EP3645823B1 - Systeme de forage vertical de type tariere muni d'un dispositif de correction de trajectoire - Google Patents

Systeme de forage vertical de type tariere muni d'un dispositif de correction de trajectoire

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EP3645823B1
EP3645823B1 EP18730798.8A EP18730798A EP3645823B1 EP 3645823 B1 EP3645823 B1 EP 3645823B1 EP 18730798 A EP18730798 A EP 18730798A EP 3645823 B1 EP3645823 B1 EP 3645823B1
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EP
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drilling
hollow core
deviation
driving device
trajectory
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Gérard Cardona
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Soletanche Freyssinet SA
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Soletanche Freyssinet SA
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    • E21B7/022—Control of the drilling operation; Hydraulic or pneumatic means for activation or operation

Definitions

  • the present invention relates to the field of manufacturing deep foundations in soil, and in particular to the field of column support, such as piles. It also relates to the construction of foundation piles at ground level, the fabrication of watertight barriers using secant piles, and more generally the construction of any type of wall using secant or contiguous piles, regardless of the function of said wall.
  • Column or pile support refers to all types of support in which piles are installed in the ground: Parisian wall, Berlin wall, secant pile wall, contiguous pile wall, etc.
  • Piles are generally made of concrete or grout. They can also be obtained by a technique of mixing soil and a binder, generally called "soil-mixing".
  • Piles can be reinforced, for example through the use of a reinforcement cage, a tube or a metal profile.
  • a drilling rig known as a continuous auger is commonly used.
  • This rig consists of a hollow core containing a drilling tool made of a helical blade. With this type of drilling rig, the well is drilled in a single pass of the auger to the required depth. To construct the pile core, grout or concrete is injected from the lower end of the auger as it ascends.
  • Deviation generally refers to the distance between the actual position of the auger and its theoretical position at a given depth. It is usually defined as the distance between the actual and theoretical positions divided by the depth and expressed as a percentage, with the distance typically considered in a horizontal plane.
  • One aim of the present invention is to provide a well drilling system in soil that reduces the risk of deviation from the theoretical trajectory.
  • rotation means turning or pivoting the connecting element around the longitudinal axis over one or more turns, or even over a fraction of a turn, in one direction or the other.
  • column we mean any supporting element, and in particular a cast pile.
  • substantially vertical we mean a drilling direction whose deviation from the vertical is between 0° and 5°, preferably between 0° and 1°.
  • the theoretical drilling trajectory can be predetermined before the drilling operation, or determined during drilling with respect to the geometry or orientation of a neighboring column previously constructed in the ground in order to obtain two columns juxtaposed and intersecting along their common length.
  • pilot device particularly in its passive state, can rotate relative to the hollow core, either in the same direction or in the opposite direction.
  • the pilot device in its passive state, can also be prevented from rotating relative to the hollow core.
  • pilot device at least in its active state, extends axially outside the hollow core, beyond its lower end.
  • the pilot device When a deviation in the drilling trajectory from the theoretical drilling trajectory is detected by the deviation measurement device, the pilot device is activated to correct the drilling rig's trajectory. To do this, the pilot device is oriented and held relative to the ground in the angular position The correction angle is determined so that the pilot device modifies the trajectory of the hollow core during the advance of the drilling rig, in order to reduce the deviation from the theoretical drilling trajectory. "Maintaining the angular correction position" means maintaining an angular position of plus or minus 10°, preferably 5°, around said position.
  • maintaining the pilot device relative to the ground is achieved by locking the pilot device in rotation relative to the ground in the angular correction position.
  • the modification of the trajectory of movement of the hollow core is obtained by the fact that the pilot device, when moving in the ground in its active state, tends to move in a direction inclined relative to the longitudinal axis of the hollow core, which has the effect of making it rotate in a vertical plane.
  • the drilling system further comprises a second rotation device, connected to the connecting element, for rotating the connecting element and the pilot device around the longitudinal axis, the connecting element is able to rotate relative to the hollow core, and the control device is configured to actuate the second rotation device when a deviation is measured in order to bring the pilot device into its active state in said angular correction position.
  • the orientation of the pilot device to its angular correction position is achieved by the second rotation device, which rotates the connecting element relative to the ground.
  • the rotational locking of the pilot device relative to the ground is preferably achieved by the second rotation device.
  • the pilot device is returned to its passive state.
  • control device also includes a calculation device to calculate the angular position of correction from the direction of deviation determined by the measuring device.
  • said horizontal plane in which the direction of deviation extends has a frame of reference equipped with at least one axis, and the angular position of the pilot device is determined from an angle between said axis of the frame of reference and the direction of deviation.
  • the pilot device is configured to rotate in the same direction and at the same speed as the hollow core, when said pilot device is in the passive state.
  • the drilling device preferably includes a coupling device to block the rotation of the pilot device relative to the hollow core when said pilot device is in the passive state.
  • This coupling device includes, for example, a dog clutch link.
  • the second rotation device is configured to rotate the pilot device in the opposite direction to the rotation of the hollow core, when said pilot device is in the passive state.
  • Rotating the hollow core and pilot device in opposite directions prevents the drilling device's movement trajectory from changing.
  • the pilot device is also translationally mobile relative to the hollow core, the drilling system further comprising a displacement device for translationally moving the pilot device relative to the hollow core along the longitudinal axis, so that the pilot device has a deployed position and a retracted position.
  • the drilling system may or may not include the aforementioned second rotation device.
  • disengageable dog-type coupling means can be provided to rotationally couple the hollow core and the pilot device.
  • the pilot device is brought to the correction angular position by actuating the first rotation device, the pilot device then being rotationally coupled to the hollow core.
  • the pilot device is brought to the deployed position.
  • the hollow core is advanced by rotating it using the first rotation device until the pilot device is in its retracted position. In this case, the pilot device is held in its angular correction position during deployment by the displacement device.
  • the pilot device When the second rotation device is present, the pilot device is blocked from rotating - during the deployment of the pilot device - by means of the second rotation device.
  • the pilot device in its retracted position, extends slightly beyond the lower end of the hollow core.
  • the pilot device can be entirely housed within the hollow core.
  • the displacement device is configured to move the pilot device in translation relative to the hollow core by jacking, driving or vibratory driving.
  • the pilot device in its active state, the pilot device is in the deployed position, while in its passive state, the pilot device is in the retracted position.
  • the connecting element comprises a dip tube which has a lower part provided with at least one injection hole, the dip tube being connected to a fluid supply source.
  • Such a dip tube is described in particular in FR 2 566 813 and FR 2 831 205. It allows fluid to be injected into the well during the ascent of the drilling rig, in order to create the column.
  • the injection hole is located above the lower end of the hollow core when the pilot device is in the deployed position.
  • This injection hole is therefore also located above the lower end of the hollow core when the pilot device is in the retracted position.
  • the pilot device also includes an injection position in which the injection hole is located below the lower end of the hollow core.
  • the dip tube is preferably brought into the injection position by means of the displacement device which moves the pilot device downwards in translation in order to uncover the injection hole.
  • the measuring device includes a deviation sensor located in the lower part of the hollow core.
  • the deviation sensor allows the measurement of a deviation distance, considered in a horizontal plane, between the actual position of the lower end of the hollow core and the theoretical drilling trajectory, generally vertical.
  • the drilling system further includes a depth-measuring device for the drilling rig.
  • the measuring device is configured to measure the angle of deflection of the hollow core relative to a vertical direction
  • the control device is configured to bring the pilot device into its active state—for example, by activating the second rotation device—when the ratio of the deflection distance to the depth reached by the drilling rig is greater than or equal to a predetermined threshold, this threshold being potentially depth-dependent.
  • control device may be configured to operate only from a certain depth, for example 3 m.
  • the control device can be configured to activate at a depth of 3 m if a deviation greater than 2 cm is detected. Then, at a drilling depth of 15 m, the control device can be configured to activate if a deviation greater than 3 cm is detected.
  • the deviation correction of the drilling device is carried out automatically and continuously during the drilling operation.
  • drilling is carried out continuously, with alternating periods during which the drilling device moves along a trajectory deemed satisfactory, and periods during which the pilot device is locked in rotation in a defined angular position when the trajectory needs to be corrected because the deviation is greater than a predetermined threshold.
  • the drilling device is an auger, for example an auger such as described in FR 2 566 813 Or FR 2 831 205 , or any other type of continuous auger.
  • the pilot device comprises a panel inclined with respect to a vertical plane, and the direction of trajectory correction is the direction corresponding to the intersection between the inclined panel and a vertical plane orthogonal to the inclined panel.
  • the inclined face therefore acts as a kind of forward rudder, in order to modify the trajectory of movement of the hollow core during the penetration of the drilling device into the ground.
  • the pilot device is returned to its passive state.
  • the translational movement of the pilot device in the ground alters the inclination of the connecting element and the hollow core.
  • the hollow core catches up with the pilot device, which is then in a retracted position, the movement trajectory of the hollow core is corrected.
  • the pilot device is returned to its passive state and retracted position.
  • the drilling system comprises a platform 20 on which is mounted a guide mast 22 that is substantially vertical in the operating position. Mounted on this mast is a carriage 24 that can be moved vertically by means of cables 26 connected to a motor (not shown).
  • the carriage 24 carries a first rotation device 28 comprising a drill head 29 which rotates a drilling device 30 having a hollow core 32 equipped with a drilling tool 33, in this case a helical blade extending substantially along the entire length of the hollow core 32.
  • the drilling device 30 is therefore a vertical hollow-core auger.
  • the hollow core 32 extends along a longitudinal axis L which is substantially vertical.
  • a connecting element 36 which is able to rotate relative to the hollow core around the longitudinal axis L.
  • the connecting element 36 has the form of a hollow tube whose lower end is equipped with a pilot device 40, which will be described in more detail below.
  • a movable plate 42 is connected to the drill head 29 via vertical jacks 44. This plate 42, as illustrated in figure 2 , receives the upper end 36a of the connecting element 36.
  • the drilling system further comprises a second rotation device 50, which is connected to the connecting element 36, to rotate the connecting element 36 and the pilot device 40 around the longitudinal axis L.
  • the connecting element is a dip tube whose upper end is connected to a flexible conduit 52 supplying the tube with concrete or grout.
  • the first rotation device 28 includes a motor 51 for rotating the hollow core 32. Furthermore , a rotary joint 60 provides the connection through the plate 42 between the upper end of the connecting element 36 and the flexible hose 52. It is understood that the cylinders 44 allow the axial position of the connecting element 36 relative to the hollow core 32 to be changed.
  • the vertical displacement cable 26 of the drill head 29 or its drive motor, is associated with a linear displacement sensor 62 that measures the vertical displacement of the drilling device. This displacement sensor constitutes a device for measuring the depth H reached by the drilling device.
  • FIG. 3 illustrates the lower end 30b of the drilling system 30 according to a first embodiment of the invention.
  • the connecting element 36 and the hollow core 32 can be rotationally coupled, for example by a dog clutch system, so that the pilot device 40 and the drilling device 30 rotate together in the same direction, without relative rotational movement between the connecting element 36 and the core. hollow 32.
  • the pilot device 40 can be rotated , by the second rotation device 50, in a direction of rotation opposite to the direction of rotation of the hollow core 32.
  • the second rotation device 50 is also capable of blocking the rotation of the connecting element 36 relative to the ground S.
  • FIG. 4A and 4B A second embodiment of the drilling system according to the invention has been illustrated.
  • This second embodiment differs from the first in that the drilling device 30' includes a coupling device 70, in this example a dog clutch, to lock the rotation of the pilot device 40' relative to the hollow core 32'.
  • the pilot device 40' is movable in translation relative to the hollow core 32' along the longitudinal axis L.
  • the drilling system 10', the jacks 44 , and the plate 42 constitute a displacement device 43 for moving the pilot device 40' in translation relative to the hollow core 32' along the longitudinal axis L, so that the pilot device 40' is in a deployed position, illustrated in figure 4B , and a retracted position illustrated in figure 4A .
  • the pilot device 40' when the cylinders 44 are in the deployed position, the pilot device 40' is in the retracted position, while when the cylinders 44 are in the retracted position, the pilot device 40' is in the deployed position.
  • the displacement device 43 is also configured to move the pilot device 40' relative to the pilot device 32' by jacking, driving or vibrating.
  • the displacement device 43 could also be equipped with a vibrating head not shown here.
  • the connecting element comprises a dip tube, which has injection holes 65 on its lower part.
  • injection holes 65 are concealed by the hollow core 32' when the pilot device 40' is in the retracted position.
  • the injection holes 65 are also concealed by the hollow core when the pilot device is in the deployed position.
  • the pilot device can also be in an injection or concreting position, as illustrated in figure 4C in which the pilot device is further deployed so that the injection holes are exposed to allow concreting. To do this, the pilot device is moved downwards using the displacement device 43, so that the injection hole 65 is located below the lower end 32'b of the hollow core 32'. In this position, concrete is injected into the borehole, for example when raising the drilling device 30.
  • the main focus is on controlling the drilling trajectory of the drilling device.
  • the pilot device 40' has a cylindrical shape comprising a first end 40'a with a portion for attaching to the connecting element 36, and a second end portion 40'b, opposite the first end portion 40'a.
  • the second end portion 40'b has a front face with cutting teeth D that form bulges.
  • the pilot device 40' also has a face P that is inclined with respect to a plane passing through the axis A of the pilot device 40' .
  • the angle of inclination between the face P and the axis A of the pilot device 40' is referenced ⁇ on the figure 14
  • the pilot device 40' also includes projecting squares C which are part of the dog clutch system 70 described above . In this embodiment, the angle ⁇ preferably has a value between 15° and 25°.
  • the pilot device 40 according to the first embodiment has a shape similar to that of the pilot device 40' according to the second embodiment. It differs from it in particular by the fact that it lacks C squares.
  • the drilling system includes a device 80 for measuring the deviation of the hollow core 32, 32' to identify any deviation between the drilling rig's travel path and the theoretical drilling path.
  • the theoretical drilling path is a vertical path, while the drilling rig's travel path is its actual path.
  • the hollow core deviation measurement device 80 also includes a deviation sensor 82 which is located in the lower part of the hollow core.
  • the deviation measurement device 80 is also configured to determine a possible deviation direction DD of the drilling device relative to the theoretical drilling trajectory, the deviation direction being considered in a horizontal plane Q which is defined by the XY frame.
  • the pilot device 40,40' has an active state in which the pilot device 40,40' is oriented and held relative to the ground, preferably being locked in rotation relative to said ground S, in a correction angular position so as to correct the direction of movement T of the drilling device 30,30' according to a trajectory correction direction DCT considered in the horizontal plane Q.
  • the angular orientation and locking in rotation relative to the ground of the pilot device 40,40' are operated by the second rotation device 50.
  • the trajectory correction direction DCT corresponds to the intersection between the inclined panel P and a plane P' which is vertical and perpendicular to panel P. As explained above, we are interested in the projection into the horizontal plane Q of this trajectory correction direction.
  • the conformation of the pilot device 40' (as well as for the pilot device 40) has the effect that, in its active state, the pilot device 40' tends, when embedded in the ground S, to move in translation according to the trajectory correction DCT illustrated on the figure 4B This has the effect of changing the orientation of the connecting element and the hollow core. It is also understood that , depending on the angular position of the correction, considered in on a horizontal plane, it is possible to modify the DCT trajectory correction direction.
  • pilot device When said pilot device is in its passive state, it is configured to rotate in the same direction and at the same speed as the hollow core, as previously mentioned, so that it does not alter the travel path of the drilling device.
  • the second rotation device is configured to rotate the pilot device 40, 40' in the opposite direction to the direction of rotation of the hollow core 32'.
  • the pilot device 40, 40' during the use of the drilling device does not modify the trajectory of movement of the hollow core, which is why the pilot device is said to be in its passive state.
  • the pilot device 40, 40' is brought into its active state by locking its relative rotation with respect to the ground after being oriented, by the action of the second rotation device, into the angular position enabling the desired trajectory correction direction.
  • the connecting element and the hollow core pivot in a vertical plane passing through the trajectory correction direction DCT, which has the effect of bringing the longitudinal axis L of the hollow core 32, 32' back into the theoretical drilling trajectory V.
  • the drilling system 10, 10' further includes a control device 100 which is configured to actuate the second rotation device 50 when a deviation is measured by the device 80, in order to bring the pilot device 40, 40' into its active state by locking it in rotation relative to the ground in a determined angular correction position such that, considered in the horizontal plane Q, the trajectory correction direction DCT associated with the angular correction position is opposite to the direction of deviation.
  • a control device 100 which is configured to actuate the second rotation device 50 when a deviation is measured by the device 80, in order to bring the pilot device 40, 40' into its active state by locking it in rotation relative to the ground in a determined angular correction position such that, considered in the horizontal plane Q, the trajectory correction direction DCT associated with the angular correction position is opposite to the direction of deviation.
  • control device 100 is configured to bring the pilot device into its active state by actuating the first rotation device after actuating the coupling device 70.
  • the control device 100 further includes a calculation device 102 for calculating the correction angular position based on the deviation direction DD determined by the measuring device.
  • the correction angular position is determined such that the trajectory correction direction DCT is opposite to the deviation direction.
  • the control device drives the second rotation device to bring the pilot device into the desired correction angular position.
  • the deflection sensor 82 is configured to measure a distance d of deviation of the hollow core 32, 32' from a vertical direction. This distance is considered in a horizontal plane passing through the deflection sensor. Furthermore, the control device is configured to activate the second rotation device when the ratio of the deflection distance d to the depth H reached by the drilling rig is greater than or equal to a threshold that may depend on the depth reached. For example, this threshold may be 0.3%.
  • the drilling rig 30 is illustrated .
  • the longitudinal axis L of the hollow core is parallel to the theoretical drilling direction V, therefore both are vertical.
  • the pilot device 40 is in its passive state and is rotated by the second rotation device 50 in the opposite direction to the rotation of the hollow core 32.
  • the drilling device 10 is therefore introduced into the ground while rotating the hollow core 32.
  • the possible deviation of the hollow core 32 is measured using the hollow core deviation measuring device 80 in order to determine a deviation direction DD of the drilling device relative to the theoretical drilling trajectory V.
  • the pilot device 40 is located in the center of the XY coordinate system illustrated in figure 5B .
  • a deviation illustrated by a deviation distance d, is measured.
  • This deviation distance d measured at a depth H, for example 5 m, being greater than a predetermined threshold, for example 2 cm, or 0.4%, the control device pilots the second rotation device so as to bring the pilot device 40 into its active state by orienting it and then locking it in rotation relative to the ground S in a specific angular correction position such that, considered in the horizontal plane Q, the trajectory correction direction DCT associated with the angular correction position is opposite to the deviation direction DD.
  • a predetermined threshold for example 2 cm, or 0.4%
  • threshold values may be chosen by a person skilled in the art depending on the desired drilling accuracy.
  • the deviation direction DD and the trajectory correction direction DCT extend along the X axis. However , these two directions could be non-parallel.
  • the operating principle is identical.
  • the pilot device is activated by orienting and locking it relative to the ground, so that the trajectory correction direction is opposite to the detected deviation direction.
  • the trajectory correction direction (DCT) is determined to correct the verticality of the hollow core during the drilling rig's penetration into the ground.
  • This second implementation method differs from the first in that, when a deviation exceeding a predetermined threshold is measured, the pilot device 40' is brought into its active state and deployed position, as illustrated in figure 11 , for example by translation and vibratory driving. Then, the hollow core is moved relative to the ground so that its displacement follows the displacement of the pilot device, thereby correcting the verticality of the hollow core's trajectory, as illustrated in figure 12 .
  • the well drilling processes according to the first and second modes of implementation can advantageously be used in the context of a column manufacturing process, such as a pile, a process in which a fluid is injected into the well at the time of the ascent of the drilling device in order to form the column in the ground.
  • a column manufacturing process such as a pile
  • Curve GX illustrates the deviation along the X axis
  • curve GY illustrates the deviation along the Y axis
  • curve GT illustrates the total deviation of the drilling rig.
  • the pilot device remains in its passive state down to a depth of approximately 8 meters, after which it becomes active down to a depth of approximately 12 meters, where it returns to its passive state. Therefore, the maximum deviation distance is approximately 3 cm for a depth between 8 and 10 meters. In other words, during the drilling operation, the deviation, expressed as a percentage, is at most 0.375%, and thus less than the critical limit of 0.5%.

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Description

    Arrière-plan de l'invention
  • La présente invention concerne le domaine de la fabrication de fondations profondes dans un sol, et notamment le domaine du soutènement par colonnes, tels que des pieux. Elle concerne également la réalisation de pieux de fondation en arase basse, la fabrication d'écrans étanches réalisés à l'aide de pieux sécants, et plus généralement la réalisation de tout type de paroi en pieux sécants ou jointifs, quelle que soit la fonction de ladite paroi.
  • On entend par soutènement par colonnes ou pieux tous les types de soutènement pour lesquels des pieux sont installés dans le sol : paroi parisienne, paroi berlinoise, paroi en pieux sécants, paroi en pieux jointifs, etc...
  • Les pieux sont généralement constitués de béton ou de coulis. Ils peuvent également être obtenus par une technique de mélange de sol et d'un liant, généralement dénommée « soil-mixing ».
  • Les pieux peuvent être armés, par exemple grâce à l'utilisation d'une cage d'armature, d'un tube ou d'un profilé métallique.
  • Pour réaliser de tels pieux, il est connu d'utiliser un dispositif de forage dénommé tarière continue. Le dispositif de forage comporte une âme creuse comportant un outil de forage constituée d'une pale hélicoïdale. Avec ce type de dispositif de forage, le forage du puits s'effectue en une seule descente de la tarière jusqu'à la profondeur requise. Pour réaliser la colonne, on injecte le coulis ou béton depuis l'extrémité inférieure de la tarière pendant la remontée de la tarière.
  • Pour les ouvrages de soutènement, il est important de garantir la position des pieux quelle que soit leur profondeur afin de garantir la géométrie des espaces réalisés en sous-sol.
  • De même, pour des pieux de fondations dont le niveau supérieur est situé à une certaine profondeur de la plateforme de travail, la position réelle du pieu à cette profondeur doit être garantie.
  • Or, lors d'un forage réalisé à l'aide d'une tarière continue, la trajectoire de forage est souvent mal maîtrisée de sorte que l'on observe des déviations parfois importantes par rapport à la trajectoire théorique de forage, généralement verticale.
  • Par déviation, on entend généralement la distance entre la position réelle de la tarière par rapport à sa position théorique, à une profondeur donnée. Elle est généralement définie comme la distance entre la position réelle et la position théorique divisée par la profondeur et exprimée en pourcentage, la distance étant généralement considérée dans un plan horizontal.
  • Certaines tarières continues présentent des déviations pouvant atteindre 5% alors que les tolérances de déviation pour les ouvrages de soutènement sont généralement inférieures à 0.5%.
    • Objet et résumé de l'invention
  • Un but de la présente invention est de proposer un système de forage d'un puits dans un sol permettant de diminuer le risque de déviation par rapport à la trajectoire théorique.
  • Pour ce faire, l'invention porte sur un système de forage d'un puits dans un sol selon une trajectoire de forage théorique sensiblement verticale, caractérisé en ce qu'il comporte :
    • un dispositif de forage comportant une âme creuse ayant un axe longitudinal, l'âme creuse étant munie d'un outil de forage;
    • un premier dispositif de mise en rotation pour mettre en rotation, autour de l'axe longitudinal, l'âme creuse et l'outil de forage ;
    • un élément de liaison s'étendant à l'intérieur de l'âme creuse ; l'élément de liaison comportant un tube plongeur qui présente une partie inférieure munie d'au moins un trou d'injection, le tube plongeur étant relié à une source d'alimentation en fluide ;
    • un dispositif pilote disposé à l'extrémité inférieure de l'élément de liaison et comportant un pan incliné par rapport à un axe du dispositif pilote ; le dispositif pilote présentant :
      • un état actif dans lequel le dispositif pilote est orienté et maintenu par rapport au sol dans une position angulaire de correction, de façon à corriger la trajectoire de déplacement du dispositif de forage selon une direction de correction de trajectoire considérée dans un plan horizontal, la direction de correction de la trajectoire étant la direction correspondant à l'intersection entre le pan incliné et un plan vertical orthogonal au pan incliné, et
      • un état passif dans lequel le dispositif pilote ne modifie pas la trajectoire de déplacement du dispositif de forage ;
    • un dispositif de mesure de déviation de l'âme creuse pour identifier une éventuelle déviation entre la trajectoire de déplacement du dispositif de forage et la trajectoire de forage théorique et déterminer une direction de déviation du dispositif de forage par rapport à la trajectoire de forage théorique, ladite direction de déviation étant considérée dans le plan horizontal ;
    • un dispositif de commande configuré pour, lorsqu'une déviation est mesurée, amener le dispositif pilote dans son état actif dans une position angulaire de correction déterminée de telle sorte que, considérées dans le plan horizontal, la direction de correction de trajectoire associée à la position angulaire de correction soit opposée à la direction de déviation.
  • Au sens de l'invention, par mise en rotation, on entend le fait de tourner ou de pivoter l'élément de liaison autour de l'axe longitudinal sur un ou plusieurs tours, ou bien encore sur une fraction de tour, dans un sens ou dans l'autre.
  • Par colonne, on entend tout élément de soutènement, et notamment un pieu moulé.
  • Par sensiblement vertical, on entend une direction de forage dont la déviation par rapport à la verticale est comprise entre 0° et 5°, de préférence entre 0° et 1°.
  • Au sens de l'invention, la trajectoire de forage théorique peut être prédéterminée avant l'opération de forage, ou bien déterminée en cours de forage par rapport à la géométrie ou l'orientation d'une colonne voisine préalablement construite dans le sol afin d'obtenir deux colonnes juxtaposées et sécantes selon leur longueur commune.
  • On comprend que le dispositif pilote, notamment dans son état passif, peut tourner par rapport à l'âme creuse, dans le même sens ou dans un sens opposé. Sans sortir du cadre de la présente invention, dans son état passif, le dispositif pilote peut également être bloqué en rotation par rapport à l'âme creuse.
  • On comprend également que le dispositif pilote, au moins dans son état actif, s'étend axialement à l'extérieur de l'âme creuse, au-delà de son extrémité inférieure.
  • Lorsqu'une déviation de la trajectoire de déplacement par rapport à la trajectoire de forage théorique est détectée par le dispositif de mesure de déviation, le dispositif pilote est amené dans son état actif afin de corriger la trajectoire du dispositif de forage. Pour ce faire, le dispositif pilote est orienté et maintenu par rapport au sol dans la position angulaire de correction, cette dernière étant déterminée de sorte que le dispositif pilote modifie la trajectoire de l'âme creuse lors de l'avancée du dispositif de forage, afin de réduire la déviation par rapport à la trajectoire de forage théorique. Par « maintien dans la position angulaire de correction », on entend un maintien angulaire de plus ou moins 10°, de préférence 5°, autour de ladite position.
  • De préférence, le maintien du dispositif pilote par rapport au sol est réalisé en bloquant en rotation le dispositif pilote par rapport au sol dans la position angulaire de correction.
  • La modification de la trajectoire de déplacement de l'âme creuse est obtenue par le fait que le dispositif pilote lors de son déplacement dans le sol dans son état actif, tend à se déplacer selon une direction inclinée par rapport à l'axe longitudinal de l'âme creuse, ce qui a pour effet de la faire pivoter dans un plan vertical.
  • Selon un mode de réalisation avantageux, le système de forage comporte en outre un deuxième dispositif de mise en rotation, relié à l'élément de liaison, pour mettre en rotation l'élément de liaison et le dispositif pilote autour de l'axe longitudinal, l'élément de liaison est apte à tourner par rapport à l'âme creuse, et le dispositif de commande est configuré pour actionner le deuxième dispositif de mise en rotation lorsqu'une déviation est mesurée afin d'amener le dispositif pilote dans son état actif dans ladite position angulaire de correction.
  • Dans ce mode de réalisation, l'orientation du dispositif pilote dans sa position angulaire de correction est donc réalisée par le deuxième dispositif de mise en rotation qui fait pivoter l'élément de liaison par rapport au sol. Le blocage en rotation par rapport au sol du dispositif pilote est préférentiellement réalisé par le deuxième dispositif de mise en rotation.
  • Une fois que la trajectoire a été corrigée, le dispositif pilote est ramené dans son état passif.
  • Par « opposée à la direction de déviation », on entend que la direction de correction de trajectoire est dirigée dans un sens opposé au sens de la déviation, sans que la direction de correction soit nécessairement parallèle à la direction de déviation.
  • Avantageusement, le dispositif de commande comporte en outre un dispositif de calcul pour calculer la position angulaire de correction à partir de la direction de déviation déterminée par le dispositif de mesure.
  • De préférence, ledit plan horizontal dans lequel s'étend la direction de déviation présente un repère muni d'au moins un axe, et la position angulaire du dispositif pilote est déterminée à partir d'un angle entre ledit axe du repère et la direction de déviation.
  • Selon un premier exemple de réalisation, le dispositif pilote est configuré pour tourner dans le même sens et à la même vitesse que l'âme creuse, lorsque ledit dispositif pilote est dans l'état passif.
  • Pour ce faire, le dispositif de forage comporte de préférence un dispositif de couplage pour bloquer la rotation du dispositif pilote par rapport à l'âme creuse lorsque ledit dispositif pilote est dans l'état passif.
  • Ce dispositif de couplage comporte par exemple une liaison crabot.
  • Selon un deuxième exemple de réalisation, le deuxième dispositif de mise en rotation est configuré pour faire tourner le dispositif pilote dans le sens inverse du sens de rotation de l'âme creuse, lorsque ledit dispositif pilote est dans l'état passif.
  • La rotation en sens inverse de l'âme creuse et du dispositif pilote a pour effet d'éviter de modifier la trajectoire de déplacement du dispositif de forage.
  • Selon un autre mode de réalisation de réalisation, le dispositif pilote est également mobile en translation par rapport à l'âme creuse, le système de forage comportant en outre un dispositif de déplacement pour déplacer en translation le dispositif pilote par rapport à l'âme creuse selon l'axe longitudinal, de sorte que le dispositif pilote présente une position déployée et une position rétractée.
  • Dans cet autre mode de réalisation, le système de forage peut comporter, ou pas, le deuxième dispositif de mise en rotation précité. Dans la variante dans laquelle le deuxième dispositif de mise en rotation est absent, on peut prévoir des moyens de couplage débrayables de type crabot afin de coupler en rotation l'âme creuse et le dispositif pilote. Dans ce cas, le dispositif pilote est amené dans la position angulaire de correction en actionnant le premier dispositif de mise en rotation, le dispositif pilote étant alors couplé en rotation avec l'âme creuse. Pour corriger la trajectoire, on amène le dispositif pilote en position déployée après avoir désactivé les moyens de couplage, puis on fait avancer l'âme creuse en l'entrainant en rotation grâce au premier dispositif de mise en rotation, jusqu'à amener le dispositif pilote en position rétractée. Dans ce cas, le dispositif pilote est maintenu dans sa position angulaire de correction, pendant le déploiement, par le dispositif de déplacement.
  • Lorsque le deuxième dispositif de mise en rotation est présent, le dispositif pilote est bloqué en rotation - pendant le déploiement du dispositif pilote - grâce au deuxième dispositif de mise en rotation.
  • De préférence, en position rétractée, le dispositif pilote s'étend légèrement au-delà de l'extrémité inférieure de l'âme creuse. En variante, le dispositif pilote peut être entièrement logé dans l'âme creuse.
  • Avantageusement, le dispositif de déplacement est configuré pour déplacer en translation le dispositif pilote par rapport à l'âme creuse par vérinage, battage ou vibrofonçage.
  • De préférence, dans son état actif, le dispositif pilote est en position déployée, tandis que, dans son état passif, le dispositif pilote est en position rétractée.
  • Selon l'invention, l'élément de liaison comporte un tube plongeur qui présente une partie inférieure munie d'au moins un trou d'injection, le tube plongeur étant relié à une source d'alimentation en fluide.
  • Un tel tube plongeur est notamment décrit dans FR 2 566 813 et FR 2 831 205. Il permet d'injecter du fluide dans le puits lors de la remontée du dispositif de forage, afin de fabriquer la colonne.
  • De préférence, le trou d'injection est disposé au-dessus de l'extrémité inférieure de l'âme creuse lorsque le dispositif pilote est en position déployée. Ce trou d'injection est donc également disposé au-dessus de l'extrémité inférieure de l'âme creuse lorsque le dispositif pilote est en position rétractée. Le dispositif pilote comporte par ailleurs une position d'injection dans laquelle le trou d'injection se trouve en-dessous de l'extrémité inférieure de l'âme creuse.
  • Le tube plongeur est de préférence amené en position d'injection grâce au dispositif de déplacement qui déplace en translation vers le bas le dispositif pilote afin de découvrir le trou d'injection.
  • Avantageusement, le dispositif de mesure comporte un capteur de déviation disposé en partie inférieure de l'âme creuse.
  • Le capteur de déviation permet de mesurer une distance de déviation, considérée dans un plan horizontal, entre la position réelle de l'extrémité inférieure de l'âme creuse et la trajectoire théorique de forage, généralement verticale.
  • Avantageusement, le système de forage comporte en outre un organe de mesure de la profondeur atteinte par le dispositif de forage, le dispositif de mesure est configuré pour mesurer un angle de déviation de l'âme creuse par rapport à une direction verticale, et le dispositif de commande est configuré pour amener le dispositif pilote dans son état actif - par exemple en actionnant le deuxième dispositif de mise en rotation - lorsque le rapport de la distance de déviation sur la profondeur atteinte par le dispositif de forage est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé, ce seuil pouvant dépendre de la profondeur
  • En outre, sans sortir du cadre de la présente invention, le dispositif de commande pourra être configuré pour fonctionne qu'à partir d'une certaine profondeur, par exemple 3 m.
  • A titre d'exemple, si le puits a une profondeur souhaitée de 20 m, le dispositif de commande pourra être configuré pour être actionné à partir de 3 m dans le cas où une distance de déviation supérieure à 2 cm est détectée. Puis, à partir d'une profondeur de forage de 15 m, le dispositif de commande pourra être configuré pour être actionné dans le cas où une distance de déviation supérieure à 3 cm est détectée.
  • Ainsi, la correction de déviation du dispositif de forage est réalisée de manière automatique et continue pendant l'opération de forage.
  • Avantageusement, le forage s'effectue en continu, avec une alternance de moments pendant lesquels le dispositif de forage se déplace avec une trajectoire jugée satisfaisante, et de moments pendant lesquels le dispositif pilote est bloqué en rotation dans une position angulaire définie lorsque la trajectoire doit être corrigée au motif que la déviation est supérieure à un seuil prédéterminée.
  • Avantageusement, le dispositif de forage est une tarière, par exemple une tarière telle que décrite dans FR 2 566 813 ou FR 2 831 205 , ou tout autre type de tarière continue.
  • Selon la présente invention, le dispositif pilote comporte un pan incliné par rapport à un plan vertical, et la direction de correction de la trajectoire est la direction correspondant à l'intersection entre le pan incliné et un plan vertical orthogonal au pan incliné.
  • Le pan incliné agit donc comme une sorte de safran avant, afin de modifier la trajectoire de déplacement de l'âme creuse lors de la pénétration du dispositif de forage dans le sol.
  • L'invention porte également sur un procédé de forage d'un puits dans un sol selon une trajectoire de forage théorique, caractérisé en ce que :
    • on fournit un système de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes ;
    • on introduit le dispositif de forage dans le sol tout en mettant en rotation l'âme creuse, le dispositif pilote étant dans son état passif ;
    • on mesure la déviation de l'âme creuse afin de déterminer une direction de déviation du dispositif de forage par rapport à la trajectoire de forage théorique ;
    • lorsqu'une déviation supérieure à un seuil prédéterminé est mesurée, on amène le dispositif pilote dans son état actif en l'orientant et le maintenant par rapport au sol dans une position angulaire de correction déterminée de telle sorte que, considérées dans un plan horizontal, la direction de correction de trajectoire associée à la position angulaire de correction soit opposée à la direction de déviation.
  • On poursuit l'introduction du dispositif de forage dans le sol et le dispositif pilote, dans son état actif, a pour effet de faire pivoter l'âme creuse de manière à la faire revenir vers la trajectoire de forage théorique.
  • Si la déviation mesurée redevient inférieure au seuil prédéterminé, on ramène le dispositif pilote dans son état passif.
  • Avantageusement, lorsqu'une déviation est mesurée :
    • on amène le dispositif pilote dans son état actif en orientant et en maintenant par rapport au sol le dispositif pilote dans une position angulaire de correction déterminée de telle sorte que, considérées dans un plan horizontal, la direction de correction de trajectoire associée à la position angulaire de correction soit opposée à la direction de déviation ;
    • on amène le dispositif pilote dans sa position déployée ;
    • on déplace l'âme creuse par rapport au sol de sorte que le déplacement de l'âme creuse suit le déplacement du dispositif pilote.
  • Le déplacement en translation du dispositif pilote dans le sol a pour effet de modifier l'inclinaison de l'élément de liaison et de l'âme creuse. Lorsque l'âme creuse a rattrapé le dispositif pilote, ce dernier se trouvant alors en position rétractée, la trajectoire de déplacement de l'âme creuse est corrigée.
  • Là-encore, lorsque la déviation mesurée est inférieure au seuil prédéterminé, on ramène le dispositif pilote dans son état passif et en position rétractée.
    • Brève description des dessins
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue d'ensemble d'un système de forage selon la présente invention ;
    • la figure 2 est une vue de détail de la partie supérieure du système de forage de la figure 1 ;
    • la figure 3 est une vue de détail montrant la partie inférieure du dispositif de forage et le dispositif pilote selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 4A est une vue de détail montrant la partie inférieure du dispositif de forage et le dispositif pilote selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le dispositif pilote étant en position rétractée ;
    • la figure 4B est une vue de détail du dispositif de forage de la figure 4A , le dispositif pilote étant en position déployée ;
    • la figure 4C illustre le tube plongeur en position d'injection ;
    • la figure 5A illustre le système de forage selon un premier mode de réalisation de l'invention, en cours de forage, la trajectoire n'étant pas déviée ;
    • la figure 5B est une projection dans le plan horizontal XY de l'extrémité inférieure du dispositif de forage de la figure 5A ;
    • la figure 6A illustre le système de forage de la figure 5A , le dispositif de forage ayant dévié par rapport à la trajectoire théorique verticale, le dispositif pilote étant dans son état actif afin de corriger la déviation ;
    • la figure 6B est une projection dans le plan horizontal XY de l'extrémité inférieure du dispositif de forage de la figure 6A ;
    • la figure 7A illustre le système de forage de la figure 6A après correction de la trajectoire ;
    • la figure 7B est une projection dans le plan horizontal XY de l'extrémité inférieure du dispositif de forage de la figure 7A ;
    • la figure 8 illustre une projection dans le plan horizontal XY de l'extrémité inférieure du dispositif de forage lorsque ce dernier a subi une déviation selon les axes X et Y ;
    • les figures 9 à 12 illustrent un procédé de forage mis en œuvre par le système de forage selon le deuxième mode de réalisation, illustrant une correction de trajectoire après détection de déviation ;
    • la figure 13 est une vue en perspective d'un dispositif pilote du système de forage selon l'invention ;
    • la figure 14 est une vue de côté du dispositif pilote de la figure 13 ;
    • la figure 15 est un diagramme illustrant la trajectoire réelle du système de forage de la figure 1 lors d'une opération de forage ; et
    • la figure 16 est une variante du système de forage de la figure 2 dépourvue de deuxième dispositif de mise en rotation.
    Description détaillée de l'invention
  • En se référant tout d'abord aux figures 1 et 2 , on va décrire un système de forage 10 de puits 9 dans un sol S, conforme à la présente invention, pour la fabrication de colonnes, tels que des pieux moulés.
  • Le système de forage comprend une plateforme 20 sur laquelle est monté un mât de guidage 22 qui est sensiblement vertical en position d'utilisation. Sur ce mât est monté mobile en translation verticale un chariot 24 qui peut être déplacé par l'intermédiaire de câbles 26 associés à un moteur non représenté. Le chariot 24 porte un premier dispositif de mise en rotation 28 comprenant une tête de forage 29 permettant la mise en rotation d'un dispositif de forage 30 comportant une âme creuse 32 munie d'un outil de forage 33, en l'espèce une pale hélicoïdale s'étendant sensiblement sur toute la longueur de l'âme creuse 32. Dans cet exemple, le dispositif de forage 30 est donc une tarière verticale à âme creuse.
  • On constate que l'âme creuse 32 s'étend selon un axe longitudinal L qui est sensiblement vertical.
  • A l'intérieur de l'âme creuse 32 du dispositif de forage 30 est monté libre un élément de liaison 36 qui est apte à tourner par rapport à l'âme creuse autour de l'axe longitudinal L.
  • Dans cet exemple, l'élément de liaison 36 présente la forme d'un tube creux dont l'extrémité inférieure est équipée d'un dispositif pilote 40, qui sera décrit plus en détail ci-après.
  • Une plaque mobile 42 est reliée à la tête de forage 29 par l'intermédiaire de vérins verticaux 44. Cette plaque 42, comme illustré en figure 2 , reçoit l'extrémité supérieure 36a de l'élément de liaison 36. Dans ce mode de réalisation, le système de forage comporte en outre un deuxième dispositif de mise en rotation 50, qui est relié à l'élément de liaison 36, pour mettre en rotation l'élément de liaison 36 et le dispositif pilote 40 autour de l'axe longitudinal L.
  • Dans cet exemple, l'élément de liaison est un tube plongeur dont l'extrémité supérieure est raccordée à une conduite souple 52 d'alimentation du tube en béton ou en coulis.
  • Comme le montre la figure 2 , le premier dispositif de mise en rotation 28 comporte un moteur 51 de mise en rotation de l'âme creuse 32. En outre, un joint tournant 60 assure la liaison à travers la plaque 42 entre l'extrémité supérieure de l'élément de liaison 36 et la conduite souple 52. On comprend que les vérins 44 permettent de modifier la position axiale de l'élément de liaison 36 par rapport à l'âme creuse 32. En outre, le câble 26 de déplacement vertical de la tête de forage 29 ou son moteur à entraînement est associé à un capteur de déplacement linéaire 62 qui permet de mesurer le déplacement vertical du dispositif de forage. Ce capteur de déplacement constitue un dispositif de mesure de la profondeur H atteinte par le dispositif de forage.
  • La figure 3 illustre l'extrémité inférieure 30b du système de forage 30 selon un premier mode de réalisation de l'invention.
  • Dans la phase courante de forage du puits 9, l'élément de liaison 36 et l'âme creuse 32 peuvent être solidaires en rotation, par exemple par un système à crabots, de sorte que le dispositif pilote 40 et le dispositif de forage 30 tournent ensemble dans le même sens, sans mouvement relatif de rotation entre l'élément de liaison 36 et l'âme creuse 32. Selon une autre variante, illustrée en figure 3 , le dispositif pilote 40 peut être mis en rotation, par le deuxième dispositif de mise en rotation 50, selon un sens de rotation opposé au sens de rotation de l'âme creuse 32. Comme il sera expliqué plus en détail ci-dessous, le deuxième dispositif de mise en rotation 50 est également apte à bloquer la rotation de l'élément de liaison 36 par rapport au sol S.
  • Sur les figures 4A et 4B , on a illustré un deuxième mode de réalisation du système de forage selon l'invention. Ce deuxième mode de réalisation se distingue du premier par le fait que le dispositif de forage 30' comporte un dispositif de couplage 70, dans cet exemple un crabot, pour bloquer la rotation du dispositif pilote 40' par rapport à l'âme creuse 32'. On constate également que le dispositif pilote 40' est mobile en translation par rapport à l'âme creuse 32' selon l'axe longitudinal L. Le système de forage 10', les vérins 44 et la plaque 42 constituent un dispositif de déplacement 43 pour déplacer en translation le dispositif pilote 40' par rapport à l'âme creuse 32' selon l'axe longitudinal L, de sorte que le dispositif pilote 40' présente une position déployée, illustrée en figure 4B , et une position rétractée illustrée en figure 4A .
  • Aussi, lorsque les vérins 44 sont en position déployée, le dispositif pilote 40' est en position rétractée, tandis que lorsque les vérins 44 sont en position rentrée, le dispositif pilote 40' est en position déployée.
  • Le dispositif de déplacement 43 est par ailleurs configuré pour déplacer le dispositif pilote 40' par rapport au dispositif pilote 32' par vérinage, battage ou vibrofonçage.
  • Pour ce faire, le dispositif de déplacement 43 pourrait également être équipé d'une tête vibrante non illustrée ici.
  • Dans cet exemple, l'élément de liaison comprend un tube plongeur, qui est muni en sa partie inférieure, de trous d'injection 65 qui sont masqués par l'âme creuse 32' lorsque le dispositif pilote 40' est en position rétractée. De préférence, les trous d'injection 65 sont également masqués par l'âme creuse lorsque le dispositif pilote est en position déployée. Dans ce cas, le dispositif pilote peut aussi présenter une position d'injection ou de bétonnage, illustrée en figure 4C , dans laquelle le dispositif pilote est davantage déployé de sorte que les trous d'injections soient découverts afin de permettre le bétonnage. Pour ce faire, le dispositif pilote est déplacé en translation vers le bas grâce au dispositif de déplacement 43, de sorte que le trou d'injection 65 se trouve en-dessous de l'extrémité inférieure 32'b de l'âme creuse 32'. Dans cette position, on injecte du béton dans le forage, par exemple lors de la remontée du dispositif de forage 30.
  • Pour une explication plus précise de l'utilité des trous d'injection 65, on pourra se référer au document FR 2 831 205 qui décrit en détail le procédé de fabrication d'un pieu à l'aide d'une tarière continue.
  • Sur la figure 16 , on a illustré une variante du deuxième mode de réalisation, dans laquelle le système de forage est dépourvu de deuxième dispositif de mise en rotation. Dans ce cas, la mise en rotation du dispositif pilote est réalisée par le premier dispositif de mise en rotation 51 après que l'élément de liaison est couplé en rotation par le dispositif de couplage 70 avec l'âme creuse.
  • Dans la présente invention, on s'intéresse principalement au contrôle de la trajectoire de forage du dispositif de forage.
  • A l'aide des figures 13 et 14 , on va maintenant décrire de façon plus détaillée le dispositif pilote 40' du système de forage 10' selon le deuxième mode de réalisation de la présente invention.
  • Le dispositif pilote 40' présente une forme cylindrique comprenant une première extrémité 40'a munie d'une portion de fixation à l'élément de liaison 36, et une seconde partie d'extrémité 40'b, opposée à la première partie d'extrémité 40'a. La deuxième partie d'extrémité 40'b comprend une face frontale munie de dents de coupe D qui forment des renflements. Le dispositif pilote 40' comporte par ailleurs un pan P qui est incliné par rapport à un plan passant par l'axe A du dispositif pilote 40'. L'angle d'inclinaison entre le pan P et l'axe A du dispositif pilote 40' est référencé α sur la figure 14 . Le dispositif pilote 40' comporte par ailleurs des carrés C en saillie qui font partie du système à crabot 70 décrit ci-dessus. Dans ce mode de réalisation, l'angle α présente une valeur comprise de préférence entre 15° et 25°.
  • La fonction de cette forme spécifique du dispositif pilote 40' sera explicitée ci-dessous.
  • On précise que le dispositif pilote 40 selon le premier mode de réalisation présente une forme similaire à celle du dispositif pilote 40' selon le deuxième mode de réalisation. Il s'en distingue notamment par le fait qu'il est dépourvu de carrés C.
  • Quel que soit le mode de réalisation considéré, le système de forage comporte un dispositif 80 de mesure de déviation de l'âme creuse 32, 32' pour identifier une éventuelle déviation entre la trajectoire de déplacement du dispositif de forage et la trajectoire de forage théorique. Dans cet exemple, la trajectoire de forage théorique est une trajectoire verticale, la trajectoire de déplacement dudit dispositif de forage étant la trajectoire réelle du dispositif de forage.
  • Le dispositif 80 de mesure de déviation de l'âme creuse comporte par ailleurs un capteur de déviation 82 qui est disposé en partie inférieure de l'âme creuse.
  • Le dispositif 80 de mesure de déviation est par ailleurs configuré pour déterminer une éventuelle direction de déviation DD du dispositif de forage par rapport à la trajectoire de forage théorique, la direction de déviation étant considérée dans un plan horizontal Q qui est défini par le repère XY.
  • Par ailleurs, conformément à l'invention, le dispositif pilote 40,40' présente un état actif dans lequel le dispositif pilote 40, 40' est orienté et maintenu par rapport au sol, en étant de préférence bloqué en rotation par rapport audit sol S, dans une position angulaire de correction de façon à corriger la direction de déplacement T du dispositif de forage 30, 30' selon une direction de correction de trajectoire DCT considérée dans le plan horizontal Q. L'orientation angulaire et le blocage en rotation par rapport au sol du dispositif pilote 40,40' sont opérées par le deuxième dispositif de mise en rotation 50.
  • Comme illustré en figure 4B , la direction de correction de trajectoire DCT correspond à l'intersection entre le pan incliné P et un plan P' qui est vertical et perpendiculaire au pan P. Comme expliqué ci-dessus, on s'intéresse à la projection dans le plan horizontal Q de cette direction de correction de trajectoire.
  • En se référant à la figure 4B , on conçoit que la conformation du dispositif pilote 40' (de même que pour le dispositif pilote 40) a pour effet que, dans son état actif, le dispositif pilote 40' a tendance, lorsqu'il est enfoncé dans le sol S, à se déplacer en translation selon la correction de trajectoire DCT illustrée sur la figure 4B , ce qui a pour effet de modifier l'orientation de l'élément de liaison et de l'âme creuse. On comprend également que, selon la position angulaire de correction, considérée dans un plan horizontal, il est possible de modifier la direction de correction de trajectoire DCT.
  • Lorsque ledit dispositif pilote est dans son état passif, il est configuré pour tourner dans le même sens et à la même vitesse que l'âme creuse, comme mentionné précédemment, de sorte qu'il ne modifie pas la trajectoire de déplacement du dispositif de forage.
  • En variante, lorsque ledit dispositif pilote est dans l'état passif, le deuxième dispositif de mise en rotation est configuré pour faire tourner le dispositif pilote 40, 40' dans le sens inverse du sens de rotation de l'âme creuse 32'.
  • Selon l'une ou l'autre de ces variantes, le dispositif pilote 40, 40' en cours d'utilisation du dispositif de forage ne modifie pas la trajectoire de déplacement de l'âme creuse, raison pour laquelle on dit que le dispositif pilote est dans son état passif.
  • Le dispositif pilote 40, 40' est amené dans son état actif en bloquant son mouvement de rotation relatif par rapport au sol après l'avoir orienté, grâce à l'action du deuxième dispositif de mise en rotation, dans la position angulaire permettant d'obtenir la direction de correction de trajectoire souhaitée. Lors de la poursuite de l'introduction du dispositif de forage, l'élément de liaison et l'âme creuse pivote dans un plan vertical passant par la direction de correction de trajectoire DCT, ce qui a pour effet de ramener l'axe longitudinal L de l'âme creuse 32, 32' selon la trajectoire de forage théorique V.
  • Le système de forage 10, 10' comporte, en outre, un dispositif de commande 100 qui est configuré pour actionner le deuxième dispositif de mise en rotation 50 lorsqu'une déviation est mesurée par le dispositif 80, afin d'amener le dispositif pilote 40, 40' dans son état actif en le bloquant en rotation par rapport au sol dans une position angulaire de correction déterminée de telle sorte que, considérée dans le plan horizontal Q, la direction de correction de trajectoire DCT associée à la position angulaire de correction soit opposée à la direction de déviation.
  • Dans la variante du deuxième mode de réalisation, illustrée en figure 16 , dans laquelle le deuxième dispositif de mise en rotation 50 est absent, le dispositif de commande 100 est configuré pour amener le dispositif pilote dans son état actif en actionnant le premier dispositif de mise en rotation après avoir actionné le dispositif de couplage 70.
  • Le dispositif de commande 100 comporte, en outre, un dispositif de calcul 102 pour calculer la position angulaire de correction à partir de la direction de déviation DD déterminée par le dispositif de mesure. La position angulaire de correction est déterminée de sorte que la direction de correction de trajectoire DCT soit opposée à la direction de déviation. Le dispositif de commande pilote le deuxième dispositif de mise en rotation afin d'amener le dispositif pilote dans la position angulaire de correction souhaitée.
  • Le capteur de déviation 82 est configuré pour mesurer une distance d de déviation de l'âme creuse 32, 32' par rapport à une direction verticale. Cette distance est considérée dans un plan horizontal passant par le capteur de déviation. Par ailleurs, le dispositif de commande est configuré pour actionner le deuxième dispositif de mise en rotation lorsque le rapport de la distance de déviation d sur la profondeur H atteinte par le dispositif de forage est supérieur ou égal à un seuil qui peut dépendre de la profondeur atteinte. A titre d'exemple, ce seuil peut être de 0.3%.
  • Ceci va être expliqué plus en détail à l'aide des figures 5A à 8 qui décrivent un procédé de forage d'un puits dans le sol S selon une trajectoire de forage théorique V, en l'espèce vertical, à l'aide du système de forage selon le premier mode de réalisation de l'invention.
  • Sur la figure 5A , on a illustré le dispositif de forage 30. En cours de forage, l'axe longitudinal L de l'âme creuse étant parallèle à la direction de forage théorique V, celles-ci sont donc toutes les deux verticales. Le dispositif pilote 40 est dans son état passif et le dispositif pilote est mis en rotation par le deuxième dispositif de mise en rotation 50 dans le sens inverse du sens de rotation de l'âme creuse 32.
  • Le dispositif de forage 10 est donc introduit dans le sol tout en mettant en rotation l'âme creuse 32.
  • On mesure la déviation éventuelle de l'âme creuse 32 à l'aide du dispositif 80 de mesure de déviation de l'âme creuse afin de déterminer une direction de déviation DD du dispositif de forage par rapport à la trajectoire de forage théorique V.
  • En figure 5A , aucune déviation n'est détectée. Aussi, considéré dans le plan horizontal Q, le dispositif pilote 40 se trouve dans le centre du repère XY illustré en figure 5B .
  • En cours de forage, comme illustré de façon schématique en figure 6A , une déviation illustrée par une distance de déviation d est mesurée. Cette distance de déviation d, mesurée à la profondeur H, par exemple 5m, étant supérieure à un seuil prédéterminé, par exemple 2 cm, soit 0.4 %, le dispositif de commande pilote le deuxième dispositif de mise rotation de façon à amener le dispositif pilote 40 dans son état actif en l'orientant puis en le bloquant en rotation par rapport au sol S dans une position angulaire de correction déterminée de telle sorte, que considérée dans le plan horizontal Q, la direction de correction de trajectoire DCT associée à la position angulaire de correction soit opposée à la direction de déviation DD. On comprend que la déviation illustrée en figure 6A est schématique et exagérée pour faciliter la compréhension de l'invention.
  • Sans sortir du cadre de la présente invention, d'autres valeurs de seuils pourront être choisies par l'homme du métier en fonction de la précision de forage souhaitée.
  • Dans l'exemple de la figure 6B , afin de faciliter la compréhension, la direction de déviation DD ainsi que la direction de correction de trajectoire DCT s'étendent selon l'axe X. Ces deux directions pourraient toutefois être non parallèles.
  • Enfin, sur la figure 7A , on a illustré la position de l'âme creuse 32 après que celle-ci est à nouveau alignée avec la trajectoire de forage théorique V. Le dispositif pilote est alors ramené dans son état passif, par exemple en le faisant tourner dans le sens inverse du sens de rotation de l'âme creuse 32. Le forage se poursuit donc jusqu'à ce qu'une déviation supérieure à un seuil prédéterminé soit, à nouveau, mesurée.
  • Sur la figure 8 , on a illustré un cas où la direction de déviation s'étend selon une direction non parallèle aux axes X et Y. Le principe de fonctionnement est identique. Le dispositif pilote est mis dans son état actif en l'orientant et en le bloquant par rapport au sol, de sorte que la direction de correction de trajectoire soit opposée à la direction de déviation détectée. La direction de correction de trajectoire DCT est déterminée de façon à corriger la verticalité de l'âme creuse lors de l'enfoncement du dispositif de forage dans le sol.
  • Sur les figures 9 à 12 , on a illustré un procédé de forage d'un puits selon un deuxième mode de mise en œuvre, à l'aide du système de forage selon le deuxième mode de réalisation illustré aux figures 4A et 4B .
  • Ce deuxième mode de mise en œuvre diffère du premier par le fait que, lorsqu'une déviation supérieure à un seuil prédéterminé est mesurée, on amène le dispositif pilote 40' dans son état actif et dans sa position déployée, illustrée en figure 11 , par exemple par translation et vibrofonçage. Puis, on déplace l'âme creuse par rapport au sol de sorte que le déplacement de l'âme creuse suive le déplacement du dispositif pilote, par quoi on corrige la verticalité de la trajectoire de l'âme creuse, tel qu'illustré en figure 12 .
  • Les procédés de forage des puits selon les premier et second modes de mise en œuvre, peuvent avantageusement être utilisés dans le cadre d'un procédé de fabrication d'une colonne, tel qu'un pieu, procédé dans lequel on injecte un fluide dans le puits au moment de la remontée du dispositif de forage afin de former la colonne dans le sol.
  • Enfin, sur la figure 14 , on a illustré les courbes de déviation de l'outil de forage en fonction de la profondeur de forage. La courbe GX illustre la déviation selon l'axe X tandis que la courbe GY illustre la déviation selon l'axe Y, et la courbe GT illustre la déviation totale du dispositif de forage.
  • On comprend que le dispositif pilote est dans son état passif jusqu'à une profondeur d'environ 8 mètres, après quoi il est mis dans son état actif jusqu'à environ une profondeur de 12 mètres, où il revient dans son état passif. On constate donc que la distance de déviation maximale est d'environ 3 cm pour une profondeur comprise entre 8 et 10 mètres. Autrement dit, lors de l'opération de forage, la déviation exprimée en pourcentage est au maximum de 0,375 %, et donc inférieure à la limite critique de 0,5 %.

Claims (16)

  1. Système de forage (10) d'un puits dans un sol (S) selon une trajectoire de forage théorique sensiblement verticale, comportant
    un dispositif de forage (30) comportant une âme creuse (32,32') ayant un axe longitudinal (L), l'âme creuse étant munie d'un outil de forage (33) ;
    un premier dispositif de mise en rotation (28) pour mettre en rotation, autour de l'axe longitudinal, l'âme creuse (32,32') et l'outil de forage (33) ;
    un élément de liaison (36) s'étendant à l'intérieur de l'âme creuse, l'élément de liaison comportant un tube plongeur qui présente une partie inférieure munie d'au moins un trou d'injection (65), le tube plongeur étant relié à une source d'alimentation en fluide (52) ; caractérisé en ce qu'il comporte:
    un dispositif pilote (40,40') disposé à l'extrémité inférieure de l'élément de liaison et comportant un pan (P) incliné par rapport à un axe (X) du dispositif pilote (40') ; le dispositif pilote présentant :
    un état actif dans lequel le dispositif pilote est orienté et maintenu par rapport au sol (S) dans une position angulaire de correction, de façon à corriger la trajectoire de déplacement (T) du dispositif de forage (30, 30') selon une direction de correction de trajectoire (DCT) considérée dans un plan horizontal, la direction de correction de la trajectoire étant la direction correspondant à l'intersection entre le pan incliné et un plan vertical orthogonal au pan incliné, et
    un état passif dans lequel le dispositif pilote ne modifie pas la trajectoire de déplacement du dispositif de forage ;
    un dispositif (80) de mesure de déviation de l'âme creuse (32, 32') pour identifier une éventuelle déviation entre la trajectoire de déplacement du dispositif de forage et la trajectoire de forage théorique sensiblement verticale et déterminer une direction de déviation (DD) du dispositif de forage par rapport à la trajectoire de forage théorique sensiblement verticale (V), ladite direction de déviation étant considérée dans le plan horizontal (Q);
    un dispositif de commande configuré pour, lorsqu'une déviation est mesurée, amener le dispositif pilote dans son état actif dans une position angulaire de correction déterminée de telle sorte que, considérées dans le plan horizontal (Q), la direction de correction de trajectoire (DCT) associée à la position angulaire de correction soit opposée à la direction de déviation.
  2. Système de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande (100) comporte en outre un dispositif de calcul (102) pour calculer la position angulaire de correction à partir de la direction de déviation (DD) déterminée par le dispositif (80) de mesure.
  3. Système de forage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif pilote (40, 40') est configuré pour tourner dans le même sens et à la même vitesse que l'âme creuse (32, 32'), lorsque ledit dispositif pilote est dans l'état passif.
  4. Système de forage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de forage (30') comporte un dispositif de couplage (70) pour bloquer la rotation du dispositif pilote (40') par rapport à l'âme creuse (32') lorsque ledit dispositif pilote est dans l'état passif.
  5. Système de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un deuxième dispositif de mise en rotation (50), relié à l'élément de liaison (36), pour mettre en rotation l'élément de liaison et le dispositif pilote autour de l'axe longitudinal (L), en ce que l'élément de liaison est apte à tourner par rapport à l'âme creuse, et en ce que le dispositif de commande est configuré pour actionner le deuxième dispositif de mise en rotation lorsqu'une déviation est mesurée afin d'amener le dispositif pilote dans son état actif dans ladite position angulaire de correction.
  6. Système de forage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le deuxième dispositif de mise en rotation est configuré pour faire tourner le dispositif pilote (40, 40') dans le sens inverse du sens de rotation de l'âme creuse, lorsque ledit dispositif pilote est dans l'état passif.
  7. Système de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif pilote (40') est mobile en translation par rapport à l'âme creuse (32'), en ce que le système de forage comporte en outre un dispositif de déplacement (43) pour déplacer en translation le dispositif pilote (40') par rapport à l'âme creuse (32') selon l'axe longitudinal (L), de sorte que le dispositif pilote (40') présente une position déployée et une position rétractée.
  8. Système de forage selon la revendication 7, le dispositif de déplacement (43) est configuré pour déplacer le dispositif pilote (40') par rapport à l'âme creuse (32') par vérinage, battage ou vibrofonçage.
  9. Système de forage selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que, dans son état actif, le dispositif pilote est en position déployée, tandis que, dans son état passif, le dispositif pilote est en position rétractée.
  10. Système de forage selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le dispositif pilote présente en outre une position d'injection, dans laquelle le trou d'injection (65) se situe en-dessous de l'extrémité inférieure de l'âme creuse.
  11. Système de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif (85) de mesure de déviation de l'âme creuse comporte un capteur d'inclinaison (82) disposé en partie inférieure de l'âme creuse.
  12. Système de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un organe de mesure de la profondeur atteinte par le dispositif de forage (30, 30'), en ce que le dispositif de mesure de déviation de l'âme creuse est configuré pour mesurer une distance de déviation (d) de l'âme creuse par rapport à une direction verticale, et en ce que dispositif de commande est configuré pour amener le dispositif pilote dans son état actif lorsque le rapport de la distance de déviation (d) sur la profondeur (H) atteinte par le dispositif de forage est supérieur ou égal à un seuil prédéterminé.
  13. Système de forage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de forage (30, 30') est une tarière.
  14. Procédé de forage d'un puits dans un sol (S) selon une trajectoire de forage théorique (V), caractérisé en ce que :
    on fournit un système de forage (40) selon l'une quelconque des revendications précédentes ;
    on introduit le dispositif de forage dans le sol (S) tout en mettant en rotation l'âme creuse (32), le dispositif pilote étant dans son état passif ;
    on mesure la déviation de l'âme creuse afin de déterminer une direction de déviation du dispositif de forage par rapport à la trajectoire de forage théorique;
    lorsqu'une déviation supérieure à un seuil prédéterminé est mesurée, on amène le dispositif pilote (40, 40') dans son état actif en l'orientant puis en le maintenant par rapport au sol (S) dans une position angulaire de correction déterminée de telle sorte que, considérées dans un plan horizontal (Q), la direction de correction de trajectoire (DCT) associée à la position angulaire de correction soit opposée à la direction de déviation (DD).
  15. Procédé de forage selon la revendication 14, dans lequel on fournit un système de forage (10') selon la revendication 7, procédé dans lequel, lorsqu'une déviation est mesurée :
    on amène le dispositif pilote (40') dans son état actif en orientant et en maintenant par rapport au sol le dispositif pilote dans une position angulaire de correction déterminée de telle sorte que, considérées dans un plan horizontal, la direction de correction de trajectoire (DCT) associée à la position angulaire de correction soit opposée à la direction de déviation (DD) ;
    on amène le dispositif pilote dans sa position déployée ;
    on déplace l'âme creuse par rapport au sol de sorte que le déplacement de l'âme creuse suit le déplacement du dispositif pilote.
  16. Procédé de fabrication d'une colonne dans le sol mettant en œuvre le procédé de forage selon les revendications 14 ou 15, dans lequel on injecte un fluide dans le puits lors de la remontée du dispositif de forage afin de former la colonne dans le sol.
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