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procédé de forage en profondeur et Installation pour sa mise en oeuvre.
Les installations actuelles de forage comportent gé- néralement une couronne armée de diamants, fixée à l'extrémité antérieure d'un tube ou trépan dénommé "tube carottier" par les hommes du métier. Ce tube est suspendu à un arbre de transmission le reliant à un dispositif l'entraînant en rotation, disposé à la surface du terrain.
Le forage s'effectue alors par fraisage du terrain, pour les terrains friables, et par usure pour les terrains rocheux.
Au fur et à mesure de l'avance du fore on descend, dans le trou effectué, un tube destiné à retenir ses parois et à éditer les éboulements. Afin d'éviter l'usure exagérée de l'outil par échauffement, le forage est effectué en présence d'eau que l'on déverse dans le trou effectué. Il est évident que lorsque l'on désire prendre des échantillons du terrain, prélevés à différentes profondeurs, la composition de ces échantillons peut être modifiée par l'eau, les sels solubles peuvent être dissous, du moins en partie, dans l'eau déversée dans le forage.
En outre, l'arbre de transmission augmentant de longueur avec la profondeur du forage, on atteint relativement rapidement
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une profondeur pour laquelle le travail n'est plus possible, l'arbre devenant trop élastique et subissant des déformations élastiques de torsion trop considérables.
Daris le but d'éliminer ce dernier inconvénient ainsi que l'énorme manutention nécessaire pour retirer l'outil du trou foré, certains constructeurs ont proposé de laisser descendre le moteur dans le trou foré, à la suite de l'outil de forage.
A cet effet, le moteur est posé sur un épaulement aménagé à l'extrémité d'un tube, par l'ouverture inférieure duquel émerge l'outil de forage. Ce tube est suspendu à un trépied ou autre support dispose à la surface du terrain. Ce trépied présente des organes d'arrêt, interdisant un déplacement angulaire du tube, afin que le moteur prenant appui sur ce dernier, soit en mesure de fournir un couple et d'entraîner l'outil en rotation.
Les installations de ce genre connues, comportent un moteur hydraulique et un outil de forage prévu pour forer un trou de diamètre plus grand lue le tube contenant le moteur. L'eau sous pression alimentant le motsur s'échappe, en remontant extérieurement au tube. Il est clair que ces installations ne permettent pas d'extraire des échantillons de terrain intacts, c'est-à-dire qui ne soient pas délavés par l'eau d'alimentation du moteur.
En outre, le tubage des parois nécessite un énorme travail.
En effet, pour chaque nouvelle section de tube à ajouter, il faut remonter à la surface le moteur et l'outil de forage et même éventuellement le ttube dans lequel ils sont logés. Enfin, ces installations n'atteignent pas entièrement le but recherché, puisque le moteur s'appuie sur le tube dans lequel il est logé et que ce dernier subit au même titre qu'un arbre de transmission des déformations élastiques de torsion. En fait, dans ces installations, le moteur n'est qu'apparemment indépendant des organes placés à la surface du sol, puisque l'arbre de transmission rotatif a simplement été remplacé par un arbre de transmission fixe.
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La présente invention a pour objet un procédé de forage en profondeur, à partir de la surface du sol, au moyen d'au moins un outil relié mécaniquement à un dispositif d'actionnement placé dans le trou foré et reposant sur l'outil de forage, procédé qui se distingue des procédés connus par le fait que ledit dispositif d'actionnement est rendu mécaniquement indépendant de tout lien rigide le reliant à la surface du sol, en lui faisant prendre appui sur une partie des parois du forage située dans la voisinage de l'outil qu'il actionne et en le laissant descendre dans le trou foré à la suite de l'outil.
La procédé est caractérisé en ce que l'on soumet ledit outil à des chocs tendant à provoquer son enfoncement dans le terrain et qu'on actionne cet outil en rotation par intermittence.
L'invention a également pour objet une installation de forage comportant anoins un outil actionné par un moteur et destiné à la mise en oeuvre du procédé. Cette installation se distingue des installations connues par le fait que le dispositif d'actionnement de l'outil de forage est constitué par un marteau pneumatique frappant sur l'outil et un moteur rotatif relié par intermittence à l'outil au moyen d'un dispositif d'ac- couplement dont les déplacements d'engagement et de dégagement de ses parties menante et menée sont commandés par le marteau pneumatique, des moyens étant prévus en outre pour l'alimentation du dispositif d'actionnement en énergie ainsi que pour permettre sa descente dans le trou foré à la suite de l'outil et pour le retirer dudit trou.
Le dessin annexé montre d'une façon schématique et à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé.
Dans la première forme d'exécution, fig. 1 à 4: la fig. 1 montre en coupe longitudinale partielle le moteur et son outil en position de travail, dans le fond du forage; les fig. 2 à 4 sont des vues en coupe longitudinale et à
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plus grande échelle montrant le dispositif d'actionnement de l'outil.
Dans la seconde forme d'exécution, fig. 5 à la fig. 4 représente une vue en élévation de l'appareil suspendu, pour la manoeuvre; la fig. 6 représente l'appareil de fig. 5 partiellement en coupe, mais dans la position de travail, reposant -dans le fond du forage; les fig. 7 et 8, à une échelle plus grande, sont des dé- tails du dispositif de serrage et d'appui contre les parois de forage, la première en élévation et coupes partielles et la ceconde en coupe selon la ligne VIII-VIII de fig. 7.
Dans les figures représentant la première forme d'exécution, 1 désigne le trou foré, 2 un tube de retenue du terrain, destiné à éviter les éboulements des parois du trou foré, 3 désigne un outil de forage ou trépan muni à sa partie antérieure d'une couronne 4 pourvue d'outils tranchants, 5 désigne un âble de suspension, dont l'une des extrémités est attachée à un treuil (non représenté au dessin) ou autre dispositif de retenue, disposé à la surface du terrain et permettant la descente et la montée de l'appareil d'actionnement et de l'outil,
Le dispositif d'actionnement s'appuie sur la paroi du fend du forage par l'intermédiaire de l'outil de forage sur lequel 11 repose.
Ce dispositif d'actionnement comporte un moteur 6 provoquant un mouvement de va-et-vient vertical de l'outil et un moteur rotatif 7 prpvoquant un mouvement rotatif de l'outil.
La partie stationnaire de ce second moteur 7 est reliée mécaniquement à l'outil.
Dans la forme d'exécution représentée, le moteur 6 est constitué par un marteau pneumatique et le moteur rotatif par un aéromoteur 7, mais il est évident que tous autres types de moteurs, actionnés par exemple électriquement, pourraient être utilisés.
Le câble de suspension.5 est constitué par une gaine souple
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et étanche, permettant en même temps l'alimentation des moteurs en air comprimé.
L'aéromoteur 7, de construction connue,, est attaché au câ- ble 5 par l'intermédiaire d'une butée à billes 10 et présente un axe creux tixe 11 sur lequel est fixé rigidement un carter 12,,.
L'axe 11 et le carter 12 constituent la partie stationnaire du moteur. Une partie rotative 32 est pivotée sur l'axe 11 par l'intermédiaire de roulements à billes 13. Ce moteur comporte une turbine à air représentée schématiquement au dessin. Cette turbine est alimentée en air comprimé par l'axe creux 11. L'échappement s'effectue entre le carter 12 et la partie rotative 32. cette dernière constitue, en outre, un volant et une masse d'inertie..
Ce moteur étant du type connu ne sera pas décrit plus en détail ici.
Le moteur 6 est constitué par un marteau pneumatique d'un type connu. Dans la forme d'exécution représentée au dessin, fig. 2 à 4, le marteau pneumatique comporte: un piston 14 délimitant une chambre à volume variable 15 et coulissant dans un cylindre 16 de section transversale plus petite que la chambre 15.
Ce piston repose, en position de repos (tig. 2) sur une tige 17 reliée rigidement à l'outil 3. Le cylindre 16 et la chambre 15 sont pratiqués dans une pièce intermédiaire 22 reliant mécani quement l'axe 11 à l'outil 3, par l'intermédiaire de deux accouplements interdisant tout déplacement angulaire rotatif entre ledit axe et l'outil, mais permettant des déplacements axiaux entre eux l'un de ces accouplements est constitué par une partie 18 de la tige 17, présentant en coupe transversale une section de forme polygonale, coulissant dans un guide 19 de forme polygonale, @@@-
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)d::b;j;rotSXbmxpWtJVd:LU1UXcorre sponèlante, aménag4 dans l'extrémité inférieure de la pièce intermédiaire 22.
Le second de ces accouplements est constitué par une partie canelée 20 de l'axe creux 11, coulissant dans un logement 21, de forme correspondante, aménagé dans l'extrémité supérieure de la pièce intermédiaire 22.
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Cette pièce intermédiaire comporte encore un logement 23, dans lequel coulisse un tiroir 24, fixé à l'extrémité de l'axe 11. Ce tiroir relie le vide intérieur de l'axe 11 à une conduite d'admission d'air comprimé 25 aboutissant à une lumière d'admission 26 qui débouche dans une chambre annula.ire 35 à volume variable. Enfin, cette pièce intermédiaire présente encore des orifices d'échappement 27 pour l'air comprimé, destinée à mettre la chambre 15 en communication avec l'atmosphère par l'intermédiaire d'un perçage 28 du piston, et de lumières 29 pratiquées dans la paroi de ce dernier.
Un ressort 30 dont l'une des extrémités s'appuie sur l'axe creux 11 par l'intermédiaire d'une butée à billes 31 et dont la seconde extrémité s'appuie sur la pièce intermédiaire 22, tend à écarter l'une de l'autre les parties menante et menée d'un accou- plement, destinéeà relier mécaniquement la partie rotative 32 de l'aéromoteur à la pièce intermédiaire 22. Cet accouplement est constitué par un siège conique 33 pratiqué dans l'extrémité de la partie rotative 32 et une partie conique 34 formée par l'extra mite de la pièce intermédiaire 22.
Le fonctionnement de l'installation décrite ci-dessus, en référer.ce au dessin, est le suivant :
Lorsque de l'air comprimé est envoyé dans la gaine 5, l'aé- romoteur 7 est mis en rotation, c'est-à-dire que sa partie rotative 32, formant volant, tourne autour de l'axe 11. Ce dernier est maintenu contre tout déplacement angulaire par le frottement (Le l'outil reposant sur le fond duforage. En effet, cet axe 11 est relié mécaniquement à l'outil 3 par la pièce intermédiaire 22 et par deux accouplements 18 et 23 Interdisant tout déplacement angulaire rotatif entre leurs parties manante 33, et menée 34.
L'air comprimé est également admis à travers le tiroir 24, la conduite 25 et la lumière 26 dans la chambre annulaire 35, fig. 2. Dans cette figure, les organes du marteau pneumatique sont représentés dans leur position de repos.
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La pression augmentant dans cette chambre 35, provoque un déplacement axial du piston 14, en direction du haut de la fig.2.
Pendant ce mouvement ascendant du piston 14, la pièce intermédiaire 22 subit une faible poussée vers le bas. Le fond du logement 19 entre en prise avec la partie frontale de la partis 18.
L'outil est donc appliqué sur le fond du forage et se trouve ancré dans le terrain. Il s'appose donc d'autant plus efficace ment à un déplacement angulaire de l'axe 11.
Dès que le piston atteint la position représentée en fige 3, c'est-à-dire dès que les lumières 29 ont atteint la hauteur de la lumière 26, l'air comprimé est introduit dans la chambre 15. La pression augmente dans cette chambre et la section de cette cambre, limitée par le piston 14, étant beaucoup plus grande que la section de la chambre 35, limitée par ledit piston, ce dernier est repoussé violemment vers le bas. Il heurte l'extrémité de la tige 17 et le choc se répercute sur l'outil.
Lorsque la piston 14 est arrêté brusquement dans sa course descendante par la tige 17, leslumières 29 ne sont pas encore en regard des lumières d'échappement 27. En conséquence, la pression régnant dans la chambre 15 provoque un déplacement de la pièce intermédiaire 22 contre l'action du ressort 30.Les parties menante 33 et menée 34 entrent en prise, de sorte que la pièce intermédiaire 22 est entrainée en rotation par la partie rotative 32. Le mouvement de rotation est transmis à l'outil 3 par l'accouplement 18. En outre, la pièce intermédiaire 22, s'appuyant sur la partie rotative 32, formant masse d'inertie, provoque la pénétration de l'outil dans le terrain.
Toutefois, il est à remarquer que le moteur n'ayant d'autre point d'appui que l'outil, pour entraîner celui-ci en rotation, cet entraînement est uniquement obtenu par l'énergie cynétique de la partie rotative 32 qui constitue ainsi un volant, tandis que la pénétration de l'outil dans le terrain est obtenue par la pression régnant dans la chambre 15 et par la pièce intermédiaire s'appuyant sur la partie rotative 32, formant masse d'inertie.
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L'axe 11 est également entraîné en rotation par l'accou- plement 20, mais pas la gaine 5, vu que l'arbre creux 11 est attaché à la gaine 5 par l'intermédiaire de la butée à billes 10. les parties, menée 33 et menante 34, étant en prise et l'ou til enfoncé dans le terrain, la chambre 15 est mise à l'échappement tandis que la chambre 35 est alimentée en air comprimé, coznme indiqué en fige 4.
Le cycle décritci-dessus se reproduit ainsi indéfiniment et automatiquement et l'outil subit périodiquement deux actions simultanées, à savoir un couple tondant à le faire tourner sur lui-même et une poussée tendant à l'enfoncer dans le terrain.
Il est évident que grâce à ces deux actions combinées, subies simultanément par l'outil 3, celui-ci est capable de forer un trou beaucoup plus rapidement que les outils actionnés par des installations connues et il est possible d'atteindre des vitesses de forage extrêmement rapides.
On pourrait aussi prevoir, entre l'axe 11 et la pièce 22, un accouplement du genre décrit, mais comportant en outre un dispositif de sécurité de typa connu, permettant un déplacement angulaire entre ces parties menante et menée, lorsque le couple à transmettre dépasse une valeur donnée .
L'installation pourrait aussi présenter deux outils de forage constitués par des fraises tournant concentriquement et en sens inverse l'une de l'autre. Dans ce cas, l'une des fraises est actionnée en rotation, par le moteur rotatif, tandis que la seconde est entraînée par la première au moyen d'un dispositif de transmission connu, comportant par exemple un doigt engagé dans une rainure hélicoïdale.
Dans une variante d'exécution de l'installation décrite, on pourrait prévoir, attaché au carter 12, des organes destinés , par exemple sous l'effet de la pression de l'air comprimé, à âtre appliqués entre les parois latérales du forage, en vue de maintenir, contre un déplacement angulaire, la partie stationnaire du moteur rotatif. Dans ce cas, l'axe 11 et le carter 12
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étant maintenus dans une position angulaire fixe, l'accouplement 20 doit être supprimé ou dans tous les cas, être muni d'un dispositif de sécurité permettant un glissement entre les parties de l'accouplement, dès que la couple à transmettre dépasse une valeur donnée.
Cette installation présente aussi l'avantage de permettre d'enfoncer le tube protecteur 2 dans le trou foré au fur et à mesure de l'avancement du travail de forage. On évite ainsi les risques d'écoulement des parois du trou. En outre, ces parois peuvent être cimentéespar Injection de ciment sous pression au fur et à mesure de 1'avance du forage, comme dans d'autres installations de forage.
Enfin, le forage peut être effectué sans avoir recours à un refroidissement de l'outil au moyen d'eau déversée dans le forage. Il s'ensuit que ce dernier étant effectué à sec, il est possible de prélever des échantillons de terrain dont la composition n'est altérée en aucune manière, ce qui représente un énorme avantage dans le cas de forage de prospection,
Une forme d'exécution de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé de forage en terrain sec est représentée aux fig. 5 à 8.
L'appareil comporte comme parties essentielles, le moteur, le tube carottier faisant corps avec l'enclume et le dispositif de serrage et d'appui.
L'installation comporte un câble de suspension 36, retenu à la surface du sol, le long duquel descend également une conduite souple 37 pour l'amenée de l'air comprima. Le corps principal 38 de l'appareil est constitué par deux parties, savoir: un vase de sédimentation 39, dans lequel se déposent les déchets de forage 40 récoltés et d'un manchon de protection 41 isolant le marteau perforateur 42 de l'extérieur, tout en captant l'air d'échappement pour le diriger vers le tube carottier 43, en passans successivement par les lumières 44, 45 et 46, parcours indiqué au dessin par les flèches de fig. 6.
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La conduite souple 37 se prolonge par un tube rigide 47 à partir du dispositif de serrage et d'appui contre les parois de
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forage et travers le vase de sédimentation 39 jusqu'à la paroi de fcï.u 43 servant de séparation entre 1a vase et la marteau perflJratevx 1+2 noyé '.1:.:,:-.8 le Manchon de protection 4l. Li tube 47. 9.: a la. partes 49, supporte le poids de l'appareil lors- qu'il est.suspendu.
Le corps principal 38 est relié au tube carottier 43 par
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une fucmbrans tubulaire 0, en uns matière souple, assujettie au corps du moteur par l'interrnécilaire d'une bague 51 B. roulement billes .51'. afin de :p;rJ1l2ttr... à . outil 52, disposé â, l'extrémité iniérieure du tube z3, de ce déplacer axialement sous 1 im- pulsion :.les chocs ainsi que relativement.
Pour permettre le passage de l'air d'échappement dans le tube 43, la bd.gue 31 est pourvue de lumières 45, assurant ainsi
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la communication entre les lu;l1Àrs 44 du nonchon 1+1 at la mem- 'crane 50. L'espace intermédiaire entre les parties fixe 38 et rotative 51, est obstrué sur la circonférence dans le prolongemont ,la @@ paroi du manchon de protection 41 de façon connue,
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par :;:""e:1l1'1l1::1 par une chicane constituée par une bague logée librement dans des goriià en regard, aménagées dans les deux partie; en présence.
Dans cette forme d'exécution, las deux moteurs sont réunis en un marteau perforateur comportant un dispositif de rotation
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, cliquets et rampe iélicoriale d'un type connu. Le marteau frappe sur l' 81':.C:'1H.e 53 faisant corps avec le tube carottier 43, ce dernier se terminant par une fraise 52 en forme de cou- ronne garnie d'outils tranchants destinés à l'attaque du roc.
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L'air a'échappanent, sortant du moteur par une lumière g4, pénètre dans la manchon de protection 41, traverse successive-
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ment les lumières 4+, +5 et +6 et entraîne les déchets de forar, 0 :
>L dehors du tube carottier, er remontant dans l'espace com- pris entre l'appareil et la trou de forage, pour les déposer en 40, dans le vase de sédimentation 39.
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Le dispositif de serrage et d'appui contre les parois de forage, fig. 7 et 8, comporte des molettes 55, au moyen desquelles le dispositif s'agrippe contre les parois de forage.
Leurs axes 56 sont logés dans des supports 57 qui portent également les axes des galets 58 agissant sur des cames 59, appe- lées aussi des chemins de roulement, disposées sur un cadre directement relié au câble de suspension 36.
Lorsque l'appareil est suspendu, comme représenté en fig.
5, les chemins de roulement 59 maintiennent par l'entremise des galets 58 les supports 57 des molettes 55 en position de repos.
Sitôt que l'appareil repose sur la fond de forage, comme représenté en fig. 6, le cadre supportant les cames 59 est amené de haut en bas, sous la poussée du ressort 60, en s'appuyant sur la portée 61 fixée au tube 47 et libère ainsi les supports 57 des molettes 55, supports qui, sous la poussée des ressorts de compression 62 et guidés par les tiges 63 solidaires du tube 47, appliquent les molettes contre les parois deforage, de sorte que l'appareil est empêché de tourner.
Les molettes 55 sont groupées par quatre dans le sens ver- tical, le nombre de ces groupes pouvant varier entre deux et trois par dispositif.