FR2526851A1

FR2526851A1 - Appareil de forage rotatif notamment de puits producteurs d'eau et de puits de drainage

Info

Publication number: FR2526851A1
Application number: FR8220960A
Authority: FR
Inventors: Vaid Amirdzhanovich Kerimov; Robert Azizovich Ismailov; Yagshimurad Agam Khodzhakuliev; Aman Orazov
Original assignee: TURKMENSK NI GEOLOGORASVEDOC
Current assignee: TURKMENSK NI GEOLOGORASVEDOC
Priority date: 1982-05-11
Filing date: 1982-12-14
Publication date: 1983-11-18
Also published as: DE3248690A1; SU1105598A1; FR2526851B1; DE3248690C2; JPS58195688A; JPH0223672B2; AU550578B2; AU9116982A

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LE FORAGE DE PUITS PAR LE PROCEDE ROTARY. L'APPAREIL DE FORAGE FAISANT L'OBJET DE L'INVENTION EST CARACTERISE NOTAMMENT EN CE QUE L'OUTIL DE FORAGE EST MUNI D'UN ELARGISSEUR COMPRENANT AU MOINS DEUX LAMES D'ELARGISSEMENT 12, 13 RIGIDEMENT SOLIDAIRES D'UN APPUI CYLINDRIQUE 14 DISPOSE EXCENTRIQUEMENT ET DE MANIERE A POUVOIR TOURNER AUTOUR DES TIGES DE FORAGE SUR DES PAROIS DE GUIDAGE INFERIEURE ET SUPERIEURE DE L'OUTIL DE FORAGE 9, FIXEES RIGIDEMENT ET EXCENTRIQUEMENT SUR LES TIGES DE FORAGE ET FORMANT AVEC L'APPUI CYLINDRIQUE 14 UN CORPS ELARGISSEUR. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AU FORAGE DE PUITS PRODUCTEURS D'EAU ET DE PUITS DE DRAINAGE.

Description

La présente invention concerne le forage de puits par le procédé rotatif et a notamment pour objet un appareil de forage de puits producteurs d'eau et de puits de drainage.

Les foreuses de ce genre peuvent entre largement utilisées dans l'industrie minière et dans le génie civil, dans l'agriculture et l'amélioration des terres, pour le forage de puits dans des conditions hydrogéologiques variées.

L'application de l'invention est d'une efficacité maximale dans le forage puits producteurs d'eau et de puits de drainage dans les conditions hydrogéologiques de terrains meubles, inconsistants ou coulants et à eaux souterraines peu profondes.

Pour augmenter la productivité (le débit) et la durée de service des puits, on les équipe de filtres à gravier à grand débit, ce qui exige le forage de puits de grand diamètre.

Dans l'état actuel de la technique, le forage rotatif de puits producteurs d'eau et depuitsdedrainage est effectué par deux procédés principaux ; par circulationCarecte et par circulation inverse du fluide de forage.Selon le procédé par circulation directe, le fluide de forage (par exemple, la boue de forage ou l'eau industrielle) est refoulé par la pompe de forage vers le fond du puits à travers les tiges de forage, et les déblais de forage sous forme d'un mélange terre-fluide sont remontés à la surface par le fluide de forage en passant par l'espace annulaire du puits. La boue de forage et les déblais pénètrent alors dans les pores des parois du puits et colmatent ainsi les couches aquifères.Le forage et l'équipement de tels puits sont suivis d'une longue période de pompage pour laver les puits et évacuer les colmatants des couches aquifères.

Le domaine d'application du procédé par circulation directe du fluide de forage est limité par les possibilités du matériel de pompage et l'augmentation du diamètre du puits
conduit à une diminution de la vitesse de circulation annulaire du mélange fluide-déblais et à un broyage multiple des vêlais de forage du fait que les gros déblais ne peuvent pas etre remontés avec la boue remontant à de faibles vitesses depuis le fond de puits.

Par contre, le diamètre des forages réalisés avec circulation inverse du fluide de forage est pratiquement illimité, les déblais de forage sous forme de gros morceaux et de boue sont évacués à travers les tiges de forage, dont le diamètre est sensiblement inférieur au diamètre du puits.

Toutefois, le domaine d'utilisation de la circulation inverse du flude de forage est, lui aussi, limité par les conditions hydrogéologiques,et une telle-circulation est inutilisable dans les terrains meubles et inconsistants à eaux souterraines
peu profondes.

Dans ces conditions, on est obligé de créer une surpression hydrostatique d'au moins 0,29 Pa.105 sur les parois du puits pendant le forage, ce qui permet d'éviter les incidents de forage.

On connait des appareils de forage rotatif de puits producteurs d'eau ou de puits de drainage, comprenant une pompe de forage et une tête de rotation reliée à cette pompe et comportant une tige d'entra}nement et un train de tiges de forage vertical, ainsi qu'un outil de forage. Pour établir une circulation inverse du fluide de forage dans les foreuses connues, on a prévu une pompe à jet d'eau reliée à la canalisation d'amenée et montée dans la tige d'entraînement, dans le train de tiges de forage ou sur ltéchaufadage.

Dans ces foreuses connues, le fluide de forage est refoulé à travers la tAete de rotation et la canalisation d'amenée vers la pompe à jet d'eau et est injecté par celle-ci dans les tiges de forage sous forme de jets séparés ou d'un jet circulaire continu. Dans ces conditions, grace à la dépression ainsi créée, le mélange fluide-déblais remonte à la surface et arrive à travers le train de tiges de forage, la tête de rotation et le flexible d'écoulement du mélange fluide-déblais, dans un bourbier (un puisard) où les déblais de forage se déposent, alors que le fluide de forage revient dans l'espace annulaire du puits, relié aubourbier.

Les inconvénients de ces foreuses connues résident dans le faible rendement propre aux pompes à jet d'eau, dans leur fonctionnement instable et dans leur inaptitude à véhiculer les grosses particules de déblais, ainsi que dans les ruptures de circulation fréquentes qui ont pour effet de diminuer le rendement général.

On conna'it également une foreuse munie d'un système de curage par la méthode de l'ascension à l'air ou "air-lift".

Les foreuses de ce genre sont équipées d'un compresseur envoyant l'air comprimé dans la tête de rotation par une canalisationde refoulement ; la tête de rotation communique par l'intermédiaire de la tige d'entrainement avec le train de tiges de forage doté d'un conduit d'air et d'une chambre de mélange~dans laquelle on injecte l'air comprimé pour aérer la colonne de liquide dans le train de tiges de forage sous l'effet de la différence des pressions dans les tiges de forage et dans l'espace annulaire, le mélange fluidedéblais remonte à la surface vers la tête de rotation et arrive au bourbier, d'où le fluide de forage est à nouveau canalisé vers l'espace annulaire.

En cas d'utilisation du système de circulation inverse du fluide de forage par ascension à l'air, les premiers 9 à 12 m du puits sont forés à l'aide d'un autre système d'évacuation du mélange fluide-déblais, par exemple à l'aide de pompes à jet d'eau ou d'un système d'évacuation par aspiration sous vide, ou bien par forage à l'aide de tarières de grand diamètre, lorsqu'il s'agit de terrains consistants.

L'inconvénient commun propre aux foreuses connues réside en ce que leur utilisation reste limitée dans les différentes conditions hydrogéologiques et en ce qu'ils sont dotés d'un grand nombre d'outils de forage de types et dimensions variés, dont les remplacements exigent des dépenses importantes de temps et de travail dues à la nécessité d'effectuer des opérations de montée et de descente desdits outils.

On s'est donc proposé de mettre au point une foreuse permettant de forer les puits de manière efficace, avec élargissements intermittents de ceux-ci et utilisation de deux systèmes de nettoyage : par circulation directe ayant pour but de consolider les parois des puits près de leur tête et d'augmenter la pression hydrostatique agissant sur les parois du puits pendant l'avancement dans des terrains improductifs et des terrains meubles, et par circulation inverse du fluide de forage pendant l'avancement dans les couches aquifères sans remontée de l'outil de forage.

Ce problème est résolu à l'aide d'un appareil de forage rotatif de puits, surtout de puits producteurs d'eau et de puits de drainage, comprenant un train vertical
de tiges de forage pourvu à sa partie inférieure d'un outil de forage et dont la partie supérieure communique avec une tête d'injection reliée à une pompe de forage et à un compresseur pour la circulation du fluide de forage dans le puits, caractérisé, selon l'invention, en ce que l'outil de forage est muni d'au moins deux lames d'élargissement rigidement solidaires d'un appui cylindrique disposé excentriquement et de manière à pouvoir tourner des tiges de forage sur des parois de guidage supérieureet inférieure de l'outil de forage, fixées rigidement et excentriquement sur les tiges de forage et formant avec l'appui cylindrique le corps des lames d'élargissement, ledit appui cylindrique étant réalisé de manière à être bloqué au moins en deux positions excentriques par rapport aux tiges de forage, dans lesquelles les lames d'élargissement sont réglées pour différents diamètres de forage, alors que la tête d'injection est réalisée de manière à pouvoir passer du régime de circulation directe du fluide de forage, en cas de forage d'un puits de plus faible diamètre, au régime de circulation inverse du fluide de forage en cas de forage d'un puits de plus grand diamètre, sans remontée à la surface de l'outil de forage.

Ce mode de réalisation de l'appareil de forage permet d'en augmenter le rendement et la productivité de 1,3 à 1,5 fois et d'effectuer les forages dans des conditions hydrogéologiques compliquées.

Il est préférable que la tête d'injection communiquant avec la pompe de forage par l'intermédiaire d'une tubulure d'injection et dotée d'une tubulure d'écoulement soit munie, selon l'invention, d'une soupape réalisée sous forme d'un cylindre renfermant un piston et relié à la tubulure d'injection et à la tubulure d'écoulement, les parois du cylindre étant percées d'ouvertures masquées alternativement par le piston se trouvant dans l'une ou l'autre de ses deux positions, dans l'une desquelles, correspondant au forage avec circulation directe du fluide de forage, la tubulure d'injection est mise en communication avec les tiges de forage par l'intermédiaire du cylindre et de la tête d'injection,tandis que dans l'autre} correspondant au forage avec circulation inverse du fluide de forage, les tiges de forage communiquent avec la tubulure d'écoulement par l'intermédiaire de la tête d'injection et du cylindre.

Ce mode de réalisation de la tête d'injection permet à l'outil de forage de passer automatiquement du régime de circulation directe du fluide de forage au régime de circulation inverse, et vice versa.

Il est souhaitable de doter l'outil de forage detrois lames d'élargissement sensiblement équidistantes l'une de l'autre1 dont l'une est plus grande que les deux autres d'une valeur égale au moins à la valeur de l'excentricité, et de bloquer l'appui cylindrique de manière que, dans l'une de ses positions, la plus grande lame d'élargissement soit placée suivant la même ligne que le plus petit rayon de rotation du corps des lames d'élargissement, et que, dans l'autre position, elle soit placée suivant la même ligne que le plus grand rayon de rotation du corps des lames d'élargissement.

Pour bloquer le corps cylindrique des lames d'élargissement en position voulues il est également préférable de prévoir, à l'intérieur de cet appui, un mécanisme de blocage rigidement solidaire des tiges de forage et un arrêtoir à ressort et de réaliser la partie intérieure de l'appui cylindrique sous forme d'une roue à encliquetage munie d'au moins deux butées diamétralement opposées et coopérant avec l'arrêtoir, l'une des butées étant disposée sensiblement suivant la même ligne que la plus grande lame d'élargissement.

Ce mode de réalisation permet de bloquer d'une manière sûre les lames d'élargissement en position optimale.

Il est souhaitable dans un appareil de forage dans lequel le train de tiges- de forage est pourvu d'un conduit d'amenée d'air dont l'une des extrémités est reliée au compresseur par l'intermédiaire de la tête d'injection, et l'autre, à une chambre de mélange pour la remontée, par ascension à l'air, du mélange fluide-déblais, que la chambre de mélange réalisée à l'intérieur du corps des lames d'élargissement soit reliée à l'espace intérieur des tiges de forage et que le conduit d'amenée d'air soit relié, en outre,à l'espace intérieur du corps d'élargissement muni d'une soupape de distribution qui, en régime de circulation directe du fluide de forage, met le conduit d'amenée d'air en communication avec l'espace intérieur du corps des lames d'élargissement pour amener l'air comprimé dans l'espace annulaire du puits, et qui, en régime de circulation inverse du fluide de forage, met le conduit d'amenée d'air en communication avec la chambre de mélange pour
amener l'air comprimé dans l'espace intérieur des tiges de forage. Ceci permet de contrôler le procédé de circulation du fluide de forage et le diamètre de forage, ainsi que de passer d'un mode de circulation à l'autre pendant le forage et de contrôler le diamètre de forage, en assurant un effet auxiliaire sous forme d'une aération du mélange fluide-déblais dans l'espace annulaire du puits en cas de cirtulation directe du fluide de forage.

Il est avantageux de prévoir, à la surface intérieure de l'appui cylindrique des lames d'élargissement, une saillie circulaire comprenant au moins deux parties conjuguées de hauteur différente et de prévoir aux points de jonction de ces parties des butées destinées à coopérer avec le mécanisme de blocage, et de pratiquer sur la surface extérieure de l'arrêtoir du mécanisme de blocage une rainure dans laquelle s'engage la saillie circulaire, la soupape de distribution étant montée dans le mécanisme de blocage et reliée à l'arrêtoir de manière que, lorsque l'arrêtoir entre en contact avec l'une des butées, la soupape de distribution assure l'arrivée d'air comprimé dans l'espace annulaire du puits par l'intermédiaire du corps d'élargissement, et que lorsque l'arrêtoir entre en contact avec l'autre butée, elle assure l'arrivée d'air comprimé dans l'espace intérieur des tiges de forage.

un tel mode de fonctionnement de la soupape de distribution permet de contrôler d'une manière plus store le diamètre de forage et le mode de circulation du fluide de forage.

L'invention sera mieux comprise, ét d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels
- la figure 1 représente une vue d'ensemble de l'appareil de forage d'après l'invention
- la figure 2 représente une vue d'ensemble de l'outil de forage en coupe longitúdinale, d'après l'invention
- la figure 3 est une vue, avec arrachement partiel, de la tête d'injection dotée d'une soupape intérieure, d'après l'invention
- la figure 4 représente la soupape fixée extérieu rement sur la tête d'injection
-'la figure 5 est une vue en coupe suivant V-V de la figure 2.

L'appareil de forage faisant l'objet de l'invention comprend une pompe de forage 1 (figure 1), un compresseur 2, une tête d'injection 3 reliée à la pompe 1 et au compresseur 2 par des tubulures d'ipection 4, 5 et 5'. La tête d'injec tion 3est riMb à une tige d'entraînement 6 et celle-ci est placée dans une table de rotation 7 et reliée à un train 8 de tiges de forage~ Le train de tiges de forage 8 porte un outil de forage 9. Le train de tiges de forage 8 est doté.

d'un conduit d'amenée d'air 10.

L'outil de forage 9 est muni d'un fleuret d'amorçage ou analogue Il et d'au moins deux lames d'élargissement 12, 13, rigidement solidaires d'un appui cylindrique 14 (figure 2) monté excentriquement de manière à pouvoir tourner autour des tiges de forage 15,15' dans des rainures d'appui 16 réalisées dans des parois de guidage supérieur et inférieur 17 et 17' fixées rigidement aux tiges de forage 15, -15' d'une amnière excentrique par rapport à l'axe de rotation des tiges de forage.

Les lames d'élargissement peuvent être pourvues d'éléments de travail du type coupant, à molettes ou d'un autre type approprié, et de dimensions variées.

La fixation des lames d'élargissement sur l'appui-cy- lindrique peut être du type démontable.

L'appui cylindrique 14 et les parois de guidage 17,17' forment un corps d'élargissement 18.

Selon l'un des modes de réalisation de l'invention, la tête d'injection 3 est munie d'une tubulure d'écoulement 19 (figure 3) et d'une soupape 20 disposée à l'intérieur de la tête d'injection 3. La-soupape 20 est réalisée sus forme d'un cylindre 21 renfermant un piston 22. Le cylindre 21 est percé d'ouvertures 23 et 24 mettant la soupape 20 en communication avec l'espace intérieur de la tête-dtinjection 3 et avec l'espace intérieur de la tubulure d'écoulement 19. La soupape 20 est puurvue d'un couvercle 25 et d'un ressort 26.

Sous l'action du ressort 26, le piston 22 est maintenu en position extrême haute, dans laquelle l'espace intérieur de la tête d'injection 3 communique avec la tubulure d'écoulement 19 par les ouvertures 23 et 24.

Lorsque le fluide de forage est refoulé par la pompe I à tners la la tubulure d'injection 4 vers l'espace intérieur de la soupape 20 au-dessus du piston 22, le piston 22 se déplace vers sa position extrême basse et vient fermer l'ouverture 24 de manière que l'espace intérieur de la soupape 20 communique par l'ouverture 23 avec la tête d'injection 3 et le train de tiges de forage 8.

Selon un autre mode de réalisation de la soupape (figure 4), la soupape 27 est fixée extérieurement sur le corps de la tête d!Injection 3 et comprend un cylindre 28 renfermant un piston 29 et doté d'ouvertures 30, 31 > d'une tubulure d'écoulement 32 et d'un clapet de retenue à ressort 33, montés dans le piston 29.

Le fait que la tête d'injection 3 de la soupape 20 soit disposée à l'intérieur et que la soupape 27 soit disposée à l'extérieur de la tête d'injection, permet de faire passer la tête d'injection d'un mode de circulation du fluide de forage à l'autre (directe et inverse), simultanément avec la mise en marche ou l'arrêt de la pompe forage 1, ce qui exclut les dépenses improductives occasionnées par les opérations auxiBaires de changement de mode de circulation du fluide de forage.

Selon un autre mode de réalisation, l'outil de forage (figure 5) est pourvu de trois lames d'élargissement 34, 35, 35', dont l'une (34) est plus grande que les deux autres (35,35') d'une valeur égale au moins à la valeur de l'excentricité du corps élargisseur 18, ces trois lames étant disposées sur l'appui cylindrique d'une manière équidistante, ce qui permet d'utiliser à fond l'excentricité du corps élargisseur 18 et de porter le diamètre du puits de sa valeur inférieure à sa valeur supérieure en l'augmentant ainsi d'une valeur correspondant à celle de l'excentricité(à condition que la plus grande lame d'élargissement 34 soit fixée, dans l'une de ses positions, suivant la même ligne que le plus petit diamètre de rotation des parois de guidage 17 (comme indiqué sur la ligne 2 ), correspondant au plus petit diamètre de l'élargisseur 18, et que, dans l'autre position, elle soit fixée suivant la même ligne que le plus grand diamètre de rotation du corps élargisseur 18, correspondant au plus grand diamètre de I'élargisseurr
Cette condition, c'est-à-dire la coîncidence de la plus grande lame d'élargissement avec les lignes du plus petit et du plus grand rayon de rotation du corps élargisseur 18, est réalisée grâce au mode approprié de blocage de l'appui cylindrique 14 des lames d'élargissement, dont la surface intérieure est réalisée sous forme d'une roue à encliquetage dotée d'au moins deux butées 36 et 37 (figure 5) diamétralement opposées, l'une (36) des butées étant disposée devant la plus grande lame d'élargissement 34.

Le corps élargisseur 18 renferme une chambre de mélange 38 (figure 2) formée entre la paroi latérale 39 du mélangeur, les tiges de forage 15 et les parois de guidage supérieure et inférieure 17, 17', sur lesquelles la paroi latérale 39 est fixée (par exemple d'une manière rigide et non démontable sur la paroi de guidage supérieure 17, et au moyen d'un assemblage boulonné sur la paroi inférieure 17', ce qui permet de démonter le mélangeur et le corps élargisseur 18 et de régler la mobilité de l'appui cylindrique 14 dans les rainures d'appui 16 à l'aide d'éléments d'épaisseur interposés dans l'assemblage boulonné 40).

Le corps élargisseur 18 renferme un mécanisme de blocage 41 fixé rigidement sur la paroi latérale 39 du mélangeur et muni d'un arrêtoir à ressort 42 disposé dans un corps 43. Le corps 43 est percé d'ouvertures 44 et 45.

L'arrêtoir 42 est doté d'un évidement extérieur 46.

Le corps 43 du mécanisme de blocage communique avec le conduit d'amenée d'air 10 du train de tiges de forage 8 par l'intermédiaire d'une tubulure 47 et d'un boîtier 48 fixé à demeure sur le corps et sur la paroi de guidage supérieure 17.

La paroi latérale du mélangeur est percée d'une ouverture 49 reliant la chambre de mélange 38 au conduit d'amenée d'air 10 par l'intermédiaire de la tubulure 47, du boîtier 48 et de l'ouverture 44 du corps 43.

Les parties terminales intérieures des tiges de forage 15, 15' forment un éjecteur circulaire 50.

L'arrêtoir 42 renferme une soupape de distribution 51 réalisée sous forme d'un piton creux sollicité par le même ressort que l'arrêtoir 42. La soupape de distribution 51 sert à relier la tubulure 47 à la chambre de mélange 38 et à l'éjecteur 50 par l'intermédiaire du boîtier 48, de l'ouverture 44, de l'espace intérieur du corps 43 et de l'ouverture 49, ainsi qu'à relier la tubulure 47 à l'espace intérieur de l'élargisseur 18 par l'intermédiaire du boîtier 48, de l'ouverture 44, de l'épaulement 46 et de l'ouverture 45, et ensuite à l'atmosphère par l'intermédiaire des ouvertures 52 percées dans la paroi de guidage supérieure.

L'appui cylindrique 14 des lames d'élargissement comporte à sa surface intérieure un épaulement circulaire comprenant au moins deux parties conjuguées 53, 54 de hauteur différente. Les zones de jonction des parties 53, 54 coincident avec les emplacements des butées 36, 37, qui sont elles aussi de hauteur différente, la butée 36 la plus basse se trouvant sur la partie terminale de la partie la plus haute 53 de la saillie, et la butée 37 la plus haute (figure 5), sur la partie terminale de la partie la plus basse 54 de la saillie.

Ce mode de disposition et de réalisation des butées et des saillies permet de bloquer la soupape de distribution en position voulue grâce à une rainure 55 pratiquée à la surface extérieure de l'arrêtoir 42.

Les puits producteurs d'eau et les puits de drainage sont normalement forés jusqu'à une profondeur ne dépassant pas 100 m ; quand il est nécessaire d'élargir un puits en dessous de 100 m, le contrôle du passage des lames d'élargissement au plus grand diamètre s'effectue à l'aide d'une tubulure auxiliaire 5'.

A cet effet, les tiges supérieures du train de tiges de forage 8 sont munes de doubles conduits 10, et on monte dans le train de tiges de forage un mélangeur auxiliaire communiquant avec la tête d'injection reniée cl 2 parla tubulure auxiliaire 5', alors que la tubulure 5 est reliée à la pompe de forage 1.

Le contrôle du diamètre de forage est réalisé par
injection de fluide de forage dans le conduit d'amenée d'air 10 vers la tubulure 17, et de celle-ci, vers l'espace intérieur du train de tiges de forage 8 par la chambre de mélange 38 et l'éjecteur 50, puis vers la surface depuis le train 8, en rétablissant ainsi la circulation inverse, ce qui correspond au plus grand diamètre de l'outil de forage, ou bien le fluide de forage est injecté par la tubulure 47-vers lrespace intérieur du corps élargisseur 18 à travers l'ouverture 44, l'évidement 46 et l'ouverture 45. Du corps élargisseur 18, le fluide passe par les ouvertures 52 dans l'espace annulaire du puits et remonte à la surface, en rétablissant ainsi la circulation directe, ce qui correspond au plus petit diamètre de l'outil de forage.

Le fonctionnement de l'appareil de forage est le suivant.

L'appareil de forage est placé au point de forage, où l'on procède à son montage qui consiste à dresser son mât, à monter la tige d'entranement et la table de rotation 7, à fixer sur la tige d'entraînement 6 l'outil de forage 9 dont les lames d'élargissement 34, 35, 35' se trouvent en position correspondant au plus petit diamètre de l'outil de forage 9. L'outil de forage 9 est descendu dans une fosse préalablement creusée et communiquant avec un bourbier (puisard) égaiement creusé d'avance et rempli de fluide de forage (eau industrielle);
Ayant descendu l'outil de forage 9 dans la fosse d'amorçage, on met en marche la pompe de forage 1, dont le flexible d'aspiration est immergé dans le bourbier à fluide de forage.Le fluide de forage est alors refoulé depuis le bourbier par la pompe 1 et la tubulure d'injection 4 de la soupape 20 (ou 27), de sorte qu'il s'établit une circulation directe du fluide de forage.

Ayant établi la circulation directe du fluide de forage, on met en marche le système de rotation de l'outil de forage et on commence le forage de la partie avant 56 du puits de petit diamètre. Le fluide de forage remontant par l'espace annulaire du puits entraîne avec lui les déblais de forage, qui penètrent partiellement dans les parois du puits pendant la remontée et colmatent les formations improductives.

Les déblais de forage et le fluide de forage remontent à la surface sous forme d'un mélange fluide-déblais et sontamenés au bourbier dans lequel les déblais se déposent, alors que le fluide de forage est réinjecté par la pompe de forage et la tête d'injection dans le train de tiges de forage 8, puis remonte à la surface avec les déblais de forage. En ce cas, la soupape 20 (ou 27) relie la tubulure d'injection 4 à la tête d'injection par les ouvertures 23 ou 30.

Le forage rotatif du puits de faible diamètre avec circulation direct du fluide de forage se poursuit jusqu'à ce que la nappe aquifère soit atteinte, après quoi on fait passer les lames d'élargissement 34, 35, 35' au plus grand diamètre.

Pendant le forage de la partie avant 56 du puits avec l'outil de forage 9 de petit diamètre, on peut établir, si nécessaire, la circulation inverse du fluide de forage. Cette opération est effectuée en cas du forage de terrains visqueux ou compacts, pour éviter la formation de bouchons de boue et pour enlever les déblais du fond de puits, en établissant la circulation inverse pour une courte durée, l'outil de forage restant immobile. A cet effet, on met en marche le compresseur 2 qui refoule l'air comprimé vers la tête injection 3, alros que la pompe de forage 1 et la table de rotation 7 sont au repos.Depuis la tête d'injection 3, l'air comprimé passe parle conduit d'amenée d'air 10 et la tubulure 47 et arrive au boîtier 48, d'où il passe par l'ouverture 44 du corps du mécanisme de blocage 41, par l'évidement 46 et l'ouverture 45, et arrive dans ''esF~e intérieur du corps élargisseur 18, d'où il sort dans l'espace annulaire du puits par les ouvertures 52.

L'air comprimé débouchant dans l'espace annulaire du puits provoque une aération du mélange fluide-déblais et débarrase ainsi le fond de puits des déblais de forage.

Si l'on n'y parvient pas par aération, on peut faire appel à la circulation inverse du fluide de forage; à cet effet, on met l'outil de forage en rotation pendant un court moment et en sens inverse (à gauche).

Ceci a pour effet, en un tour ou un tour et demi, de faire passer les lames d'élargissement 34, 35, 35' à leur position correspondant au plus grand diamètre de forage, et ce, grace à la résistance du fond et des parois du puits. Au moment de ce passage au plus grand diamètre, la soupape de distribution 51 (en même temps que l'arrêtoir), sous l'action de la partie 53 de la saillie circulaire, arrive sur la partie 54 la plus basse de la saillie.A ce moment, la soupape de distribution 51 actionnée par le ressort se place dans une autre position, dans laquelle elle isole l'espace intérieur du corps élargisseur 18 de l'espace annulaire du puits et met le conduit d'amenée d'air 10 en communication avec la chambre de mélange, ce qui provoque la circulation inverse du mélange fluide-déblais suivant le principe de l'ascension à l'air ("air-lift").

Après le nettoyage du fond de puits, qui s'effectue pendant une courte durée, on met à nouveau l'outil de forage en rotation à gauche, et les lames d'élargissement reviennent en position initiale, ce qui se vérifie par la coupure de la circulation inverse et par la sortie de bulles d'air dans l'espace annulaire du puits.

Ces indices permettent de se rendre compte que l'outil de forage est revenu en position de forage de petit diamètre.

S'il faut faire passer l'outil de forage 9 en position de forage au plus grand diamètre, on met en marche le compresseur 2, on arrête la pompe de forage 1 et on met les lames d'élargissement en position de forage au plus grand diamètre en faisant burner à gauche l'outil de forage, ce passage au plus grand diamètre étant signalé par la circulation inverse du fluide de forage. Pendant ce temps, l'arrêtoir 42 franchit la butée 36 en étant repoussé gracie au contact de sa surface extérieure avec la surface de guidage de la saillie 36.

On met alors l'outil de forage en rotation à droite et on procède, au forage de la partie aquifère 57 de grand diamètre du puits.

Pendant la circulation inverse, le fluide de forage arrive du bourbier dans le puits, passe par le train de tiges de forage 8 et la tête d'injection 3, et revient au bourbier sous forme de mélange fluide-déblais en passant par le flexible 58.

La soupape 20 (ou 27) relie alors la tête d'injection 3 à.la tubulure d'écoulement 19 (ou 32).

S'il faut passer à nouveau au forage de petit diamètre, on recommence les opérations décrites précédemment pour la mise de l'outil de forage en position de forage de petit diamètre.

Une fois le forage terminé, on remonte l'outil de forage hors du puits, après avoir fait passer les lames d'élargissement 34, 35, 35' en position de forage de petit diamètre par rotation à gauche, si la partie de fond du puits a été foré au grand diamètre.

Le forage de la partie avant du puits avec l'outil de forage de petit diamètre et avec circulation directe du fluide de forage permet d'éviter l'éboulement de la partie avant du puits grace à une augmentation de la surpression dans l'espace annulaire et à une consolidation des parois du puits par les particules argileuses de déblais et par les particules de boue de forage pénétrant dans les fissures et les pores des formations pendant le forage.

L'outil de forage de petit diamètre et la circulation directe du fluide de forage ne sont employés que pour 7 forage de la partie avant du puits et des formations improductives.

Le passage automatique de l'appareil de forage du régime de circulation directe du fluide de forage au régime de circulation inverse permet d'élargir le domaine d'application de chacun de ces procédés, en les combinant de manière à bénéficier des avantages et des caractéristiques de chaque procédé en fonction du tronçon considéré du puits de forage à obtenir. Par exemple, on fore les formations improductives avec l'outil en position de forage de petit diamètre, ce qui permet d'améliorer le rendement du forage et de diminuer les dépenses de X rage, tandis qu'on fore les couches productives avec l'outil enposition de forage de grand diamètre et avec circulation inverse du fluide de forage, ce qui augmente le débit du puits et permet d'éviter le colmatage de ses parois dans la zone des couches productives.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S

t. Appareil de forage rotatif de puits, notamment de puits producteurs d'eau et de puits de drainage, du type comprenant un train vertical (8) de tiges de forage, dont la partie inférieure est pourvue d'un outil de forage (9) et dont la partie supérieure est reliée à une tête d'injection (3) communiquant avec une pompe de forage (1) et avec un compresseur (2) assurant la circulation du fluide de forage dans le puits, caractérisé en ce que l'outil de forage (9) est muni d'un élargisseur comprenant au moins deux lames d'élargissement (12,13) rigidement solidaires d'un appui cylindrique (14) disposé excentriquement et de manière à pouvoir tourner autour des tiges de forage (15, 15') sur des parois de guidage inférieure et supérieure (17,17') de l'outil de forage (9), fixées rigidement et excentriquement sur les tiges de forage (15,15') et formant avec l'appui cylindrique (14) un corps élargisseur (18), l'appui cylindrique (14) pouvant autre bloqué, par rapport aux tiges de forage (15,15'),en au moins deux positions excentriques dans chacune desquelles les lames d'élargissement (12,13) occupent une position correspondant à un diamètre de forage différent, la tête dlnjection (3) étroit réalisée de manière à assurer une circulation directe du fluide de forage pendant le forage d'un puits de petit diamètre (56), et une circulation inverse du fluide de forage pendant le forage d'un puits de grand diamètre (57), et ce, sans qu'il soit nécessaire de remonter l'outil de forage (9) à la surface à chaque changement du type de circulation.

REVENDICATIONS
2.Appareil de forage selon la revendication 1, du type dans lequel la tête d'injection (3) est reliée à la pompe de forage (1) par l'intermédiaire d'une tubulure d'injection (4) et est munie d'une tubulure d'écoulement (19, 32), caractérisé en ce que la tête d'injection (3) est pourvue d'une soupape (20,975 réalisée sous forme d'un cylindre (21,28) renfermant un piston (22,29) et relié à la tubulure d'injection (4) et à la tubulure d'écoulement (19,32), les parois de ce cylindre étant percées d'ouver tures (23, 24, 30, 31) qui sont masquées alternativement par le piston (22,29) occupant l'une ou l'autre de deux postions correspondant,l'une, au forage avec circulation directe du fluide de forage, la tubulure d'injection (4) étant alors reliée au train de tiges de forage (8) par lSntermédiaire du cylindre (21,28) et de lête d'injection (3), et l'autre, au forage avec circulation inverse du fluide de forage, le train de tiges de forage (8) étant alors reliée à la tubulure d'écoulement (19,32) par l'intermédiaire de la tête d'injection (3) et du cylindre (21, 28).
3. Appareil de forage selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'outil de forage (9) est muni de trois lames d'élargissement (34, 35,35') sensiblement équidistantes l'une de l'autre et dont l'une est plus grande que les deux autres d'une valeur au moins égale à la valeur de l'excentricité du corps élargisseur (18), l'appui cylindrique (14) des lames d'élargissement étalltbloqué, dans l'une de ses positions, de manière que la plus grande lame d'élargissement (34) soit disposée suivant la même ligne que le plus petit diamètre de rotation du corps élargisseur (18), et que dans l'autre position elle soit disposée suivant la même ligne que le plus grand diamètre de rotation du corps élargisseur (18).
4. Appareil de forage selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que, pour permettre le blocage de l'appui cylindrique (14) des lames d'élargissement (34, 35, 35'), celui-ci contient un mécanisme de blocage (41) rigidement solidaire des tiges de forage (15,15') et comprenant un arrêtoir (42) sollicité par un ressort, la surface intérieure dudit appui cylindrique étant réalisée sous forme d'une roue à encliquetage dotée d'au moins deux butées (36, 37) diamétralement opposées et agissant sur l'arrêtoir (42), l'une (36) desdites butées étant disposée sensiblement suivant la même ligne que la plus grande lame d'élargissement (34).
5.Appareil de forage selon l'une des revendications 1 à 4, du type dans lequel le train de tiges de forage (8) est doté d'un conduit d'amenée d'air (10) dont l'une des extrémité communique avec le compresseur (2) par l'intermédiaire de la tête d'injection (3), et dont l'autre extrémité communique avec la chambre de mélange (38) pour assurer la remontée du mélange fluide-déblais suivant le principe de l'ascension à lair ou "air-lift", caractérisé en ce que la chambre de mélange (38) est disposé à l'intérieur du corps élargisseur (18) et communique avec l'espace intérieur des tiges de forage (15,15'), le conduit d'amenée d'air (10) étant en outre relié à l'espace intérieur du corps élargisseur (18) muni d'une soupape de distribution (51) qui, pour la circulation directe du fluide de forage, met le conduit d'amenée d'air (10) en communication avec l'espace intérieur du corps élargisseur (18) pour amener l'air comprimé dans l'espace annulaire du puits, et qui, pour la circulation inverse du fluide de forage, met le conduit d'amenée d'air (10) en communication avec la chambre de mélange (38) pour amener l'air comprimé dans l'espace intérieur des tiges de forage (15,15').
6. Appareil de forage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface intérieure de l'appui cylindrique (14) des lames d'élargissement (34,35,35') est munie d'une saillie circulaire comprenant au moins deux parties conjuguées (53,54) de hauteur différente, des butées (36,37) agissant sur le mécanisme de blocage (41) étant disposées dans les zones de jonction de ces deux parties, la surface extérieure de l'arrêtoir (42) du mécanisme de blocage (41) comportant une rainure (55) dans laquelle est engagée une saillie circulaire (53,54) coopérant avec ladite rainure, la soupape de distribution (51) étant disposée dans le mécanisme de blocage (41) et reliée à l'arrêtoir (42) de telle manière que lorsque l'arrêtoir (42) entre en contact avec l'une (53) des saillies, ia soupape de distribution (51) permette l'arrivée de l'air comprimé dans l'espace annulaire du puits par l'intermédiaire du corps élargisseur (18),et que lorsque ledit arrêtoir entre en contact avec l'autre saillie (54), ladite soupape assure l'arrivée de l'air comprimé dans l'espace intérieur des tiges de forage (15,15').