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Procédé pour l'exécution dans le sol de forages s'étendant radialement à un puits, et machine pour la mise en oeuvre de ce procédé.
La présente invention est relative à un procédé pour l'exécution dans le sol de forages s'étendant radiale- ment à un puits, et à une machine pour la mise en oeuvre de ce procédé. Cette invention peut par exemple être appliquée au drainage des terrains, à l'abaissement du niveau des nap- pes d'eau, mais n'est pas limitée toutefois à ces applica- tions particulières.
Pour le drainage des terrains, on creuse dans le sol un puits vertical, et celui-ci est ensuite bétonné de façon étanche à l'eau. Depuis l'intérieur de ce puits, des forages rayonnant en étoile, et sensiblement horizontaux, sont poussés dans le sol environnant. Jusqu'ici, ces forages étaient effectués de la manière suivante : chacune des @
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ouvertures prévues dans la paroi du puits, on chassait dans le sol un tube, par percussion ou par pression, par exemple par pression hydraulique. Il s'agit alors d'un tube filtrant, servant à recueillir l'eau, et pourvu d'une tête de forage perforée, ce tube contenant un tube intérieur co-axial non perforé, par lequel on peut évacuer jusque dans le puits le sable et l'eau, au cours du travail de forage.
Suivant une autre proposition, on chasse dans le sol un tube à paroi plei- ne, ouvert ou fermé à son extrémité antérieure. Dans le pre- mier cas, la tête de forage, après l'achèvement de ce forage et une fois le tube filtrant mis en place, doit être chassée par une pression hydraulique créée à l'intérieur du tube, avant le retrait du tube à paroi plaine. Dans le second cas, les matériaux ameublis doivent être évacués par l'intérieur du tube au moyen d'un instrument spécial.
Dans le procédé utilisant le tube à paroi pleine, on vise à pouvoir employer un tube filtrant de section infé- rieure à celle qui serait nécessaire pour procéder au forage en résistant aux efforts de percussion ou de pression mis en jeu. Il est ainsi possible de réduire l'épaisseur de ses pa- rois, de prévoir dans celles-ci des orifices plus grands, et ainsi de diminuer le poids et le prix, en rendant ce tube filtrant mieux approprié à la fonction qu'il doit remplir.
Par contre, ce procédé connu ne permet pas d'écarter les dif- ficultés résultant de la présence dans le sol de corps étran- gers, tels que souches ou roches rendant impossible la pour- suite de l'avancement du tube, quelquefois après une courte progression. De plus, la présence d'un tel obstacle empêche de chasser la tête de forage ; a pour conséquence que le rayon d'action du drainage ne peut être déterminé d'avance avec précision. En cas de drainage insuffisant, on doit creu- ser un autre puits et poser d'autres tubes rayonnant depuis celui-ci, afin d'obtenir le débit d'eau nécessaire.
La présente invention a pour but d'écarter les inconvénients que l'on vient d'indiquer et permet d'exécuter, @
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en partant du puits, des forages susceptibles de surmonter les obstacles éventuels, de sorte que ces forages radiaux peuvent toujours présenter la longueur nécessaire pour re- cueillir toute l'eau à drainer. Suivant l'invention, le pro- cédé pour l'exécution de forages s'étendant radialement de- puis un puits consiste essentiellement dans le fait qu'un tube-enveloppe et un tube de forage tournant dans le premier, le second étant pourvu d'une tête de forage de préférence interchangeable, sont simultanément chassés dans le sol.
Outre son mouvement de rotation, on imprime au tube de forage un mouvement axial, et un courant d'eau sous pression est prévu entre le tube-enveloppe et le tube de forage, ce courant at- teignant la tête de forage pour diluer les matériaux ameublis, et les entraîner par l'intérieur du tube de forage.
Pour la mise en oeuvre du procédé, et conformément à l'invention, on utilise une machine montée sur le fond du puits, et tournant autour du centre de ce puits. Cette machi- ne comporte un tube rotatif, coulissant axialement et exten- sible, ce tube étant guidé à l'intérieur d'un tube-enveloppe également extensible, et destiné à être lui aussi chassé dans le sol. L'extrémité du premier tube est pourvue d'une tête de forage qui occupe sensiblement la section du tube-enveloppe , à l'extrémité de ce dernier. Des moyens sont prévus pour sup porter le tube de forage à l'intérieur du tube-enveloppe, le faire tourner et le déplacer axialement en un mouvement de va et vient. D'autres moyens sont encore prévus pour chasser dans le sol tant le tube-enveloppe que le tube de forage, au fur et à mesure de la progression du travail.
D'autres détails portant sur le procédé ainsi que sur la construction de la machine ressortiront de la description qui va suivre, portant sur la forme de réalisation, représentée dans les dessins annexés, d'un dispositif propre à la mise en pratique du procédé.
La fig. 1 représente le fond d'un puits muré dans lequel la machine à forer est installée et équipée des tubes
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à chasser dans le sol, ladite machine étant représentée de profil, et les tubes en coupe longitudinale.
La fig. 2 est une vue en plan de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe suivant la ligne 1-1 de la fig. 1.
Le puits 1 comporte une semelle 2 et une paroi 3 en béton, étanches à l'eau. Dans la paroi 3 cylindrique sont scellés autant de tubes de garniture 4 qu'il existe de forages radiaux devant être effectués dans le sol. Au centre de la semelle du puits est scellé un tenon 5 autour duquel le bâti 6 de la machine à forer peut tourner concentriquement à la paroi du puits. Ce bâti comporte des galets 7 permettant la rotation de la machine autour du tenon 5. Il comporte aussi des vérins 8 grâce auxquels cette machine peut être immobilisée à toute position voulue. Les galets 7 roulent sur une couronne 9 fixée à la semelle 2. Dans les portées 11 et 12 est monté tournant le tube de forage 13 comportant à une extrémité une bride 14, et dont l'autre extrémité est supportée et tourne dans le presse-étoupe 15, lequel est relié à la pièce tubulaire en T 15a.
Celle-ci, par l'intermédiaire d'un tuyau souple 16, assure le raccordement à l'aspiration d'une pompe. Le tuyau 16 peut aussi aboutir dans un bassin d'aspiration, en parti- culier dans les cas où la pompe servant à l'évacuation des matériaux doit être montée sur la semelle du puits, en raison du niveau trop bas de l'eau à épuiser.
Sur le tube 13 est montée coulissante, mais arrêtée en rotation par une clavette, une roue dentée 17 dont le dé- placement axial est empêché par des verrous 18. Cette roue 17 engrène avec la roue dentée 19 clavetée sur l'arbre 20. Celui- ci est soutenu dans les paliers 22 et 23, et porte une poulie fixe et une poulie folle désignées par 24 et 25. Sur le bâti 6 est encore fixé un cadre 27 portant deux rangées de tenons 28. Sur ces tenons 28 peuvent s'engager des leviers doubles 29 et 30, dont l'extrémité libre porte une poignée 31, et dont l'autre extrémité 33 est reliée par l'intermédiaire d'
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une boutonnière à un tenon 34 appartenant à la pièce en T 15a, laquelle est guidée dans le cadre 27 et arrêtée en rotation.
Sur la bride 4a du tube de garniture scellé 4 est boulonné le corps 42 d'une vanne au travers de laquelle,lors- que son opercule est dégagé, peut passer le tube d'appui 40.
Celui-ci comporte également une bride 40a, à son extrémité qui fait saillie à l'intérieur du puits, cette bride étant boulonnée sur le corps 42 de la vanne. Sur l'autre face de la bride 40a est fixé un presse-étoupe 43 servant à assurer l'étanchéité du tube de travail 44 coulissant, dont l'extré- mité postérieure est fermée par la bride 45. Celle-ci porte un autre presse-étoupe 46 agissant sur un prolongement 13a du tube de forage 13, traversant la bride 45. Sur cette der- nière est d'autre part raccordé un tube 47 d'introduction d'eau. A l'extrémité postérieure du tube de travail 44, immé- diatement en avant de la bride d'obturation, est prévu un joug 48 sur lequel vient agir un dispositif de traction 50 fixé aux boulons d'ancrage 49 scellés dans la paroi 3 du puits, et comportant soit des câbles, soit des chaînes, soit des tiges filetées.
Au lieu de ce dispositif de traction, on pourrait aussi utiliser deux presses hydrauliques, ou d'au- tres dispositifs équivalents. Dans le tube de travail 44 est engagé un tube-enveloppe 51 formé de deux parties raccordées par une bague de jonction 52. La première partie de ce tube s'appuie contre la face interne de la bride d'obturation 45.
Selon la longueur donnée au tube-enveloppe, le tube de forage 13 est lui aussi relié à des prolongements 13b, 13c etc... , par l'intermédiaire de manchons de raccordement 53, au delà de la portion 13a de ce tube, portant une bride. A l'extrémi- té libre de la portion antérieure 13c est fixée une tête de forage 55 dont la face avant porte un tranchant denté. Pour guider les prolongements ou rallonges du tube de forage dans le tube-enveloppe on utilise des couronnes à galets 56. Le tube d'appui 40 est environné, à l'extérieur de la paroi
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du puits, par un serpentin tubulaire 57 pouvant être raccor- dé à un dispositif de réfrigération non représenté.
L'exécution d'un forage au moyen de la machine décrite s'effectue comme suit :
La machine est montée pour pouvoir tourner sur la semelle du puits, autour du tenon 5, de façon que le tube 13 soit orienté radialement par rapport à l'axe du puits. Sur l'un des tubes de garniture 4 est boulonné le corps 42 de la vanne après quoi un tube d'appui 40 est chassé sur une lon- gueur relativement réduite dans le sol qui environne le puits ce tube est ensuite boulonné sur la bride libre de la vanne.
Le tube de travail 44 est ensuite engagé dans le tube d'appui. et le joint est assuré par le presse-étoupe 43. On engage alors dans le tube 44 un tube-enveloppe 51, et la rallonge du tube de forage 13 est elle-même introduite dans celui-ci, après quoi la tête de forage 55 est fixée à l'extrémité anté- rieure de la section 13c. Le tranchant de la tête de forage et l'extrémité antérieure du tube-enveloppe 51 se trouvent sensiblement dans le même plan, savoir, avant le début du travail, à peine au delà de la paroi du puits, comme on le voit sur la fig. 1, et encore dans la zone du sol déjà ameu- blie par l'action du tube d'appui.
Ensuite le tube de travail et le tube-enveloppe sont fermés de façon étanche, à leur extrémité postérieure, au moyen de la bride d'obturation 45, et le joint est assuré sur la rallonge 13a du tube de forage, au moyen du presse-étoupe 46.
Après ces opérations préparatoires, on fait agir le dispositif de traction 48-50, ou un dispositif de pression correspondant, de façon à déplacer le tube de travail 44 et le tube-enveloppe 51 dans le sens d'avancement, c'est-à-dire vers la gauche dans les fig. 1 et 2. En même temps, le tube de forage 13 est mis en rotation par un moteur non représenté, et disposé par exemple latéralement dans la machine, ce mo- teur agissant par l'intermédiaire de la poulie 24 et du ren- voi d'engrenages 19-17. Le mouvement de rotation de la tête
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de forage, laquelle est en même temps repoussée au moyen des leviers 29-30 dans le sens d'avancement, contre le sol encore solide, facilite l'avancement du tube-enveloppe 51 de façon très sensible.
Pour éviter le blocage, en cas d'incidents dans le forage, cette tête peut être passagèrement rappelée en arrière. On conçoit que le tube-enveloppe peut ainsi être avancé axialement sans exiger une force trop grande.
Le tube de forage rotatif joue un rôle décisif, dans l'exécution régulière des forages, lorsque par suite de la présence de roches ou d'autres obstacles plus résistants que le sol normal la poursuite de la progression d'un tube seulement animé d'un mouvement axial exigerait un effort démesurément grand, ou même impossible à fournir. Dans de tels cas, qu'il est impossible de prévoir à l'avance, mais avec lesquels on doit toujours compter, la tête de forage normale pourra être remplacée par une autre tête dont la for- me ou le métal qui la constitue seront appropriés à l'obsta- cle qu'on doit vaincre, soit en le perforant, soit en l'écar- tant. Si nécessaire, la vitesse de rotation du tube de forage pourra être accélérée ou ralentie.
Pour des raisons d'encombrement, et afin de pouvoir exercer à la main, sans fournir un effort excessif, une pres- sion d'avancement relativement élevée sur le tube de forage tout entier, y compris sa tête, le rapport des bras des le- viers 29, 30 est ainsi choisi que lorsqu'on fait jouer ceux- ci de l'angle correspondant à l'intervalle entre deux tenons 28, le déplacement axial du tube de forage dans un sens ou dans l'autre est seulement d'amplitude réduite. Cette course des leviers est toutefois suffisante pour permettre les mou- vements alternatifs d'avancement et de retrait de la tête de forage, nécessaires dans la pratique, ainsi qu'on l'a menti- onné plus haut. L'extrémité antérieure de cette tête s'écarte alors seulement sur une distance réduite de l'extrémité anté- rieure du tube-enveloppe qui l'environne.
Afin d'assurer la poursuite de la progression de la tête de forage, les deux @
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leviers 29,30 sont déplacés ensemble, de temps en temps, de l'un à l'autre des tenons 28.
Lorsqu'on a atteint les derniers tenons 28, c'est- à-dire ceux placés à l'extrémité gauche des deux rangées, dans les fig. 1 et 2, le forage a suffisamment progressé pour que l'extrémité postérieure du tube-enveloppe 51 et celle du tube de travail 44, qui suivent le déplacement axial de la tête de forage ameublissant le sol et écartant les obstacles éventuels, aient atteint la position indiquée en pointillé et désignée par 45a, position à laquelle la bride d'obturati- on 45 s'est déplacée depuis sa position indiquée en traits pleins pour arriver tout contre le presse-étoupe 43. Après avoir libéré les commandes de tous les tubes, la bride 45 est alors détachée du joug 48, et l'on libère les jonctions 53 entre les portions 13a et 13b du tube de forage.
Ce dernier est ensuite rappelé en arrière, en même temps que sa première rallonge 13a, le presse-étoupe 46 qui l'environne et la bride 45, jusqu'à leur position de départ, et l'on engage dans l'espace libre ainsi formé une nouvelle rallonge pour le tu- be de forage 13 et pour le tube-enveloppe 51. La rallonge du tube de forage est raccordée à ses deux extrémités aux élé- ments voisins, par les manchons 53. Par contre, la rallonge du tube-enveloppe est seulement raccordée à son extrémité antérieure, au moyen d'une bague de jonction 52, alors que l'extrémité postérieure de cette dernière rallonge prend simplement appui contre la bride d'obturation 45, comme pré- cédemment. La bride 45 est alors raccordée à nouveau au joug 48, qui a été ramené lui aussi à sa position de départ, après la pose des rallonges, en même temps que le tube de travail 44.
Le forage proprement dit peut être ainsi poursuivi, l'opération de forage étant continuée sur une longueur qui correspond à la course de la machine, c'est-à-dire à la lon- gueur des rallonges prévues. Les opérations ci-dessus sont répétées jusqu'à ce que le forage atteigne la longueur désirée.
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Pendant le travail, un courant d'eau est crée dans l'espace annulaire existant entre le tube-enveloppe 51 et les rallonges du tube de forage, l'eau sous pression étant amenée par le tube 47 raccordé à la bride d'obturation 45, ce tube pouvant suivre les déplacements de la bride, grâce à des rac- cords appropriés. Cette eau s'écoule jusqu'à la tête de fora- ge, dilue le bouchon qui s'y forme, et entraîne les matériaux par l'intérieur du tube de forage. En même temps, ce courant d'eau refroidit le tranchant de la tête, ce qui est important en particulier lorsqu'on fore dans des pierres, Lorsqu'on utilise une tête de forage dont l'extrémité présente une for- me légèrement conique, il faut prévoir dans celle-ci des ori- fices pour le passage de l'eau et des matériaux entraînés.
Le travail du courant d'eau peut être renforcé par un effet d'aspiration exercé par une pompe, à l'autre extrémité du tube de forage, par l'intermédiaire de la pièce tubulaire en T 15a.
Le tube de travail 44 n'est pas prolongé au fur et à mesure de la poursuite du travail, ainsi que c'est le cas pour le tube de forage ou pour le tube-enveloppe ; n'est pas destiné à pénétrer dans le sol qui environne le puits, mais a simplement pour but d'offrir par sa paroi extérieure lisse et usinée une résistance de frottement aussi réduite que possible, dans le presse-étoupe 43, et d'éviter ainsi l'usure trop rapide dans celui-ci au cours des mouvements axiaux de l'ensemble du système tubulaire.
Dans le cas de débits importants d'eau à épuiser, il peut être nécessaire de mettre en action le serpentin de réfrigération 57 pour permettre la pose des rallonges, ou l'échange de la tête de forage, la bride d'obturation 45 de- vant être alors libérée. Attendu que la congélation et le dégel du sol exigent un délai de deux jours environ, il sera judicieux de faire tourner la machine, pendant ce temps, et de la faire travailler sur un autre point de forage, jusqu'à ce que les travaux auxiliaires soient terminés au premier
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point de forage, et qu'on puisse opérer à nouveau en ce point.
Après achèvement d'un forage, lequel peut éventuel- lement être légèrement incliné, on démonte tout d'abord tou- tes les rallonges du tube de forage, y compris les couronnes à galets et la tête de forage. On introduit ensuite un tube filtrant dans le tube-enveloppe dont l'intérieur est mainte- nant libre, ce tube filtrant pouvant éventuellement être lui aussi constitué par un nombre correspondant de sections tubu- laires. Lorsque le débit d'eau n'est pas trop fort, le tube filtrant peut être engagé à la main dans le forage ouvert; autrement, on l'introduira à l'aide de la bride 45 et du dis- positif de traction ou de pression agissant sur celle-ci.
Après introduction du tube filtrant, lequel ne doit pas péné- trer dans le forage au-delà du plan de la bride 4a, le tube- enveloppe 51, le tube de travail 44 et le tube d'appui 40 sont retirés, l'opercule de la vanne est descendu dans son corps 42, et le débit de l'eau dans le tube filtrant, vers le puits, est ainsi susceptible d'être arrêté ou réglé dans la mesure désirée.
En mettant en pratique le procédé qui fait l'objet de l'invention, on assure avant tout que les forages radiaux, s'étendant horizontalement ou sensiblement horizontalement à partir d'un puits, puissent être réalisés dans la direction et jusqu'à la distance prévue, sans égard pour la nature du terrain environnant à forer. De plus, les tubes filtrants et les tubes-enveloppes n'ont pas à être prévus aussi forts qu' il le faudrait si l'on devait les chasser dans le sol exclu- sivement par un effort axial direct se traduisant par des percussions ou une pression continue.
Au lieu d'une pression régulière ou variant seule- ment d'une manière progressive, s'exerçant sur le tube de forage dans le sens de son mouvement, il est également possi- ble de concevoir un avancement saccadé de ce tube, combiné à son mouvement de rotation, comme on peut l'obtenir déjà dans une certaine mesure par une action brusque et alternati-
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ve exercée sur les leviers 29,30. Les conditions particuliè- res de chaque chantier détermineront si une telle action con- juguée de rotation et de poussée discontinue doit être envi- sagée, ces deux mouvements du tube de forage pouvant aussi être obtenus grâce à une commande mécanique. La tête de fora- ge sera elle-même établie de façon appropriée.
Bien que l'invention ait été exposée ici dans son application à l'épuisement ou drainage des eaux, ou bien à l'abaissement du niveau d'une nappe, on conçoit que le procé- dé et les dispositifs propres à sa mise en oeuvre sont sus- ceptibles d'être aussi employés au captage du pétrole, ou d'autres fluides liquides ou gazeux.