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DISPOSITIF ET PROCEDE POUR L'EXECUTION RAPIDE DE FORAGES EN TOUS TERRAINS.
Il existe plusieurs méthodes de forage adaptées à la nature du terrain que l'on désire traverser.
Dans les terrains rocheux, la perforation se fait soit par percussion à l'aide de matériel de battage à sec ou 4 l'eau, de perforatrices de mine à l'air ou à l'eau, soit par rotation en faisant appel au système rotary à l'eau claire ou à la boue, aux sondeuses avec outils à la grenaille, au carbure de wolfram ou au diamant, par exemple.
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Dans les terrains meubles,la méthode la plus communément employée est le battage à l'aide d'un,trépan soit à sec, soit avec injection d'eau, ce qui supprime la sujétion du montage et du démontage du train de sonde pour l'utilisation de la curette de nettoyage du trou de forage.
Lorsque le terrain manque de cohésion, on coffre intérieurement celui-ci à l'aide de tubes que l'on enfonce par battage simultanément ou non avec l'opération de perforation. Une autre méthode moins répandue est l'utilisation de tarières continues basées sur le principe de la vis d'Archimède. Celles-ci travaillent sans apport d'eau et donnent de très. bons résultats au point de vue avancement dans les terrains co@ rente ou non à la condition que l'on ne recherche pas la position exacte en profondeur de l'échantillon - de terrain faisant surface.
Dans le cas où le terrain présente de haut en bas des couches meubles avec ou sans cohésion alternées avec des couches rocheuses et que l'on ne désire pas pour différentes raisons (trop grandes déperditions , colmatage des arrivées d'eau, difficul. tés d'installation du matériel, etc..) utiliser la boue, une première solution dans le cas du matériel de battage, rotary, sondeuse rotative, consiste à descendre, en môme tempo que l'outil de forage, un tubage au travers des formations de consistances différentes, Il convient pour cela de prévoir au pied de la colonne de tubage un sabot dentelé faisant saillie par rapport au diamètre extérieur des tubes.
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Ce.sabot fait office de taillant annulaire et devrait jouer le même rôle que les taillants de perforatri- ces de mine actionnées à l'air comprima.
Cette solution présente les inconvénients suivants ;
1 .. Il est difficile dans certaines forma- tions de terrains de communiquer au tube un mouvement circulaire dans le but de favoriser l'attaque régu- lière du sabot dans le sol.
2 - Le choc transmis au sabot par la masse frappant sur la tête de colonne de tubage est amorti et d'autant plus que la colonne est longue où il résulte un'rendement de foration de plus en plus faible.
3 - Dans le cas de terrains ayant une force de serrage importante sur les tubes on est dans 'l'impossibilité de pousser suffisamment bas ceux-ci, ce qui oblige à utiliser des tubages télescopiques.
4 - Même dans le cas de terrains n'ayant pas une force de serrage importante sur les tubes, une fois le forage terminé, il y a toujours une certaine difficulté pour arracher ceux-ci ce qui occasionne une perte de temps importante,
5 - Il y a lieu de remarquer que l'utilisa- tion de l'un quelconque de ces matériels avec injec- tion d'eau sous pression pour faire remonter les débris de forage fait que les conditions d'humidité du ' terrain se trouvent considérablement modifiées. Si l'on a besoin de mesurer in situ la résistivité du sol en profondeur, les résultats obtenus sont absolument
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erronés.
Une deuxième solution consiste en l'emploi de tarières continues hélicoïdales équipées à leur base d'un trépan à lames qui taillent le fond du trou avant que le matériau séparé du sol ne soit repris par la rampe de la tarière.
Cette solution présente plusieurs inconvé- nients :
1- Dans les terrains hétérogènes fols que les alluvions composées d'éléments de grosseurs très diverses, l'outil arrache plutôt qu'il n'use los élé- ments, d'où la nécessité d'avoir une tarière compor- tant un pas et un largeur d'aile de l'hélice impor- tante dans le but de renentre les gros éléments, ce qui entraîna inutilement une augmentation de la puis- sance d'entraînement.
2 - La vitesse de rotation de la tarière hélicoïdale est lente po@r permettre d'obtenir avec un moteur d'entraînement de puissance raisonnable un couple élevé. Cette vitesse de rotation est incompati- ble avec.la vitesse rapide demandée par le trépan à lames pour atteindre un rendement de perforatiun élevé.
3 - Dans le but d'obtenir une avance do perforation rapide dans certaines formations de roches dures, on a intérêt à faire appel h leur fragilité donc à utiliser la percussion, Malheureusement la tarière hélicoïdale classique ne permet pas d'utiliser cette méthode,
La présente invention concerne un dispositif
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et un procédé de forage caractérisé par une tarière continue hélicoïdale perfectionnée tournant à faible vitesse à l'extrémité inférieure de laquelle tourne dans le même sens ou dans le sens inverse un outil ayant une vitesse beaucoup plus grande que celle de la tarière. Cet outil peut être animé soit d'un simple mouvement de rotation, soit deu' mouvementsrésultant de la combinaison d'une rotation et d'une percussion.
Une'injection d'eau de faible débit peut êtro faite au pied de l'outil dans le but de lubrifier celui-ci.
A cet effet, la tarière, fractionnée en éléments de longueurs variables, compatibles aveo son utilisation, assemblée soit par vissage, clavetage ou tout autre procédé d'assemblage connu, comporte une âme creuse sur laquelle est enroulée une ou plusieurs spires de faible saillie par rapport au diamètre extérieur de l'âme creuse.
L'extrémité inférieure de l'âme de la tariè- re comporte une pièce annulaire présentant sur sa face inférieure des dentelures à pans inclinés ou arrondis, c'est-à-dire des alternances de creux et de bossen pour former, par exemple, le profil que l'on obtient avec des billes d'acier ou tout autre matériau enchâssées dans la couronne à intervalles réguliers ou non.
L'extrémité supérieure de l'âme possède une tête d'entraînement susceptible d'être rendue solidaire en rotation avec un mécanisme tournant à faible vitesse.
L'outil de perforation comporte des lames
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pouvant travailler aussi bien en rotation simple qu'en rotation-percussion. Cet outil est composé de deux pièces ;une partie centrale réalisant en premier un avant-trou de centrage dans le terrain. Une partie annulaire, alésant le trou de forage à un diamètre légèrement supérieur au diamètre extérieur de la tarière hélicoïdale. Cette pièce de l'outil de travail comporte une pièce interne annulaire qui est la réplique de celle fixée sous l'âme creuse de la tarière hélicoïdale mais dont le profil à dentelures à faces inclinées ou arrondies est tourné vers le haut. Les deux pièces formant l'outil sont solidarisées par un filetage ou tout autre système assurant leur liaison.
La partie centrale de l'outil, sol .aire elle-même de la partie annulaire comme on l'a vu, est entraînée par un arbre creux, présentant par conséquent un conduit central, arbre qui tourne à l'intérieur de la tarière hélicoïdale. Une pièce intermédiaire peut être insérée entre la partie centrale de l'outil et l'arbre creux. Celle-ci a pour but de permettre à l'outil de jouir d'une possibilité de battement de haut en bas de faible amplitude sans que ce battement ne se répercute sur l'arbre d'entraînement. Cette pièce intermédiaire peut être, à titre d'exemple, analogue à l'accouplement coulissant d'un arbre et d'un moyeu cannelés. L'arbre d'entraîne- ment est fractionné en éléments de longueurs corres- pondant à celles des -éléments de la tarière.
Dans l'outil de perforation sont ménagés des trous de passage communiquant avec le conduit central de
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l'arbre d'entraînement ou de la pièce intermédiaire.
L'extrémité supérieure de l'arbre d'entraînement possè- de une pièce d'accouplement susceptible de se soli- dariser avec un mécanisme d'entraînement tournant à grande vitesse. Cette pièce est munie à sa partie supérieure d'une tête d'injection tournante qui communique par l'intermédiaire d'une tuyauterie souple avec une pompe d'injection.
En tête de l'ensemble, un système peut permettre le réglage du niveau de la tarière par rapport au niveau de l'arbre interne.
L'invention s'étend également aux procédés de mise en oeuvre du dispositif et à des détails do construction qui ressortent de la description suivante d'une forme de réalisation représentée à titre d'exemple au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 montre, vue partiellement en coupe, l'élément supérieur d'une tarière destinée à être montée sur un dispositif d'entraînement - la figure 2 représente, vu partiellement en coupe, l'élément de l'extrémité inférieure do la tarière équipé de ses outils coupants ; - la figure 3 montre un dispositif d'untral- nement dont le moteur n'a pas été représenté.
Comme cela ressort des figures 1 et 2, un acier plat 1 est enroulé en spirale de faible pas sur l'âme creuse 2 de la tarière. Le plat est assujetti à l'âme par soudure ou par tout autre procédé connu.
Pour l'emploi facile de cette tarière, celle-ci est fractionnée en éléments de plus ou moins grande
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longueur. Ceux-ci sont assemblés les uns aux autres par un accouplement à griffes 3 et encoches 4 corres- pondantes complété par une vis 5 traversant deux éléments au niveau de leur emmanchement. Bien entendu on peut faire appel à tout autre système d'assemblage connu. La base de l'âme creuse 2 du dernier élément (figure 2) est terminée à sa partie inférieure par une pièce annulaire 6 en acier traitaà haute résistan- ce présentant sur sa face inférieure une dentelure 7 dont le profil s'apparente à la denture d'une roue à rochet..
La partie supérieure de l'âme creuse possède une tête d'entraînement 8 qui, dans le cas de l'élé- ment de tête de tarière, de solidarise grâce à un manchon à rquilles boulonnées 9 avec l'arbre 10 tournant à faible vitesse d'un dispositif d'entraîne- ment tel que celui qui est représenté en figure 3.
L'outil de perforation comprend une partie centrale 11 et une partie annulaire 12. Ces deux parties portant toutes les deux à leur partie inférieure des lames 13 et 14 sont assemblées par un filetage 15 ou tout autre système connu. Elles com- portent, pour la lubrification de leurs lames, dos trous ou passages 16 communiquant avec un conduit axial 17 de la partie centrale 11. La partie centrale 11, dont la base dos lames 13 est plus basse que la base des lames 14 de la partie annulaire 12, est destinée à réaliser un avant-trou de centrage dans le terrain.
La partie centrale 11 de l'outil présente une dentelure interne annulaire 18 en acier traité à haute résistance qui est analogue à la dentelure 7
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terminant la base de l'âme creuse de la tarifera, maie s'en différenciant par le fait qu'elle est tournée vers le haut.
La partie centrale de l'outil est solidaire par un filetage ou par tout autre système d'assemblage connu d'un manchon 19 susceptible de coulisser dans l'Orne creuse 2. Ce manchon est monté à cannelures coulissantes 20 sur un arbre creuxcannelé 21 . Pour empêcher que le manchon 19 ne quitte l'arbre creux 21, une pièce d'arrêt 22 rendue solidaire du manchon cannelé 19 par filetage ou par tout autre système connu, est susceptible de se déplacer verticalement entre deux butées 23 et 24 prévues sur l'arbre creux 21 en laissant au manchon une certaine liberté do mouvement vertical. L'arbre creux cannelé 21 se solidarise à sa partie supérieure 25 par filetage ou par tout autre système connu avec un train de sonde.
Ce train de sonde pouvant tourner dans l'axe des tarières est constitué par des tiges creuses 26 assemblées les unes aux autres par manchonnage à l'aide d'un dispositif d'accouplement constitué d'ergots 27 s'engageant dans des encoches correspon- dantes 28 et de vis ou de goujons non représentés engagés dans dos trous 29 et 30 traversant les parties mâles et femelles du manchonnage, dispositif pouvant être remplacé par tout autre système connu (figure 1), La partie supérieure du train do sonde .creux (figure 1) se solidarise à l'aide du dispositif d'accouplement ci-dessus avec un autre arbre 31 qui tourne à grande vitesse dans le premier arbre du
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dispositif d'entraînement représenté en figure 3.
A cette fin, ce second arbre 31 est muni à son extrémité d'une douille percée de trous 30 et terminée par des ergots 27 correspondant aux encoches 28 de 'la partie supérieure des éléments du train de sonde,
L'un des deux arbres d'entraînement 10 et 31 est monté réglable en hauteur par rapport à l'autre, le réglage s'effectuant, par exemple, à l'aide d'un système à vis 36 et écrou 37 actionné par un volant 35.
Le conduit central dans le train de sonde communique par un conduit axial ménagé dans le second arbre et par l'intermédiaire d'un joint tournant non représenté avec une tête d'injection d'eau 32, De cet! manière, le train de sonde tournant n'entraîne pas dans son mouvement de rotation la tête d'injection 32 et le dispositif de réglage en hauteur 35,36 et 37.
Le dispositif d'entraînement représenté en figure 3 est lui-même actionné par un moteur non représenté dont l'arbre est relié soit directement, soit par l'intermédiaire d'une transmission classique on bout d'arbre d'entrée 33 du dispositif. Ce dernier est réalisé sous la forme d'un double changement ou d'un double variateur de vitesses permettant de régler indépendamment l'un de l'autre les vitesses des arbres creux concentriques de sortie 10 et 31. Ce dispositif est même prévu de telle sorte qu'il permet d'inverser le sens de rotation du train de sonde. Un levier 34 prévu sur le dispositif même permet de commander les vitesses et l'inversion du sens de rotation.
Un bâti approprié supporte le dispositif
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d'entraînement et la tarière.
L'ensemble de ce matériel de forage selon l'invention peut être rais en oeuvre selon deux procédés auxquels l'invention, s'étend également. Dans l'un, l'outil de forage travaille uniquement en rotation et' dans l'autre il travaille on rotation-percussion.
Dans le premier, la hauteur de l'arbru d'en-* traînement 31 du train do sonde est réglée par rapport à celle de la tarière de telle manière que la couronne dentelée interne 18 de l'outil ne vienne pas en contact avec la couronne dentelée 7 située sous l'âme creuse de la tarière.
En faisant tourner l'outil et la tarière à leur vitesse respective, l'outil lubrifié par l'eau d'injection sortant par les passages 16 attaque par usure le terrain en premier et le réduit en éléments fins. Ceux-ci sont repris ensuite par la tarière qui remonte ces éléments jusqu'à la surface du sol.
Si l'on désire prélever des échantillons intactes, on désolidarise la partie centrale 11 do l'outil de sa partie annulaire 12. On sort l'ensemble arbre interne 21 - outil central 11, on remplace celui-ci par un outil carottier qui vient prendre la place de l'outil central.
Dans le second procédé, la position verti- cale de l'arbre d'entraînement du train de oondo est réglée par rapport à celle de la tarière de telle manière cette fois que la couronne dentelée interne 18 de l'outil vienne en contact avec la couronne dentelée
7 située sous l'âme creuse de la tarière, En faisant
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tourner l'outil et la tarière à leur vitesse respective, les dents ou protubérances de la couronne 18 solidaire de l'outil glissent sur celles de la couronne 7 solidaire de l'âme creuse de la tarière et l'outil est alors animé de petits mouvements alter- natifs verticaux qui engendrent des chocs successifs de l'outil sur le terrain. La fréquence des coups peut être augmentée si on fait tourner l'eatil et la tarière en sens inverse.
Ces mouvements contrariés favorisent d'ailleurs la reprise du terrain broyé par la lame 1 de la tarière.
Le dispositif selon l'invention et ses procédés de mise en oeuvre qui permettent de forer dans tous les terrains présentent notamment les avantages suivants :
1- A profondeur égale par rapport aux tarières classiques cette tarière perfectionnée ne nécessite pas une puissance importante. En effet grâce aux vitesses différentes de l'outil et de la tarière on peut faire mouvoir l'outil à grande vitesse pendant que la tarière tourne à faible vitesse, tarière qui, avec un couple élevé, absorbe une puissance moyenne. L'outil réduisant les matériaux en éléments} fins, il n'est plus nécessaire d'avoir une tarière comportant un pas et une largeur d'hélice importante our remonter les matériaux, Cola entraîne une diminution de la puissance requise.
2 - Il est possible de faire appel à la percussion pour la traversée de certains terrains.
3 - L'âme creuse de la tarière qui fait
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office de tubage se meut facilement dans les terrains ayant une force de serrage importante grâce à son hélice 1 qui joue le rôle d'agitateur-malaxeur. On peut forer profondément et la remontée de l'ensemble est aisée.
4 - Les chocs successifs dans le cas de la percussion prennent leur origine au-dessus de l'outil et sont transmis directement au terrain sans qu'ils soient amortis. Ce procédé permet d'obtenir une fré- quence de chocs qui est particulièrement élevée lorsque l'outil et la tarière tournent en sens inverse, L'association de ces deux effets permet d'obtenir un rendement élevé.
5 - L'eau uniquement utilisée comme simple lubrifiant, ne servant en aucune façon à fairo remon- ter les débris du forage se tient dans un volume do terrain très restreint et de ce fait no modifie prati- quement pas la résistivité du terrain en profondeur.
6 - Il est possible, avec un simple réglage et sans qu'il soit nécessaire de démonter et do remon- ter l'ensemble, de passer, suivant le terrain à traverser, de la perforation par rotation à la perforation par rotation-percussion. Il en résulte une très grande souplesse de fonctionnement.
7 - Le dispositif peut travailler en toutes positions.