériel muni d'une double tête, c'est-à-dire permettant une mise en rotation indépendante du tube et de la tige. Or, un tel matériel à double tête est onéreux et volumineux, ce qui limite sa facilité de déplacement.
    • Exposé de l'invention
  • La présente invention vise à résoudre les différents problèmes techniques énoncés précédemment. En particulier la présente invention vise à proposer une machine permettant de limiter les infiltrations de fluide de forage et de préserver la couche supérieure du sol foré. Plus précisément, la présente invention vise à proposer une machine de forage permettant de ne pas déstructurer la plateforme et ne nécessitant pas de pose d'un bac de récupération.
  • Ainsi, selon un aspect, il est proposé une machine pour forer, sous circulation de fluide, un sol recouvert d'une couche poreuse, par exemple une couche de ballast. La machine comporte une tête d'entraînement pour entraîner en rotation une tige de forage, et des moyens de circulation d'un fluide de forage configurés pour injecter un fluide de forage à travers la tige de forage.
  • La machine est également configurée pour insérer, à travers la couche poreuse, un tube de protection s'étendant autour de la tige de forage et laissant un espace tubulaire intercalaire entre la tige de forage et le tube de protection. La machine comprend également des premiers moyens de récupération du fluide de forage configurés, lors de l'insertion du tube de protection à travers la couche poreuse, pour aspirer, depuis l'extrémité supérieure du tube de protection, le fluide de forage issu de la tige de forage, présent à l'extrémité inférieure du tube de protection et remontant, de préférence, via ledit espace tubulaire intercalaire.
  • Ainsi, la machine selon la présente invention utilise un tubage de protection, en plus de la tige de forage, sans utiliser de double tête, pour conserver l'intégrité de la plateforme, et notamment de la couche poreuse, et assure l'étanchéité par une aspiration continue en tête de tubage. Il est alors possible d'avoir une utilisation autonome de la machine ne nécessitant pas d'étape antérieure, telle que la mise en place d'une fosse ou de bacs percés, tout en limitant les infiltrations de fluide de forage, notamment dans la couche poreuse.
  • Préférentiellement, la machine comprend également des deuxièmes moyens de récupération du fluide de forage, les deuxièmes moyens de récupération étant configurés pour évacuer le fluide de forage issu de la tige de forage et ressortant par l'extrémité supérieure du tube de protection, de préférence via ladit espace tubulaire intercalaire, lorsque le tube de protection est positionné à travers la couche poreuse.
  • Lorsque la couche poreuse a été traversée, le tube de protection reste en place, pour continuer d'isoler le forage, et notamment la circulation de fluide de forage, de la couche poreuse. D'ailleurs, le tube de protection est désolidarisé de la machine, et notamment de la tête d'entraînement. Dans le même temps, l'outil de forage continue de creuser, sous la couche poreuse, avec une circulation de fluide : ce dernier est alors récupéré à travers l'espace tubulaire intercalaire entre le tube de protection et la tige de forage.
  • Préférentiellement, les premiers et deuxièmes moyens de récupération comportent une pompe commune et un moyen de liaison configuré pour relier la pompe commune aux premiers moyens de récupération lors de l'insertion du tube de protection à travers la couche poreuse, et pour relier la pompe commune aux deuxièmes moyens de récupération lorsque le tube de protection est positionné à travers la couche poreuse.
  • Comme indiqué précédemment, le fluide de forage n'est pas récupéré de la même façon dans les différentes étapes du forage, notamment parce que le tube de protection est inséré progressivement avec la tige de forage dans un premier temps, puis reste statique dans un deuxième temps, lorsqu'il est positionné au travers de la couche de forage. Ainsi, les moyens de récupération utilisés sont différents selon les étapes de forage, mais peuvent être reliés à des mêmes moyens de pompage afin de limiter les coûts et le volume de la machine.
  • Préférentiellement, les deuxièmes moyens de récupération sont configurés pour être positionnés à l'extrémité supérieure du tube de protection lorsque le tube de protection est positionné à travers la couche poreuse, les deuxièmes moyens de récupération comportant un réservoir, de préférence en forme de couronne, dans lequel vient se verser le fluide de forage ressortant du tube de protection, et un joint périphérique, de préférence circulaire, venant créer une étanchéité entre le réservoir et la paroi extérieure du tube de protection.
  • Une fois le tube de protection positionné à travers la couche poreuse, l'extrémité supérieure de celui-ci vient généralement affleurer la surface du sol foré. Ainsi, le fluide de forage injecté au niveau de l'outil de forage peut remonter seul, sous l'effet de la pression et/ou du débit, jusqu'à ladite extrémité supérieure du tube de protection. Il ne suffit plus alors, pour récupérer ce fluide de forage, que de le recueillir dans un réservoir situé à l'extrémité supérieure du tube de protection, et de l'aspirer avec une pompe.
  • Préférentiellement, le joint périphérique est un joint gonflable. Le joint gonflable permet une installation aisée à l'extrémité supérieure du tube de protection, tout en garantissant une étanchéité voulue grâce au contrôle de la pression appliquée dans le joint gonflable.
  • Préférentiellement, la tête d'entraînement est configurée pour entraîner également en rotation le tube de protection, de préférence en même temps que la tige de forage, lors de l'insertion du tube de protection à travers la couche poreuse.
  • L'entraînement en rotation du tube de protection permet de faciliter son insertion dans le sol, et notamment à travers la couche poreuse, en même temps que la tige de forage. Un tel entraînement ne nécessite pas de matériel double tête, mais peut être effectué de manière simultanée avec la tige de forage. Une fois le tube de protection positionné, il suffit alors de le désolidariser de la tête d'entraînement pour le laisser en place, et de continuer uniquement avec la tige de forage.
  • Préférentiellement, la tête d'entrainement comporte des moyens de montage de la tige de forage, présentant un premier diamètre déterminé, et des moyens de montage du tube de protection, présentant un deuxième diamètre déterminé supérieur au premier diamètre déterminé.
  • Dans un tel mode de réalisation, la tige de forage et le tube de protection sont montés sur la tête par des moyens de montage pouvant différer uniquement par leur diamètre. On facilite ainsi l'utilisation de la machine, en permettant des procédures d'installation et de retrait qui sont similaires pour le tube de protection et la tige de forage.
  • Préférentiellement, les premiers moyens de récupération du fluide sont montés sur la tête d'entraînement, par exemple au-dessus des moyens de montage du tube protection.
  • Un tel montage des premiers moyens de récupération sur la tête d'entraînement permet de garder l'aspiration à l'extrémité supérieure du tube de protection pendant toute la durée d'enfoncement dudit tube de protection à travers la couche poreuse et la couche sous-jacente.
  • Selon un autre aspect, il est également proposé un train travaux comprenant une machine pour forer un sol recouvert d'une couche poreuse telle que décrite précédemment.
  • Comme indiqué précédemment, la machine pour forer a été conçue de manière à permettre l'utilisation d'un matériel standard, et non du matériel lourd comme une double tête ou bien du matériel spécifique en doublon pour le tube protecteur d'une part et pour la tige de forage d'autre part. Il devient alors possible de l'installer sur un véhicule ferroviaire, tel qu'un train-travaux, pour pouvoir la déplacer le long de chantier, au fur et à mesure de l'avancée des travaux.
  • Préférentiellement, le train travaux comprend un réservoir de fluide de forage relié à la tête d'entraînement, des moyens d'aspiration du fluide de forage configurés pour être reliés aux moyens de récupération, et des moyens de fournitures d'un coulis de ciment configurés pour être reliés à la tête d'entraînement.
  • Un tel train travaux peut ainsi transporter les différents éléments nécessaires au fonctionnement de la machine pour forer et à la réalisation des travaux.
  • Préférentiellement, le train travaux comprend également un système de récupération des boues, par exemple un bac de décantation, monté en aval des moyens de récupération.
  • En particulier, le système de récupération des boues peut être configuré pour fonctionner avec les boues issues des premiers moyens de récupération et des boues issues des deuxièmes moyens de récupération. Le système de récupération des boues permet notamment de récupérer une partie du fluide de forage directement sur le train travaux pour le réutiliser in situ, et permet de stocker la matière enlevée lors du forage afin de limiter l'impact des travaux sur le site.
  • Selon un autre aspect, il est également proposé un procédé de forage, sous circulation de fluide, dans un sol recouvert d'une couche poreuse, par exemple une couche de ballast. Selon le procédé, on entraîne en rotation une tige de forage, et on injecte un fluide de forage à travers la tige de forage, de préférence pendant la rotation de la tige de forage.
  • Durant une première étape, on insère, à travers la couche poreuse, un tube de protection s'étendant autour de la tige de forage et laissant un espace tubulaire intercalaire entre la tige de forage et le tube de protection, et on aspire, depuis l'extrémité supérieure du tube de protection, le fluide de forage issu de la tige de forage, présent à l'extrémité inférieure du tube de protection et remontant, de préférence, via ledit espace tubulaire intercalaire, lors de l'insertion du tube de protection à travers la couche poreuse.
  • Préférentiellement, durant une deuxième étape, lorsque le tube de protection est positionné à travers la couche poreuse, on laisse en place le tube de protection et on évacue le fluide de forage issu de la tige de forage et ressortant par l'extrémité supérieure du tube de protection, de préférence via ledit espace tubulaire intercalaire.
  • Préférentiellement, durant la première étape, on entraîne le tube de protection en même temps qu'une première partie de tige de forage équipée, à son extrémité, d'un outil, puis, durant la deuxième étape, on assemble une deuxième partie de tige de forage à la première partie de tige de forage et on entraîne les deux parties de tige de forage en rotation tout en injectant un fluide de forage à travers et en évacuant le fluide ressortant par l'extrémité supérieure du tube de protection, de préférence via ledit espace tubulaire intercalaire.
    • Brève description des dessins
    • [Fig. 1] La figure 1 représente une vue en perspective de la machine pour forer selon l'invention ;
    • [Fig. 2] La figure 2 détaille la circulation des fluides de la machine pour forer lors de l'installation du tube de protection ;
    • [Fig. 3] La figure 3 illustre les deux configurations de la machine pour forer lors de l'installation du tube de protection et lorsque le tube de protection est installé ;
    • [Fig. 4] La figure 4 illustre les différentes étapes successives de mise en œuvre du procédé de forage avec la machine pour forer illustrée à la figure 1 ; et
    • [Fig. 5] La figure 5 illustre une partie d'un train-travaux avec une machine pour forer telle qu'illustrée à la figure 1.
    Description des modes de réalisation
  • Sur la figure 1, on a représenté une machine pour forer 1 selon la présente invention. La machine pour forer 1 comporte ainsi un support 2 sur laquelle est monté un châssis 4.
  • Le support 2 est destiné à venir, solidairement, sur un porteur ferroviaire (non représenté), classiquement un wagon ferroviaire, permettant de transporter et d'acheminer la machine pour forer 1 le long des rails R d'une voie ferrée. Un tel mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque la machine pour forer 1 est utilisée pour installer des micro-pieux de pylône de caténaires le long de la voie ferrée, à travers la couche de ballast.
  • Afin de déployer et de ranger la machine pour forer 1 sur le wagon, le châssis 4 est monté en rotation sur le support 2, par rapport à un axe vertical : il est ainsi possible de positionner l'outil de forage à côté du porteur ferroviaire, ou bien au-dessus du porteur ferroviaire, selon que la machine pour forer 1 doit installer un micro-pieu de pylône ou bien doit être déplacée.
  • La machine pour forer 1 comprend également un mât 6 s'étendant selon une direction longitudinale, et monté pivotant sur le châssis 4, par rapport à un axe horizontal, par exemple via des vérins 8. Les vérins 8 permettent ainsi de positionner le mât 6 horizontalement, notamment au-dessus du porteur ferroviaire, lorsque la machine pour forer 1 doit être déplacée, ou bien verticalement, tel qu'illustré sur la figure 1, lorsque la machine pour forer 1 doit installer un micro-pieu de pylône.
  • En position de forage, telle qu'illustrée à la figure 1, le mât 6 comporte une extrémité inférieure 6a destinée à venir en appui sur la surface à forer.
  • La machine pour forer 1 comporte en outre un chariot 10 monté coulissant le long du mât 6. Le chariot 10 peut être déplacé le long du mât 6 par des moyens connus par ailleurs et non représentés ici.
  • Le chariot 10 comporte notamment une table de rotation 12 configurée pour entraîner en rotation une tête d'entraînement 14 sur laquelle sera monté l'outil de forage. Comme cela sera expliqué plus bas, l'outil de forage de la présente machine pour forer 1 comprend d'une part une tige de forage et d'autre part un tube de protection indépendant de la tige de forage et entourant cette dernière au niveau de la portion supérieure du forage.
  • En particulier, et comme illustré à la figure 2, la tête d'entraînement 14 comporte notamment des premiers moyens de montage 16, par exemple un taraudage, configurés pour permettre le montage d'une tige de forage 18, comportant un filetage externe correspondant, sur la tête d'entraînement 14. La tête d'entraînement 14 comporte également des deuxièmes moyens de montage 20, par exemple un filetage externe, configurés pour permettre le montage d'un tube de protection 22, comportant un taraudage correspondant, sur la tête d'entraînement 14.
  • Comme on peut le constater, les premiers moyens de montage 16 et les deuxièmes moyens de montage 20 sont disposés coaxialement sur la tête d'entraînement 14, afin d'obtenir un montage de la tige de forage 18 parallèle au montage du tube de protection 22, et comprennent des diamètres différents correspondant à ceux de la tige de forage 18 et du tube de protection 22. Surtout, la tige de forage 18 et le tube de protection 22 sont entraînés simultanément, ensemble, par la tête d'entraînement 14 lorsqu'ils sont montés sur les moyens 16 et 20 respectivement.
  • Afin de faciliter le forage, la machine pour forer 1 comporte également un circuit de circulation d'un fluide de forage. Le fluide de forage peut par exemple être de l'eau, et est mis en circulation par la machine pour forer 1 dans la zone de forage afin d'en extraire la matière forée.
  • La tête d'entraînement 14 comporte ainsi un canal d'alimentation 24 en fluide de forage relié à des moyens d'alimentation et circulation sous pression d'un fluide de forage (non représentés). La tige de forage 18 comprend également un canal axial 26 qui vient en communication fluidique avec le canal d'alimentation 24 de la tête d'entraînement 14 lorsque la tige de forage 18 est montée sur la tête d'entraînement 14. Le fluide de forage est ainsi injecté sous pression à l'intérieur de la tige de forage 18, afin d'en ressortir à l'autre extrémité de la tige de forage 18 sur laquelle est montée un outil de coupe 28 (voir figure 3).
  • Afin de protéger la plateforme dans laquelle est réalisé le forage, et notamment afin d'éviter que le fluide de forage, avec la matière qu'il entraîne, ne vienne se répandre autour de la zone de forage, et notamment la couche de poreuse P de ballast, le tube de protection 22 est conçu avec un diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur de la tige de forage 18, de manière à créer, lorsque la tige de forage 18 et le tube de protection 22 sont montés sur la tête d'entraînement 14, un espace tubulaire intercalaire 29 s'étendant depuis l'extrémité inférieure du tube de protection 22 jusqu'aux premiers et deuxièmes moyens de montage 16, 20 de la tête d'entraînement 14.
  • Par ailleurs, la tête d'entraînement 14 est configurée pour prolonger l'espace tubulaire intercalaire 29 au-delà des premiers et deuxièmes moyens de montage 16, 20, jusqu'à des premiers moyens de récupération 30 de fluide de forage. Comme illustré sur la configuration (1) de la figure 3, les premiers moyens de récupération 30 sont montés sur la tête d'entraînement 14, au-dessus des premiers et deuxièmes moyens de montage 16, 20, et permettent de récupérer, ou d'aspirer grâce à des moyens d'aspiration non-représentés, le fluide de forage chargé de matière forée et remontant du fond du forage via l'espace tubulaire intercalaire 29. Cette récupération, ou aspiration, du fluide de forage chargé en matière forée s'effectue au fur et mesure, et pendant toute la descente de la tige de forage 18 et du tube de protection 22 dans le sol, et plus particulièrement dans la couche supérieure poreuse P de ballast.
  • Par ailleurs, et comme illustré sur la configuration (2) de la figure 3, la machine pour forer 1 comprend également des deuxièmes moyens de récupération 32 montés à l'extrémité inférieure 6a du mât 6 et configurés pour récupérer, ou aspirer, le fluide de forage chargé en matière forée sortant du tube de protection 22 lorsque celui-ci est positionné à travers la couche poreuse P de ballast et est désolidarisé de la tête d'entraînement 14. En particulier, la machine pour forer 1 peut comprendre des moyens d'aspiration (non représentés), par exemple une pompe, uniques configurés pour être reliés aux premiers moyens de récupération 30 et/ou aux deuxièmes moyens de récupération 32 selon l'étape du procédé de forage. Par exemple, les moyens d'aspiration peuvent comprendre un moyen de liaison pour venir se relier aux premiers moyens de récupération 30 puis aux deuxièmes moyens de récupération 32.
  • Les deuxièmes moyens de récupération 32 peuvent par exemple comprendre un réservoir sous forme de couronne monté autour du tube de protection 22, et un joint circulaire, de préférence gonflable, configuré pour venir créer une étanchéité entre la paroi extérieure du tube de protection 22 et le réservoir des deuxièmes moyens de récupération 32. Le fluide de forage, chargé de matière forée, ressortant par l'extrémité supérieure du tube de protection 22 vient alors s'écouler dans le réservoir des deuxièmes moyens de récupération 32 avant d'être, par exemple, aspiré vers un moyen de traitement (non représenté) tel qu'un bac de décantation permettant de séparer le fluide de forage et la matière forée puis de réutiliser le fluide de forage.
  • A l'aide de la figure 4, on va maintenant décrire un exemple de procédé de forage, sous circulation de fluide, d'un sol S recouvert d'une couche poreuse P, par exemple de ballast.
    • A l'étape (A), le mât 6 est positionné verticalement avec son extrémité inférieure 6a en appui sur la surface à forer. Le chariot 10 entraînant en translation la tête d'entraînement est positionné en haut du mât 6, avec la tête d'entraînement 14 située au droit de la zone à forer.
    • A l'étape (B), la tête d'entraînement 14 est pivotée, au niveau du chariot 10, de 90° afin de libérer l'accès à la zone à forer.
    • A l'étape (C), le tube de protection 22 est positionné au-dessus de la zone à forer, à l'extrémité inférieure 6a du mât 6 formant un guide pour le tube de protection 22.
    • A l'étape (D), la première portion de la tige de forage 18, qui comporte à son extrémité l'outil de coupe 28 et qui constitue une armature avec outil perdu, est positionnée à l'intérieur du tube de protection 22, comme cela est visible sur la portion représentée en coupe de l'étape (D).
    • A l'étape (E), la tête d'entraînement 14 est à nouveau pivotée, au niveau du chariot 10, de 90° pour revenir au droit de la zone à forer, au-dessus du tube de protection 22 et de la tige de forage 18.
    • A l'étape (F), le chariot 10 est descendu de manière à permettre le montage de la tige de forage 18 sur les premiers moyens de montage 16 correspondant, puis le montage du tube de protection 22 sur les deuxièmes moyens de montage 20 correspondant.
      Une fois le tube de protection 22 et la tige de forage 18 montés sur la tête d'entraînement 14, ceux-ci sont mis en rotation par la tête d'entraînement en même temps que le chariot 10 descend le long du mât 6. La tige de forage 18 et le tube de protection 22 commencent donc à forer la couche poreuse P de ballast et à s'enfoncer à l'intérieur, jusqu'à ce que le tube de protection 22 soit enfoncé dans et à travers la couche poreuse P de ballast (étape (G)). Pendant toute l'étape (F), le fluide de forage est, d'une part, injecté, via la tête d'entraînement 14, à travers la tige de forage 18 pour ressortir au niveau de l'outil de coupe 28, puis, d'autre part, ré-aspiré depuis l'extrémité supérieure du tube de protection 22, via l'espace tubulaire intercalaire, par les premiers moyens de récupération 30 montés sur la tête d'entraînement 14. En effet, le fluide de forage devant « remonter » toute la longueur du tube de protection 22 jusqu'à la tête d'entraînement qui peut se situer très au-dessus de la surface à forer, la pression d'injection du fluide de forage peut s'avérer insuffisante, de sorte qu'une aspiration forcée au niveau des premiers moyens de récupération 30 est alors nécessaire. Ainsi, tout au long de l'étape (F), le fluide de forage est récupéré au fur et à mesure de son injection dans la tige de forage 18, ce qui permet de limiter l'impact de sa circulation sur la zone entourant le forage.
    • A l'étape (G), le tube de protection 22 est positionné au travers de la couche poreuse P de ballast, et peut alors être désolidarisé de la tête d'entraînement 14. Une fois désolidarisé, les deuxièmes moyens de récupération 32 peuvent être solidarisés sur le tube de protection 22, par exemple le joint annulaire gonflable peut être gonflé de manière à rendre étanche la liaison entre le tube de protection 22 et le réservoir des deuxièmes moyens de récupérations 32.
    • A l'étape (H), le chariot 10 portant la tête d'entraînement 14 est d'abord remonté partiellement de manière à faire remonter la tige de forage 18 suffisamment pour pouvoir la désolidariser à son tour de la tête d'entraînement 14, puis le chariot 10 est remonté en haut du mât 6.
    • A l'étape (I), la tête d'entraînement 14 est pivotée, au niveau du chariot 10, de 90° afin de libérer l'accès à la zone à forer, et une deuxième portion de la tige de forage 18 est positionnée puis montée sur la première portion de la tige de forage 18.
    • A l'étape (J), la tête d'entraînement 14 est à nouveau pivotée, au niveau du chariot 10, de 90° pour revenir au droit de la zone à forer, au-dessus de la tige de forage 18 (qui comporte à présent deux portions), et celle-ci est alors montée sur la tête d'entraînement 14.
    • A l'étape (K), la tige de forage 18 est mise en rotation par la tête d'entraînement 14 en même temps que le chariot 10 descend le long du mât 6. La tige de forage 18 continue donc à forer le sol S, au-delà de l'extrémité inférieure du tube de protection 22. Pendant toute l'étape (K), le fluide de forage est, d'une part, injecté, via la tête d'entraînement 14, à travers la tige de forage 18 pour ressortir au niveau de l'outil de coupe 28, puis, d'autre part, circule, via l'espace tubulaire intercalaire, jusqu'à l'extrémité supérieure du tube de protection 22. L'extrémité supérieure du tube de protection 22 étant libre et se situant légèrement au-dessus de la surface forée, le fluide de forage chargé en matière forée peut alors ressortir tout seul, sous l'effet de la pression d'injection, et venir couler dans le réservoir des deuxièmes moyens de récupération 32 pour être aspiré ensuite par les moyens d'aspiration. Ainsi, tout au long de l'étape (K), le fluide de forage est récupéré au fur et à mesure de son injection dans la tige de forage 18, ce qui permet de limiter l'impact de sa circulation sur la zone entourant le forage.
    • A l'étape (L), le chariot 10 portant la tête d'entraînement 14 est d'abord remonté partiellement de manière à faire remonter la tige de forage 18 suffisamment pour pouvoir la désolidariser de la tête d'entraînement 14, puis le chariot 10 est complètement remonté en haut du mât 6 de manière à pouvoir reproduire, autant de fois que souhaitées, les étapes (I) à (L).
  • Une fois les étapes d'installation de la tige de forage 18 effectuées, un coulis de ciment peut alors être injecté dans la tige de forage afin de sceller celle-ci dans le sol S et obtenir ainsi un micro-pieu de pylône de caténaire.
  • Ainsi, on obtient un micro-pieu formé d'une part par une tige de forage et d'autre part par un tube de protection venant renforcer le maintien de la tige de forage dans le sol. Le tube de protection est positionné dans le sol, à travers une couche de ballast, sans que cette dernière ou la surface de la zone à forer ne soit impactée par le forage effectué.
  • Par ailleurs, grâce à sa compacité, notamment en raison de sa simple tête, et de son poids limité, la machine pour forer 1 est adaptée pour être installée sur un wagon ferroviaire et pour circuler rapidement, avec des virages importants. Ainsi, il est possible d'obtenir un train travaux 34, dont une partie est illustrée sur la figure 5, comportant une machine pour forer 1 telle que décrite précédemment, et permettant d'installer les micro-pieux de pylônes de caténaires le long de la voie ferrée sur lequel il circule.
  • Le train travaux 34 peut ainsi comprendre, en plus de la machine pour forer 1, des moyens d'alimentation et de circulation, sous pression, d'un fluide de forage (non représentés), reliés à la tête d'entraînement, des moyens de fournitures d'un coulis de ciment (non représentés) configurés pour être reliés à la tête d'entraînement 14 lors du scellement de la tige de forage 18 dans le forage.
  • Le train travaux 34 peut également comprendre des moyens d'aspiration 36 du fluide de forage chargé de matière forée, configurés pour être reliés aux premiers ou aux deuxièmes moyens de récupération 30, 32, ainsi qu'un bac de décantation 38 monté en aval des moyens d'aspiration 36 et permettant de séparer le fluide de forage et la matière forée, afin de permettre une réutilisation du fluide de forage.
  • Ainsi, grâce à la machine à forer et au train travaux comportant une telle machine à forer, il devient possible d'installer facilement des micro-pieux de pylônes de caténaire, le long d'une voie ferrée, tout en préservant la couche supérieure de ballast, et plus généralement l'environnement de la voie ferrée.

Claims (14)

  1. Machine pour forer (1), sous circulation de fluide, un sol (S) recouvert d'une couche poreuse (P), par exemple une couche de ballast, dans laquelle la machine (1) comporte :
    - une tête d'entraînement (14) pour entraîner en rotation une tige de forage (18), et
    - des moyens de circulation d'un fluide de forage configurés pour injecter un fluide de forage à travers la tige de forage (18),
    dans laquelle la machine (1) est également configurée pour insérer, à travers la couche poreuse (P), un tube de protection (22) s'étendant autour de la tige de forage (18) et laissant un espace tubulaire intercalaire (29) entre la tige de forage (18) et le tube de protection (22), et dans laquelle la machine (1) comprend également des premiers moyens de récupération (30) du fluide de forage configurés, lors de l'insertion du tube de protection (22) à travers la couche poreuse (P), pour aspirer, depuis l'extrémité supérieure du tube de protection (22), le fluide de forage issu de la tige de forage (18) et présent à l'extrémité inférieure du tube de protection (22).
  2. Machine (1) selon la revendication 1, comprenant également des deuxièmes moyens de récupération (32) du fluide de forage, les deuxièmes moyens de récupération (32) étant configurés pour évacuer le fluide de forage issu de la tige de forage (18) et ressortant par l'extrémité supérieure du tube de protection (22) lorsque le tube de protection (22) est positionné à travers la couche poreuse (P).
  3. Machine (1) selon la revendication 2, dans laquelle les premiers et deuxièmes moyens de récupération (30, 32) comportent une pompe commune et un moyen de liaison configuré pour relier la pompe commune aux premiers moyens de récupération (30) lors de l'insertion du tube de protection (22) à travers la couche poreuse (P), et pour relier la pompe commune aux deuxièmes moyens de récupération (32) lorsque le tube de protection (22) est positionné à travers la couche poreuse (P).
  4. Machine selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle les deuxièmes moyens de récupération sont configurés pour être positionnés à l'extrémité supérieure du tube de protection lorsque le tube de protection est positionné à travers la couche poreuse, les deuxièmes moyens de récupération comportant un réservoir, de préférence en forme de couronne, dans lequel vient se verser le fluide de forage ressortant du tube de protection, et un joint périphérique, de préférence circulaire, venant créer une étanchéité entre le réservoir et la paroi extérieure du tube de protection.
  5. Machine (1) selon la revendication 4, dans laquelle le joint périphérique est un joint gonflable.
  6. Machine (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle la tête d'entraînement (14) est configurée pour entraîner également en rotation le tube de protection (22), de préférence en même temps que la tige de forage (18), lors de l'insertion du tube de protection (22) à travers la couche poreuse (P).
  7. Machine (1) selon la revendication 6, dans laquelle la tête d'entrainement (14) comporte des moyens de montage (16) de la tige de forage (18), présentant un premier diamètre déterminé, et des moyens de montage (20) du tube de protection (22), présentant un deuxième diamètre déterminé supérieur au premier diamètre déterminé.
  8. Machine (1) selon la revendication 7, dans laquelle les premiers moyens de récupération (30) du fluide sont montés sur la tête d'entraînement (14), par exemple au-dessus des moyens de montage (20) du tube protection (22).
  9. Train travaux (34) comprenant une machine (1) pour forer un sol (S) recouvert d'une couche poreuse (P) selon l'une des revendications 1 à 8.
  10. Train travaux (34) selon la revendication précédente, comprenant des moyens d'alimentation d'un fluide de forage reliés à la tête d'entraînement (14), des moyens d'aspiration du fluide de forage (36) configurés pour être reliés aux moyens de récupération (30, 32), et des moyens de fournitures d'un coulis de ciment configurés pour être reliés à la tête d'entraînement (14).
  11. Train travaux (34) selon la revendication précédente, comprenant également un système de récupération des boues, par exemple un bac de décantation (38), montés en aval des moyens de récupération (30, 32).
  12. Procédé de forage, sous circulation de fluide, dans un sol recouvert d'une couche poreuse, par exemple une couche de ballast, dans lequel :
    - on entraîne en rotation une tige de forage (18), et
    - on injecte un fluide de forage à travers la tige de forage (18), de préférence pendant la rotation de la tige de forage (18),
    dans lequel, durant une première étape, :
    - on insère, à travers la couche poreuse, un tube de protection (22) s'étendant autour de la tige de forage (18) et laissant un espace tubulaire intercalaire (29) entre la tige de forage (18) et le tube de protection (22), et
    - on aspire, depuis l'extrémité supérieure du tube de protection (22), le fluide de forage issu de la tige de forage (18) et présent à l'extrémité inférieure du tube de protection (22), lors de l'insertion du tube de protection (22) à travers la couche poreuse.
  13. Procédé de forage selon la revendication précédente, dans lequel, durant une deuxième étape, lorsque le tube de protection (22) est positionné à travers la couche poreuse, on laisse en place le tube de protection (22) et on évacue le fluide de forage issu de la tige de forage (218) et ressortant par l'extrémité supérieure du tube de protection (22).
  14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel durant la première étape, on entraîne le tube de protection (22) en même temps qu'une première partie de tige de forage (18) équipée, à son extrémité, d'un outil (28), puis, durant la deuxième étape, on assemble une deuxième partie de tige de forage à la première partie de tige de forage et on entraîne les deux parties de tige de forage (18) en rotation tout en injectant un fluide de forage à travers et en évacuant le fluide ressortant par l'extrémité supérieure du tube de protection (22).
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