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EP2697470B1 - Procédé et dispositif de forage non destructif - Google Patents

Procédé et dispositif de forage non destructif Download PDF

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Publication number
EP2697470B1
EP2697470B1 EP20120715378 EP12715378A EP2697470B1 EP 2697470 B1 EP2697470 B1 EP 2697470B1 EP 20120715378 EP20120715378 EP 20120715378 EP 12715378 A EP12715378 A EP 12715378A EP 2697470 B1 EP2697470 B1 EP 2697470B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drilling
zone
diameter
cylindrical
gap
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP20120715378
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2697470A1 (fr
Inventor
Justo CABRERA NUNEZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut de Radioprotection et de Surete Nucleaire IRSN
Original Assignee
Institut de Radioprotection et de Surete Nucleaire IRSN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut de Radioprotection et de Surete Nucleaire IRSN filed Critical Institut de Radioprotection et de Surete Nucleaire IRSN
Publication of EP2697470A1 publication Critical patent/EP2697470A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2697470B1 publication Critical patent/EP2697470B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/28—Enlarging drilled holes, e.g. by counterboring
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B27/00—Containers for collecting or depositing substances in boreholes or wells, e.g. bailers, baskets or buckets for collecting mud or sand; Drill bits with means for collecting substances, e.g. valve drill bits
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B25/00—Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels or core extractors

Definitions

  • the object of the present invention generally relates to the field of geological or geotechnical drilling, and particularly the field of core drilling of large diameters (diameter greater than 400 mm, for example between 600 and 700 mm) in clay rocks.
  • the invention can be implemented for any type of drilling, particularly for the study or the realization of very long-term geological disposal of radioactive waste from spent fuel from nuclear power plants.
  • the radioactive waste considered in the context of the present invention are high-level long-lived waste (HAVL) with an average activity greater than one million Becquerels per gram for hundreds of thousands of years. Given this order of magnitude, deep disposal is one of the possible solutions that can limit the risk of transfer of radioelements to populations, and generally a maximum of living organisms, during the storage period.
  • HAVL high-level long-lived waste
  • Possible storage locations include some very impervious rock layers in areas with stable geodynamics.
  • the geological layer surrounding the packages must be as undisturbed as possible (by cracks or other creations), and the techniques used for drilling must preserve the sealing properties of the rock. , and in particular to avoid the creation of cracks in this geological layer. Indeed, the presence of cracks in the rock wall would deteriorate the impermeability that one wishes to preserve, and increase the risk of leakage of radioactive material.
  • Non-destructive drilling instruments - which are known as coring tools - only concern diameters up to about 250 mm.
  • An example of such an instrument is a core drill which comprises a corer with a crown for example diamond or tungsten, and an extractor which breaks the core at its base and allows its recovery.
  • one of the aims of the present invention is to enable drilling of large diameter, that is to say of diameter greater than 400 mm, non-destructive, of good surface finish and allowing reduced damage to the drilled material (eg, rock, concrete) for a low cost.
  • Another object of the invention is to make it possible to carry out a sampling by coring of materials constituting the drilling zone during the drilling, so as to be able to analyze said materials.
  • the invention proposes a method for carrying out drilling in a drilling zone, and of large diameter D1, comprising the steps of carrying out a first guide borehole, of diameter D2 less than D1, producing a cylindrical interstice, of diameter D1, positioned in a controlled manner relative to the guide borehole, delimiting a cylindrical zone of the drilling zone between the cavity and the gap, inserting a containment basket into the cylindrical gap, bursting the materials forming the cylindrical zone of the drilling zone, and extract the previously exploded material by evacuation of the containment basket.
  • the invention further proposes a containment basket adapted to be used during the steps of making a cylindrical gap, inserting a containment basket, bursting the materials of the zone and extracting said materials from the process according to the invention, the basket being able to deform plastically under the effect of shock waves generated by the material bursting step.
  • the materials that can be drilled with the aid of the invention may be, by way of nonlimiting example, sedimentary rocks (argillite, limestone), crystalline rocks (for example granitic), or building materials (for example). example concrete).
  • a drill S is used on which a set of rods 16 can be fixed ( Figure 1 (c) at one of its ends.
  • This drill is equipped with a rack to exert a thrust on the drill string to advance it. It is also able to rotate the drill string 16.
  • the drill can be a medium power drill.
  • the Applicant has successfully used a Hilti DD750HY Drill.
  • the invention only implements rock attacks on limited sections, making it possible to treat volumes of rocks or other important materials without necessarily involving the use of drills very large power.
  • the drill string 16 can be lengthened when necessary by inserting an additional rod, for example when the rack reaches the stop, then the drill string is repositioned at the head of the rack and drilling continues.
  • a drill string support is also provided to maintain it in the axis of drilling.
  • the assembly formed by the sander S and the tools used to carry out the process is a drill 1 according to the invention.
  • a ring 12 comprising on its leading edge of the drilled material a diamond portion for sawing said material.
  • This ring 12 is of diameter D1, and thus makes it possible to make a gap or groove 22 in the material, of cylindrical shape and of diameter D1.
  • This spark gap can be of any known type.
  • it may be a tool which comprises a jack 141 situated between two plates 142 forming an angle, the jack allowing its advance between the plates to spread them in order to increase the angle between these two plates 142, which thus put pressure on the wall of the borehole in which the spark gap is located, and burst it locally.
  • a containment basket 13 used for extracting the drilled rocks in the bore 20 of diameter D1. It is a metal structure, preferably having a cylindrical shape in order to be inserted into the gap 22 made by the ring 12.
  • the basket 13 is able to deform radially outward under the effect of pressure waves applied on its inner face.
  • the basket 13 has as shown in FIG. figure 3a a longitudinal slit 133, of width preferably less than or equal to 1 cm, and which preferably extends over the entire length of the basket 13.
  • the basket does not cover the 360 ° of the gap 22, but only an angular sector, and where appropriate the slot 133 is replaced by a wider opening, which can reach an opening angular of 90 °.
  • This solution is better suited for hard terrain, which can lead to significant deformations of the basket at the moment of bursting.
  • the basket may not cover the entire length of the gap 22, but only a portion.
  • This guide bore is preferably made over the entire length L to be drilled.
  • the diameter D2 of the guide borehole is smaller than the diameter of the borehole D1.
  • D2 is preferably between 60 and 100 mm and more preferably equal to 100 mm.
  • This guide bore will make it possible to progress the drilling 20 of large diameter D1 by successive digs of portions 201 of diameter D1, illustrated in FIG. Figures 1b and 1c .
  • This guide bore 21 can be made by the drill, fixed on the drill 1 via the drill string 16. This makes it possible to obtain a core of the material of the drilling zone F, allowing the analysis of the materials forming said drilling zone F.
  • the guide bore 21 may be perpendicular to the wall P but this is not mandatory.
  • a gas, or water, can be used as drilling fluid. In some cases, it is preferable to use a gas to preserve the physicochemical and mechanical characteristics of the drilling zone F.
  • the gas used may be air, argon or nitrogen.
  • the core 11 is also equipped with a gas injection system (not shown in the figures) typically consisting of a pump, a cooling system, a compressor and preferably a an aspirator of the dust generated by the coring, the mouth of which is preferably positioned on the surface of the drilling zone.
  • a gas injection system typically consisting of a pump, a cooling system, a compressor and preferably a an aspirator of the dust generated by the coring, the mouth of which is preferably positioned on the surface of the drilling zone.
  • the drill string is progressively lengthened, by inserting additional rods, each time the rack of the drill S comes to a stop.
  • the extracted core, and therefore this first guide bore 21, have a length of for example between 20 and 1000 cm, corresponding to the total length L of the borehole 20 of large diameter that it is desired to drill.
  • a cylindrical interstice 22 having a diameter D1 equal to the diameter of the borehole which it is desired to obtain and preferably concentric with the guide bore 21 is hollowed out in the drilling zone F.
  • This gap 22 is preferably made by sawing, by means of a diamond ring 12 as mentioned above.
  • the leading section of the material is limited to the surface of the crown, which reduces the dust generated at the time of this step.
  • the ring 12 may have a full rear face 121 with the exception of an orifice arranged to be able to insert the arrival of compressed air A, whose path is illustrated by arrows.
  • the air leaves the side of the front face 122 of the ring, and is discharged along the edges of the borehole. This allows to cool the leading edge of the crown 12, and to permanently evacuate the debris, which avoids any risk of blockage of the crown.
  • the ring 12 may have, on its rear face 121, openings 123, in addition to the compressed air injection port.
  • the openings 123 allow the release of the rock or any other material in the ring 12 when necessary. It is also possible to plug these openings 123 when the ring 12 is not blocked, to improve the flow of air on the front face 122 of the ring, and thus to improve the cooling of the leading edge of the ring.
  • the length of the gap 22 thus produced is equal to that of the diamond ring 12, that is to say of the order of 50 to 60 cm.
  • a centraliser 15 (not shown in the figures), which may be a reference integral with the diamond ring 12 and fixedly placed by relative to it (e.g., at its center), to ensure that the gap 22 has a defined position relative to the guide bore 21 (typically concentric), and that the distance between these two cavities be constant.
  • the guide bore 21 and the gap 22 delimit a cylindrical zone C of the drilling zone F, shown in FIG. figure 2 .
  • the following steps of the process according to the invention aim at extracting the constituent materials of this zone C in order to obtain a bore 20 of diameter D1.
  • the materials forming the cylindrical zone C are exploded.
  • a spark gap 14 is inserted into the guide bore 21 as described above. Its actuation, illustrated very schematically in Figures 5a and 5b , makes it possible to press the material of the cylindrical zone C in order to burst it.
  • the bursting of the material generates generally radial cracks which, if not confined within the cylindrical zone C, could propagate beyond the gap 22 and damage the drilling zone F.
  • the method and the device according to the invention makes it possible to avoid this damage by confining these cracks inside the cylindrical zone C.
  • the containment basket 13 has the same length as the diamond crown 12, and therefore the gap 22.
  • the spark gap 14 is then passed through the guide bore 21 through the opening 131 in the closed portion 130 at one end of the basket.
  • a support block CS may be placed under the drill string to support it and prevent it from bending under its own weight.
  • the spark gap is then activated to burst the materials of the zone cylindrical C, while confining these materials through the basket 13, as illustrated in FIG. figure 1f .
  • the basket 13 makes it possible to confine all of the radial shock waves generated by the bursting step of the materials of the cylindrical zone C.
  • this containment basket 13 gives the latter a certain plasticity: under the stresses transmitted by the shock waves, the basket 13 can deform radially outwards (typically, the deformation can be a distance), which allows it to absorb the energy of the waves and to avoid its transmission outside the gap 22.
  • the basket 13, containing these materials and the spark gap 14, is removed, for example by means of a withdrawal cable actuated by a winch T or any other known means.
  • a guide bore 21, of diameter D2 which preferably extends over a length equal to the total length L that is desired drilling, and a first portion 201 of the final bore 20 of diameter D1, of length equal to the diamond ring 12.
  • the rest of the process consists in repeating the steps implementing the diamond ring 12, the spark gap 14 and the containment basket 13, to advance the realization of the bore 20 of diameter D1.
  • each of the tools necessary for carrying out the various steps on the extended drill string 16 is successively fixed in order to obtain a length sufficient to reach the bottom of the first portion 201 of the borehole 20, and which is completed as and when as the drilling progresses.
  • the diamond ring 12 is mounted on the drill string 16 to make the gap 22, then it is removed, and replaced by the containment basket 13, which is inserted into the gap. Finally this basket is separated from the drill string 16 and left in place, then the spark gap is fixed to the drill string 16 and inserted into the guide bore 21 before being actuated.
  • This drilling has a particularly regular surface, and free from defects such as cracks, which could degrade the properties of the wall, and particularly its impermeability.
  • the front face 170 illustrated in more detail in figure 7b , is of circular section of diameter D1, and comprises several spiral sections 171 extending from the center of the front face towards its periphery, the sections being evenly distributed so as to cover in a homogeneous manner the 360 ° of the surface of the front face 170.
  • the sections are toothed to attack the drilling material (rocks, concrete, etc.).
  • the spiral sections 171 may rest on a metal frame 172 such as a grid, which allows to lighten the structure.
  • a metal frame 172 such as a grid
  • the compressed air can pass through the grid and cool the leading edge of the surfacer 17.

Landscapes

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Description

    DOMAINE DE L'INVENTION
  • L'objet de la présente invention concerne de manière générale le domaine des forages géologiques ou géotechniques, et particulièrement le domaine des forages carottés de grands diamètres (diamètre supérieur à 400 mm, par exemple entre 600 et 700 mm) dans des roches argileuses.
  • L'invention peut être mise en oeuvre pour tout type de forage, notamment pour l'étude ou la réalisation de stockage géologique à très long terme des déchets radioactifs issus des combustibles usagés des centrales nucléaires.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • Les déchets radioactifs considérés dans le cadre de la présente invention sont des déchets de haute activité à vie longue (HAVL) présentant une activité moyenne supérieure au million de Becquerels par gramme pendant des centaines de milliers d'années. Compte-tenu de cet ordre de grandeur, le stockage en profondeur est une des solutions possible qui puisse limiter les risques de transfert des radioéléments vers les populations, et en règle générale d'un maximum d'organismes vivants, pendant la durée du stockage.
  • Parmi les lieux de stockage possibles, on compte certaines couches rocheuses très imperméables et situées dans des zones à géodynamique stable.
  • Le stockage de certains types de déchets nucléaires dans ces couches nécessite la réalisation de forages adaptés, de diamètre de préférence compris entre 600 mm et 700 mm, et la mise en place de bouchons qui permettent de garantir l'étanchéité des forages contenant les colis de déchets, par exemple des bouchons en bentonite.
  • Afin d'assurer une bonne étanchéité, la couche géologique qui entoure les colis doit être le moins perturbée possible (par des créations de fissures ou autres), et les techniques employées pour la réalisation du forage doivent préserver les propriétés d'étanchéité de la roche, et en particulier éviter la création de fissures dans cette couche géologique. En effet, la présence de fissures dans la paroi rocheuse détériorerait l'imperméabilité que l'on souhaite conserver, et augmenterait le risque de fuite de matériel radioactif.
  • Or, il n'existe pas dans l'état de la technique de foreuse permettant de réaliser des forages de diamètres aussi importants - 600 à 700 mm - avec une bonne finition des parois, une faible perturbation de la roche, et une récupération de la roche forée à un coût modéré.
  • En effet, les foreuses utilisées jusqu'à présent pour la réalisation de gros forages nécessitent l'utilisation de couronnes de forage destructives.
  • On précise que dans ce texte « destructif » signifie susceptible d'endommager la paroi du forage (c'est-à-dire la paroi interne de la cavité créée par le forage).
  • Les instruments de forage non destructifs - qui sont notamment des outils de carottage - connus ne concernent, quant à eux, que des diamètres allant jusqu'à environ 250 mm. Un exemple de tel instrument est une carotteuse qui comprend un carottier avec une couronne par exemple diamantée ou en tungstène, et un extracteur qui casse la carotte à sa base et permet sa récupération.
  • En conséquence, un des buts de la présente invention est de permettre de réaliser un forage de grand diamètre, c'est-à-dire de diamètre supérieur à 400mm, non destructif, de bonne finition de surface et permettant la réduction de l'endommagement du matériau foré (par exemple, roche, béton) pour un faible coût.
  • Un autre but de l'invention est de permettre de réaliser un prélèvement par carottage de matériaux constituant la zone de forage pendant la réalisation du forage, de manière à pouvoir analyser lesdits matériaux.
  • A cet égard, l'invention propose un procédé pour la réalisation d'un forage dans une zone de forage, et de grand diamètre D1, comprenant les étapes consistant à réaliser un premier forage de guidage, de diamètre D2 inférieur à D1, réaliser un interstice cylindrique, de diamètre D1, positionné de manière contrôlée par rapport au forage de guidage, délimitant une zone cylindrique de la zone de forage comprise entre la cavité et l'interstice, insérer un panier de confinement dans l'interstice cylindrique, éclater les matériaux constituant la zone cylindrique de la zone de forage, et extraire les matériaux préalablement éclatés par évacuation du panier de confinement.
  • Avantageusement, mais facultativement, l'invention comprend au moins l'une des caractéristiques suivantes :
    • le forage de guidage est cylindrique, et concentrique avec l'interstice cylindrique,
    • le diamètre D1 est supérieur à 400 mm, et préférentiellement compris entre 600 et 700 mm,
    • le diamètre D2 est compris entre 60 et 100 mm, et préférentiellement égal à 100 mm,
    • le premier forage de guidage est réalisé par carottage,
    • l'interstice circulaire est réalisé par sciage,
    • le forage de guidage a une longueur égale à la longueur voulue du forage de grand diamètre, et au cours duquel on itère les étapes consistant à réaliser un interstice cylindrique, insérer un panier de confinement, éclater les matériaux de la zones et extraire lesdits matériaux jusqu'à obtenir un forage de longueur voulue,
    • le procédé comprend en outre une étape au cours de laquelle on aplanit le fond du forage de longueur voulue.
  • L'invention propose en outre un panier de confinement adapté pour être utilisé au cours des étapes consistant à réaliser un interstice cylindrique, insérer un panier de confinement, éclater les matériaux de la zones et extraire lesdits matériaux du procédé selon l'invention, le panier étant apte à se déformer plastiquement sous l'effet des ondes de choc générées par l'étape d'éclatement des matériaux.
  • Avantageusement, mais facultativement, le panier de confinement peut en outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes :
    • il est apte à se déformer radialement vers l'extérieur
    • il est de forme cylindrique, et présente une fente longitudinale sur toute sa longueur.
  • Enfin, l'invention propose une foreuse pour la réalisation d'un forage dans une zone de forage, et de grand diamètre D1, comprenant :
    • un moyen de réalisation d'un forage de guidage, de diamètre D2 inférieur à D1,
    • un moyen de réalisation d'un interstice cylindrique, de diamètre D1, positionné de manière contrôlée par rapport au forage de guidage, délimitant une zone cylindrique de la zone de forage comprise entre la cavité et l'interstice,
    • un panier de confinement, adapté pour être inséré dans l'interstice cylindrique,
    • un éclateur, adapté pour éclater les matériaux de la zone cylindrique de la zone de forage, et
    • un train de tiges de longueur ajustable, et adapté pour être fixé au moins au panier de confinement afin d'extraire les matériaux préalablement éclatés par évacuation du panier de confinement.
  • Avantageusement, mais facultativement, la foreuse selon l'invention peut aussi comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes :
    • la foreuse comprend en outre un surfaceur de diamètre D1, adapté pour aplanir le fond d'un forage obtenu avec ladite foreuse,
    • le moyen de réalisation du forage de guidage est une carotteuse,
    • le moyen de réalisation de l'interstice est une couronne diamantée
    • la couronne diamantée comprend en outre un centreur,
    • le centreur est cylindrique, concentrique à la couronne diamantée, et apte à être inséré dans le forage de guidage.
    DESCRIPTION DES FIGURES
  • D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, au regard des figures annexées, données à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquelles:
    • Les figures 1 a à 1 g représentent les différentes étapes du procédé selon l'invention, en vue de coupe en section de la paroi de la zone de forage, d'axe Y-Y défini en figure 2.
    • La figure 2 représente une vue de face de la surface de la zone de forage, lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
    • Les figures 3a et 3b représentent respectivement en vue de perspective et en vue de droite un exemple de panier de confinement utilisé dans le procédé et le dispositif selon l'invention.
    • Les figures 4a et 4b illustrent différents modes de réalisation d'une couronne diamantée pouvant être utilisée au cours de la mise en oeuvre de l'invention.
    • Les figures 5a et 5b illustrent schématiquement le fonctionnement d'un type d'éclateur pouvant être utilisé dans le procédé et le dispositif selon l'invention.
    • La figure 6 est une photographie du forage en cours de réalisation.
    • Les figures 7a et 7b sont des vues respectivement en perspective et de coté d'un surfaceur pouvant être utilisé au cours du procédé selon l'invention.
    DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Dispositif utilisé pour la réalisation du forage
  • Selon l'invention, on va réaliser, dans une zone de forage F, un forage 20 de diamètre D1 d'une longueur L (voir figure 1f), qui est de quelques mètre, par exemple de l'ordre de 6 à 10 mètres, voire plus. Le diamètre D1 est de grande dimension, supérieure à 400 mm et par exemple comprise entre 600 et 700 mm.
  • Les matériaux qui peuvent être forés à l'aide de l'invention peuvent être, à titre d'exemple non limitatif, des roches sédimentaires (argilite, calcaire), des roches cristallines (par exemple granitiques), ou des matériaux de construction (par exemple béton).
  • Pour ce faire, on utilise une sondeuse S sur laquelle on peut fixer un train de tiges 16 (figure 1 c) au niveau de l'une de ses extrémités. Cette sondeuse est munie d'une crémaillère permettant d'exercer une poussée sur le train de tiges afin de le faire avancer. Elle est également apte à mettre en rotation le train de tiges 16.
  • La sondeuse peut être une foreuse de puissance moyenne. Le Demandeur a utilisé avec succès une foreuse Hilti de modèle DD750HY. L'invention ne met en effet en oeuvre que des attaques de roche sur des sections limitées, permettant ainsi de traiter des volumes de roches ou autres matériaux importants sans impliquer nécessairement le recours à des foreuses de puissance très importante.
  • Le fait de limiter la section d'attaque du matériau permet également de réduire significativement la génération de poussières, notamment en comparaison des techniques destructives connues.
  • Le train de tiges 16 peut être rallongé quand cela est nécessaire par insertion d'une tige supplémentaire, par exemple quand la crémaillère arrive en butée, puis le train de tiges est repositionné en tête de la crémaillère et le forage se poursuit.
  • Un support de train de tiges est également prévu pour maintenir celui-ci dans l'axe du forage.
  • A l'autre extrémité du train de tiges 16, on peut fixer différents outils intervenant dans la réalisation des différentes étapes du procédé selon l'invention. L'ensemble formé par la sondeuse S et les outils utilisés pour réaliser le procédé est une foreuse 1 selon l'invention.
  • Ainsi on peut fixer au train de tiges 16 une carotteuse 11, permettant la réalisation et l'extraction de carottes de diamètre D2.
  • On peut aussi fixer une couronne 12, comportant sur son bord d'attaque du matériau foré une partie diamantée permettant de scier ledit matériau. Cette couronne 12 est de diamètre D1, et permet ainsi de réaliser un interstice ou gorge 22 dans le matériau, de forme cylindrique et de diamètre D1.
  • On peut également fixer au train de tiges 16 un éclateur 14, dont l'actionnement, quand il se trouve dans un forage, permet de faire éclater une partie de la zone de forage contre laquelle il se trouve.
  • Cet éclateur peut être de tout type connu. Typiquement, et comme illustré schématiquement en figure 5, il peut s'agir d'un outil qui comprend un vérin 141 situé entre deux plaques 142 formant un angle, le vérin permettant par son avancée entre les plaques de les écarter afin d'augmenter l'angle entre ces deux plaques 142, qui font ainsi pression sur la paroi du forage dans lequel l'éclateur se trouve, et la font éclater localement.
  • On peut également fixer au train de tiges 16 un panier de confinement 13, utilisé pour l'extraction des roches forées dans le forage 20 de diamètre D1. Il s'agit d'une structure métallique, ayant préférablement une forme cylindrique afin de pouvoir être inséré dans l'interstice 22 réalisé par la couronne 12.
  • En outre, le panier 13 est de préférence fermé à son extrémité 130 arrière (la plus proche du train de tiges 16), à l'exception :
    • d'une ouverture 131 de diamètre D2, pratiquée dans cette extrémité pour permettre l'introduction de l'éclateur 14 dans le forage de guidage 21 au travers du panier 13,
    • et de pattes d'accrochage 132 du train de tiges 16 (figure 3b).
  • De manière générale, le panier 13 est apte à se déformer radialement vers l'extérieur sous l'effet d'ondes de pression appliquées sur sa face interne.
  • Dans un mode de réalisation particulier du panier, pour se déformer radialement, le panier 13 présente comme illustré sur la figure 3a une fente longitudinale 133, de largeur de préférence inférieure ou égale à 1 cm, et qui s'étend de préférence sur toute la longueur du panier 13.
  • Dans des modes de réalisation alternatifs, il est possible que le panier ne couvre pas les 360° de l'interstice 22, mais seulement un secteur angulaire, et le cas échéant la fente 133 est remplacée par une ouverture plus large, pouvant atteindre une ouverture angulaire de 90°. Cette solution est mieux adaptée pour des terrains durs, pouvant entraîner d'importantes déformations du panier au moment de l'éclatement. Alternativement, le panier peut ne pas couvrir toute la longueur de l'interstice 22, mais seulement une partie.
    • Réalisation du forage
  • En référence aux figures 1 a à 1 g, les différentes étapes d'un procédé pour la réalisation, dans une zone de forage F, d'un forage 20 non destructif de diamètre donné D1 et de longueur L selon l'invention sont représentées.
    • 1. Réalisation d'un forage de guidage
  • En premier lieu, et comme représenté en figure 1a, on réalise dans la zone de forage F un premier forage de guidage 21 de diamètre D2.
  • Ce forage de guidage est de préférence réalisé sur toute la longueur L à forer. Le diamètre D2 du forage de guidage est inférieur au diamètre du forage D1. D2 est préférablement compris entre 60 et 100 mm et plus préférablement égal à 100mm.
  • Ce forage de guidage va permettre de faire progresser le forage 20 de grand diamètre D1 par creusements successifs de parties 201 de diamètre D1, illustrées en figures 1b et 1c.
  • Ce forage de guidage 21 peut être réalisé par la carotteuse, fixée sur la foreuse 1 par l'intermédiaire du train de tiges 16. Ceci permet d'obtenir une carotte du matériau de la zone de forage F, permettant l'analyse des matériaux formant ladite zone de forage F. Le forage de guidage 21 peut être perpendiculaire à la paroi P mais cela n'est pas obligatoire.
  • On peut utiliser comme fluide de forage un gaz, ou l'eau. Dans certains cas, il est préférable d'utiliser un gaz afin de préserver les caractéristiques physico-chimiques et mécaniques de la zone de forage F. Le gaz employé peut être de l'air, de l'argon ou de l'azote.
  • Ce mode de réalisation nécessite alors que la carotteuse 11 soit également équipée d'un système d'injection de gaz (non représenté sur les figures) constitué typiquement d'une pompe, d'un système de refroidissement, d'un compresseur et préférentiellement d'un aspirateur des poussières générées par le carottage, dont l'embouchure est positionnée de préférence en surface de la zone de forage.
  • Afin de réaliser le forage de guidage 21 sur toute la longueur à forer, on rallonge progressivement le train de tiges, en insérant des tiges supplémentaires, à chaque fois que la crémaillère la sondeuse S arrive en butée.
  • La carotte extraite, et par conséquent ce premier forage de guidage 21, ont une longueur comprise par exemple entre 20 et 1000 cm, correspondant à la longueur totale L du forage 20 de grand diamètre que l'on souhaite forer.
    • 2. Réalisation d'un interstice de diamètre D1
  • Ensuite, en référence aux figures 2 et 1d, on creuse dans la zone de forage F un interstice 22 de forme cylindrique, de diamètre D1 égal au diamètre du forage que l'on souhaite obtenir, et de préférence concentrique au forage de guidage 21.
  • Cet interstice 22 est préférablement réalisé par sciage, au moyen d'une couronne diamantée 12 telle que mentionnée ci-dessus. Ainsi, comme indiqué précédemment, la section d'attaque du matériau est limitée à la surface de la couronne, ce qui réduit les poussières générées au moment de cette étape.
  • Au cours de la réalisation de l'interstice 22 avec la couronne diamantée 12, injecte de préférence de l'air comprimé A dans le forage pour évacuer les poussières générées. Pour cela, plusieurs modes de réalisation sont possibles, comme illustrés schématiquement en figures 4a et 4b.
  • En référence à la figure 4a, la couronne 12 peut présenter une face arrière 121 pleine à l'exception d'un orifice aménagé pour pouvoir y insérer l'arrivée d'air comprimé A, dont le parcours est illustré par des flèches. Ainsi, l'air ressort du coté de la face avant 122 de la couronne, et est évacué le long des bords du forage. Cela permet de refroidir le bord d'attaque de la couronne 12, et d'évacuer en permanence les débris, ce qui permet d'éviter tout risque de blocage de la couronne.
  • En outre, et en référence à la figure 4b, la couronne 12 peut présenter, sur sa face arrière 121, des ouvertures 123, en supplément de l'orifice d'injection d'air comprimé. Les ouvertures 123 permettent le déblocage de la de la roche ou tout autre matériau dans la couronne 12 quand cela est nécessaire. Il est également possible de boucher ces ouvertures 123 quand la couronne 12 n'est pas bloquée, pour améliorer la circulation d'air sur la face avant 122 de la couronne, et donc pour améliorer le refroidissement du bord d'attaque de la couronne.
  • La longueur de l'interstice 22 ainsi réalisé est égale à celle de la couronne diamantée 12, c'est-à-dire de l'ordre de 50 à 60 cm.
  • Selon un mode particulier de l'invention, il est possible d'insérer dans le forage d'exploration 21 un centreur 15 (non représentés sur les figures), qui peut être un repère solidaire à la couronne diamantée 12 et placé de manière fixe par rapport à celle-ci (par exemple en son centre), afin d'assurer que l'interstice 22 ait une position définie par rapport au forage de guidage 21 (typiquement qu'il lui soit concentrique), et que la distance entre ces deux cavités soit constante.
  • Le forage de guidage 21 et l'interstice 22 délimitent une zone cylindrique C de la zone de forage F, représentée sur la figure 2. Les étapes suivantes du procédé selon l'invention visent à extraire les matériaux constitutifs de cette zone C afin d'obtenir un forage 20 de diamètre D1.
    • 3. Formation d'une première partie du forage de diamètre D1
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les matériaux formant la zone cylindrique C sont éclatés. Pour ce faire, on insère dans le forage de guidage 21 un éclateur 14 selon la description ci-avant. Son actionnement, illustré très schématiquement en figures 5a et 5b, permet de faire pression sur le matériau de la zone cylindrique C afin de le faire éclater.
  • L'éclatement du matériau génère des fissures généralement radiales qui, si elles ne sont pas confinées à l'intérieur de la zone cylindrique C, pourraient se propager au-delà de l'interstice 22 et endommager la zone de forage F. Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent d'éviter cet endommagement en confinant ces fissures à l'intérieur de la zone cylindrique C.
  • Pour ce faire, et en référence à la figure 1e, on va, préalablement à l'éclatement des matériaux de la zone cylindrique C, insérer dans l'interstice 22 un panier de confinement 13 comme décrit ci-avant. Avantageusement, le panier de confinement 13 a la même longueur que la couronne diamantée 12, et donc que l'interstice 22.
  • Sa forme cylindrique lui permet d'une part de pouvoir s'insérer dans l'interstice 22, et d'autre part permettre de couvrir une large ouverture angulaire de l'interstice 22, et ce sur toute la longueur de l'interstice.
  • On fait passer ensuite l'éclateur 14 dans le forage de guidage 21, par l'ouverture 131 dans la partie fermée 130 à une extrémité du panier. Optionnellement, on peut placer une cale de support CS sous le train de tiges pour le supporter et éviter qu'il fléchisse sous son propre poids. On actionne ensuite l'éclateur pour faire éclater les matériaux de la zone cylindrique C, tout en confinant ces matériaux grâce au panier 13, comme illustré en figure 1f.
  • Ainsi, le panier 13 permet de confiner l'ensemble des ondes de choc radiales générées par l'étape d'éclatement des matériaux de la zone cylindrique C.
  • En outre, la fente 133 que présente ce panier de confinement 13 confère à ce dernier une certaine plasticité : sous les contraintes transmises par les ondes de choc, le panier 13 peut se déformer radialement vers l'extérieur (typiquement, la déformation peut être un écartement), ce qui lui permet d'absorber l'énergie des ondes et d'éviter sa transmission à l'extérieur de l'interstice 22.
  • Ceci permet aussi de retirer facilement le panier 13 après l'éclatement des matériaux. En effet, si le panier de confinement 13 ne présentait pas cette fente, les roches ou autres matériaux éclatés et demeurant à l'intérieur du panier formeraient une pression importante sur les parois internes du panier et bloqueraient le panier contre les parois du forage, empêchant ainsi son évacuation. Il serait également difficile ou impossible d'extraire les morceaux de roches, ainsi que l'éclateur 14 du panier 13. Le panier utilisé dans l'invention permet de résoudre ces difficultés.
  • Après l'éclatement des matériaux de la zone cylindrique C, on retire le panier 13, contenant ces matériaux et l'éclateur 14, par exemple au moyen d'un câble de retrait actionné par un treuil T ou de tout autre moyen connu.
  • Grâce à ces étapes, on obtient, comme représenté en figure 1g et illustré en figure 6, un forage de guidage 21, de diamètre D2, qui s'étend de préférence sur une longueur égale à la longueur totale L que l'on souhaite forer, ainsi qu'une première partie 201 du forage définitif 20 de diamètre D1, de longueur égale à la couronne diamantée 12.
    • 4. Réalisation complète du forage de diamètre D1
  • La suite du procédé consiste à réitérer les étapes mettant en oeuvre la couronne diamantée 12, l'éclateur 14 et le panier de confinement 13, pour faire progresser la réalisation du forage 20 de diamètre D1.
  • Si le forage de guidage 21 ne s'étend pas sur toute la longueur du forage 20 que l'on souhaite forer, on peut aussi réitérer l'étape mettant en oeuvre la carotteuse 11.
  • Pour réitérer ces étapes, et en référence à la figure 1g, on fixe successivement chacun des outils nécessaires à la réalisation des différentes étapes sur le train de tiges 16 rallongé afin d'obtenir une longueur suffisante pour atteindre le fond de la première partie 201 du forage 20, et que l'on complète au fur et à mesure de l'avancée du forage.
  • Par exemple, la couronne diamantée 12 est montée sur le train de tiges 16 pour réaliser l'interstice 22, puis elle est retirée, et remplacée par le panier de confinement 13, qui est inséré dans l'interstice. Enfin ce panier est séparé du train de tiges 16 et laissé en place, puis l'éclateur est fixé au train de tiges 16 et inséré dans le forage de guidage 21 avant d'être actionné.
  • Après éclatement, l'éclateur 14 et le panier de confinement 16 sont sortis pour extraire le matériau éclaté. Enfin, on ajoute une tige supplémentaire sur le train de tiges 16 pour réitérer ces étapes plus en profondeur dans la zone de forage F.
  • Ce forage présente une surface particulièrement régulière, et dénuée de défauts tels que des fissures, qui pourraient dégrader les propriétés de la paroi, et particulièrement son imperméabilité.
  • Optionnellement, pour une bonne finition du forage réalisé, il est possible d'utiliser un outil appelé « surfaceur » 17, qui permet d'aplanir la surface 202 située au fond du forage définitif 20. En effet, au moment où les matériaux de la dernière zone cylindrique C sont éclatés, ils ne sont pas détachés de la surface 202 de façon régulière.
  • On peut donc mettre en oeuvre une étape complémentaire de « surfaçage » de la surface 202, c'est-à-dire d'aplanissement de cette surface. Le surfaceur 17 pouvant être utilisé pour cette étape est illustré de façon schématique en figure 7a.
  • Il s'agit d'une forme particulière de couronne diamantée, montée à rotation comme cette dernière sur le train de tiges 16, et présentant sur sa face avant 170 une partie diamantée en saillie permettant de niveler la paroi du forage.
  • De préférence, la face avant 170, illustrée plus en détails en figure 7b, est de section circulaire de diamètre D1, et comporte plusieurs tronçons de spirale 171 s'étendant depuis le centre de la face avant vers sa périphérie, les tronçons étant répartis régulièrement pour couvrir de façon homogène les 360° de la surface de la face avant 170. Les tronçons sont dentés, pour pouvoir attaquer le matériau du forage (roches, béton, etc.).
  • Les tronçons de spirale 171 peuvent reposer sur une armature métallique 172 telle qu'une grille, ce qui permet d'alléger la structure. En outre, dans le cas où l'on injecte de l'air comprimé selon la même technique qu'exposée plus haut, l'air comprimé peut passer au travers de la grille et refroidir le bord d'attaque du surfaceur 17.
  • En référence à la figure 1g on obtient, après évacuation des matériaux éclatés et surfaçage, un forage 20 de diamètre D1 compris entre 600 et 700mm, dont le fond présente une surface 202 plane et dénuée de fissure, et autour duquel la zone de forage F est entièrement préservée.

Claims (14)

  1. Procédé pour la réalisation d'un forage (20) dans une zone de forage (F), et de grand diamètre D1, comprenant les étapes consistant à :
    a. réaliser un premier forage de guidage (21), de diamètre D2 inférieur à D1,
    b. réaliser un interstice cylindrique (22), de diamètre D1, positionné de manière contrôlée par rapport au forage de guidage (21), délimitant une zone cylindrique (C) de la zone de forage (F) comprise entre la cavité (21) et l'interstice (22)
    c. insérer un panier de confinement (13) dans l'interstice cylindrique (22),
    d. éclater les matériaux constituant la zone cylindrique (C) de la zone de forage (F), et
    e. extraire les matériaux préalablement éclatés par évacuation du panier de confinement (13).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le forage de guidage (21) est cylindrique, et concentrique avec l'interstice cylindrique (22).
  3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le diamètre D1 est supérieur à 400 mm, et préférentiellement compris entre 600 et 700 mm.
  4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le diamètre D2 est compris entre 60 et 100 mm, et préférentiellement égal à 100 mm.
  5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier forage de guidage (21) est réalisé par carottage.
  6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'interstice circulaire (22) est réalisé par sciage.
  7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le forage de guidage (21) réalisé au cours de l'étape a. a une longueur égale à la longueur voulue (L) du forage (20) de grand diamètre, et au cours duquel on itère les étapes b. à e. jusqu'à obtenir un forage (20) de longueur voulue (L).
  8. Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre une étape au cours de laquelle on aplanit le fond du forage (20) de longueur voulue (L).
  9. Foreuse pour la réalisation d'un forage (20) dans une zone de forage (F), et de grand diamètre D1, comprenant :
    - un moyen de réalisation d'un forage de guidage (21), de diamètre D2 inférieur à D1,
    - un moyen de réalisation d'un interstice cylindrique (22), de diamètre D1, positionné de manière contrôlée par rapport au forage de guidage (21), délimitant une zone cylindrique (C) de la zone de forage (F) comprise entre la cavité (21) et l'interstice (22),
    - un panier de confinement (13), adapté pour être inséré dans l'interstice cylindrique (22),
    - un éclateur (14), adapté pour éclater les matériaux de la zone cylindrique (C) de la zone de forage (F), et
    - un train de tiges (16) de longueur ajustable, et adapté pour être fixé au moins au panier de confinement (13) afin d'extraire les matériaux préalablement éclatés par évacuation du panier de confinement (13).
  10. Foreuse selon la revendication 9, comprenant en outre un surfaceur (17) de diamètre D1, adapté pour aplanir le fond d'un forage obtenu avec ladite foreuse.
  11. Foreuse selon la revendication 9, dans laquelle le moyen de réalisation du forage de guidage (21) est une carotteuse (11).
  12. Foreuse selon la revendication 9, dans laquelle le moyen de réalisation de l'interstice (22) est une couronne diamantée (12).
  13. Foreuse selon la revendication précédente, dans laquelle la couronne diamantée comprend en outre un centreur (15).
  14. Foreuse selon la revendication précédente, dans laquelle le centreur (15) est cylindrique, concentrique à la couronne diamantée (12), et apte à être inséré dans le forage de guidage (21).
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