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Procédé de froage la présente invention concerne un procède de forage au trépan. Le forage par trépan est connu depuis plue de 2.000 ans et peut être employé' pour réduire sensiblement la quantité de travail effectuée dans le forage étant donné qu'il n'y a qu'une petite partie du matériau se trouvant dans le trou de sonde qui est désagrégée, la plus grande partie restant dans le trou nous forme d'une carotte que l'on enlèvera en la relevant sensiblement intacte à l'aide de dispositifs hydrauliques ou pneumatiques, permettant une grande réduction du poids et du coût du train de tiges, de la chèvre ou derrick, et du navire ou plate-forme de forage,
réduisant ainsi le coût et le temps de fora%ion et
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permettant de forer des troua de tond* beaucoup plus profonde qu'il n'était poaeible de le faire jusqu'à présent.
Une récupération de carotte pratiquement complète donne aux géologues des informations nouvelles et eau prix et des renseignements géologiques complète et permet l'emploi plus ef ficace des procédés des prospection géophysique, qui loua peu- .vent réduire sensiblement on le conçoit,
la dépense en argent et en tempe nécessiare pour localiser et déterminer avec précision l'emplaement de gisements minéraux$ de couches pétrolifères et ..de gisements de sourfre et peut même permettre de localiser des gisements qui ne peuvent pas être découverts dans l'état actuel de la techique le procédé non seulement permet mais rend même recommandable l'emploi de trous de sonde de plus grand diamètre que ceux connus comme économique à présent permettant ainsi d'avoir des renseignements géologiques.plus complets et des troua plus droits.
le forage par trépan facilite également le réglage de la direction, étant donné qu'il est basé plutôt sur une opéra- tion de coupe que sur une opération de broyage et que la tige de foration est sensiblement plus raide, ayant pratiquement le même diamètre que le trépan. '
Avec les métaux et la métallurgie moderne, le bord de coupe du trépan peut être fabriqué de façon à durer beaucoup plue longtemps que les taillants rotatifs et les trépana à percussion actuels, et peut être fait à n'importe quelle longueur désirée qu'on puisse manipuler avec le chevalement, ce qui réduit ainsi ou élimine le besoin de ressortir le train de tiges pour changer les taillants.
La vie du trépan peut être sensiblement augmentée eu interposant sur la commande de l'avance du train de tiges de fo- ration un appareil de mesure de l'effort de torsion et en réglant
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ainsi et en limitant la charge ou poussée exercée our le trépan dans des limites de sécurité tout en la maintenant suffisamment élevée pour avoir des performances optima dans la structure géo- logique à. l'horizon géologique que l'on est en train de forer et en faisant varier automatiquement la vitesse d'avance selon les changements de structure,
Avec un réglage de la charge automatique et une tige de foration plus raide, on peut réduire la vibration de la tige de foration au minimum et on peut la régler en faisant varier la vitesse de rotation et le taux d'avance.
L'emploi d'un échelonnement de dimensions de tiges et de trépans de foration rentrant les unes dans les autres permet de forer des trous de sonde très profonds en utilisant successi. vement des dimensions de plus en plus petites à mesure que chaque plus grande dimension de trépan est usée, la tige étant laissée dans le trou de sonde pour servir de tubage de revêtement pour la dimension inférieure suivante, ce qui évite ainsi d'avoir à retirer le train de tiges et de réduire la capacité de la plate- forme ou du navire ou ponton de sondage à celle qui est néoea- saire pour le chevalement et l'approvisionnement courant de tiges, au lieu de tout le train de tiges de foration comme cela serait le cas s'il fallait retirer la totalité du train de tiges.
On n'emploie pas de boue de sondage étant donné que la pression dans le trou de sonde est maintenue par le fluide de sondage qui peut être soit un fluide injecté soit un produit naturel du txou de sonde, le même fluide servant de fluide de coupe aussi bien que de véhioule pour emporter les débris de fo- ration, et de fluide pour relever la carotte. Il pourrait égale- ment servir comme fluide opératoire quand le trépan est entraîné par turbine, ce qui réduirait matériellement la vibration dans le train de tiges et la puissance nécessaire pour vaincre l'inertie
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au démarrage,
Il n'y a pas besoin de conduite de boue ce qui réduit ;. le coût et le poids des matériaux à fournir et de'la ligne de fora%ion, ainsi que d'autres équipements.
En bref, le procédé de l'invention ouvre de nouveaux ; champs d'activité d'une valeur incalculables, champs qui sont inaccessibles par les méthodes actuelles.
La présente invention concerne un procédé de.forage par emploi de trépans et récupération sensiblement continue de la carotte. Il ne concerne qu'indirectement la machinerie et l'équipement pour la mise en oeuvre du procédé, qui sont couverte par diverses inventions subordonnées. On décrit maintenant le ' procédé.
On descend de la manière habituelle un tubage de dimen sion appropriée à travers les matériaux de surface désagrégés jusqu'à une couche solide et on le cimente en place de façon à ce qu'il résiste à la pression dirigée vers le haut exercée par le fluide de sondage et/ou par les matériaux naturels sous pres- sion que l'on peut rencontrer pendant la foration, et on le ci- mente ainsi de façon à éviter toute perte de pression à l'exté- rieur du tubage. Le tubage de revêtement doit être constitué d'une manière telle et avoir une épaisseur de paroi telle qu'elle' résiste en sécurité à la pression interne qui se développe pen- dant la foration.
A l'extrémité supérieure du tubage de revêtement se trouve fixée fermement une tête d'une conception appropriée, oom- portant une ouverture disposée de façon , laisser passer le tré- pan et la tige, et en même temps à retenir le fluide de foration et les produits du trou de sonde, une ouverture pour l'admis- sion du fluide de foratin et une autre pour l'installation de . manomètres et pour le réglage de'la pression de fluide de
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foration
On fait passer à travers la tête de pute un trépan cylindrique ayant un diamètre extérieur suffissamment plus petit que le diamètre intérieur du tubage pour laisser passer par les- pace annulaire se trouvant entre le tubage et le trépan, la quantité nécessaire de fluide de foration.
Le trépan comporte des dont$ d'une conception et d'une diepoeition appropria de façon à découper une rainure annulaire dans la formation géolo- gique que l'on veut forer et à laisser un espace entre la ca rotte et l'intérieur du trépan.
Un tube ou tie de fora%ion est relié à l'extrémité supérieure du trépan et a un diamètre exté rieur légèrement inférieur à celui du bord de coupe extérieur du trépan pour éviter le coincement dana le trou de sonde et laisser le passage à la quantité de fluide de foration nécessaire pour lubrifier le passage de la tige dans le trou de sonde et l'enlèvement dea débris de foration, la tige de foration a un diamètre inférieur légèrement supérieur au diamètre intérieur des borda intérieurs de coupe du trépan pour permettre le pas- sage vera le haut du fluide de foratin et des débris de fora- tion,
mais ce passage étant limité de façon que le frottement dù au déplacement ascendant du fluide et des débris de foration tende à limiter l'écoulement vers le haut du fluide de foration et des débris de fora%ion et rende nécessaire une augmentation de pression du fluide de foration à l'extérieur de la tige de foration et du trépan pour maintenir un éooulement suffisant de fluide de fora%ion afin que le trépan coupe correctement, jus qu'à ce que la pression elle-même régnant autour de la carotte en place soit suffisante pour briser la carotte, ou comme dans quelques structures fissurées ou poreuses, refouler le fluide de foration dans une crevasse naturelle ou provoquée ou dans une discontinuité de la carotte en place et la séparer,
la pression
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différentielle du fluide de fora%ion existant entre la sont de séparation et le somment de la carotte en place poussant alors la carotte détachée comme elle le ferait d'un piéton, jusqu'à la tête du puits.
on ajoute des tronçons successifs de tige selon la nécessité pour que le trépan atteigne le fond du trou de sonde Le trépan étant sur le fond du trou de sonde, des étriers, brides ou plateaux d'entraînement ou autres dispositifs réglables sont fixés à la tige au-deasus de la tête du puits s fin de faire tourner le train de tiges et le trépan et régler la position verticale et le mouvement soit mécaniquement soit hydrau.- liquement, la pression du fluide à l'intérieur de la tige est réglée de manière appropriée de facon à faire remonter la carotte .
et à régler l'écoulement du fluide de foration autour des borda de coupe du trépan et recevoir le fluide pour séparer les débris de foration emportés et réutiliser le fluide.
La commande verticale des tiges comporte un dispositif de mesure du couple de torsion qui est interposé sur l'entraîne- , ment de rotation afin de régler dans les limites désirées le couple de torsion et permettre la vitesse de foration optima en faisant augmenter ou diminuer la pression qui sollicite le tré- pan sur la structure de roche dans laquele on fore
On soulève légèrement le train de tiges pour libérer le répabn du fond du trou de sonde, l'écoulement du fluide de fo ration commence à se faire vers le bas à l'extérieur du train de tiges et vers le haut à l'intérieur, on met en marche la rotation, du train de tiges et quand elle arrive à une vitesse de foratin normale, on descend lentement le train de tiges jusqu'à ce que,
le trépan commence à couper doucement, puis on branche l'apparei pour avoir un réglage approprié connu automatique de l'avance et du couple de torsion,
A mesure que la carotte grandit, la pression de fluide ;
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à la tête du puits à l'intérieur du train de tiges tend à baisser par rapport a la pression à l'extérieur et nécessite une augmen- tation de la pression extérieure pour maintenir l'écoulement néce ssaire de fluide de foration afin d'emporter les débris de fora- tion (ce réglage de pression étant effectue soit manuellement soit automatiquement),
La séparation de la carotte et son asoen- sion à l'intérieur du train de tiges seront indiquées par une certaine variation dans la pression du fluide de foration à l'intérieur du train de tiges. Si la carotte atteignait une lon- gueur telle qu'il soit à oraindre des difficultés pour aa mani- pulation à la tête du puits, on augmente la pression du fluide de foration jusqu'à ce que la perte de pression par frottement entre la carotte et le fluide de foration et les débris de fora- tion entraînés qui sont en déplacement vers le haut soit suffi- sante pour séparer la carotte, et alors on peut rétablir à nou- veau les pressions normales.
Ce processus de rupture commandée de la carotte, de même que le processus normal de rupture par le fluide de sondage pénétrant dans une crevasse, peut avoir lieu sans perturber la progression normale du forage.
L'usure de l'élément coupant du trépan est indiquée par une réduction assez soudaine du taux d'avanoe du train de tiges, et de la pression à l'intérieur du train de tiges par rap- port à la pression à l'extérieur ; on.peut alors retirer le train de tiges et remplacer le trépan usé, par un nouveau, et on con- tinue à forer comme on l'a décrit précédemment. a mesure que la profondeur du trou de sonde augmente, on atteindra un point oû il n'est plus économique de retirer et de remplaoer le trépan.
On laisse alors tout le train de tiges dans le trou de sonde, on coupe le train de tiges au sommet du tubage et on le scelle fer- mement à celui-ci et on introduit un nouveau trépan et un train de tiges de diamètre inférieur au premier (et qui est par rapport
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au premier comme le premier était par rapport au tubage de revé tement). On peut alors reprendre l'exécution du forage comme on l'a décrit ci-dessus pour le premier train de tiges. Ce procès- . sus d'utiliser des trains de diamètres décroissants peut se pour.. suivre jusqu'à ce que le trou de sonde atteigne la profondeur nécessaire.
. Pour des trous de sonde très profonds où l'inertie du train de tiges est grande, il peut être éoonomique de faire tour- ner le trépan au moyen d'une turbine hydraulique placée à la tête du trépan, sans faire tourner tout le train de tiges, le trépan étant entraîné par le fluide de foration.
Bien que le fluide de foration puisse être n'importe quel fluide approprié, on a considéré divers fluides possibles.
Le gaz de pétrole liquide (LPG) semble le plus prometteur du fait qu'on le trouve facilement à présent et du fait de sa tendance à se vaporiser sous des pressions relativement faibles et à se di- ; later, ce qui aide à relever la carotte jusqu'au point où on la récupère. Même le pétrole brut peut convenir, ainsi que des mé- langes de produits pétroliers. A des profondeurs où la tempéra- ture est au-dessus du point de fusion du soufre, le soufre fondu ,1 pourrait servir.
Pour des grandes profondeurs où les pressions et températures sont trés élevées, il peut être nécessaire d'employer un fluide préparé à partir d'un ou plusieurs éléments métalliques tel que le mercure, ainsi que les substances qu'on emploie ac- tuellement dans les usines énergétiques atomiques pour transmet- tre de l'énergie depuis le réacteur jusqu'à la turbine.
En employant le procédé de l'invention, les techniciens expérimentés comprendront facilement que ;des éruptions ou purges par soufflage sont pratiquement impossibles Il en résulte la possibilité d'éliminer des mesures de séurité spéciales, tandis que les opérations deviennent plus économiques.
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Bien que le procède ait été décrit pour le forage de puits d'exploration de pétrole verticaux, il peut tire employé avec des variations appropriées pour des troua de sonde dans n'importe quelle direction et n'importe quel autre but, par exemple exploration de minéraux, recherche de soufre ou explora- lion du sous-sol, n'importe quelle aorte de foration de pute ou de recherchée, les minages de toutes sortes$ la construction de tunnels pour chemine de fer, routes ou projeta hydrauliques la fora%ion de sondages d'exploration du moyen terrestre et d'une ! manière géniale n'importe quelle sorte de foration dans du ter . rain.
Pour récapituler, on peut dire que l'invention concerne un procède fondamental et huit procédés ou processus auxiliaires qui améliorent, perfectionnent et étendent l'intérêt du procède fondamental.
1 Procède de foration de terrain* consistant à en- foncer dans la terre un tubage de revêtement de dimension appro- priée devant n'étendre depuis la surface du sol jusqu'à un cube- tratum terme, à sceller ledit tubage pour qu'il résiste au maxi mum , une pression dirigée vers le haut et qu'il résiste à toutes pertes de pression interne maximum, .. fixer une tête de puits appropriée à l'extrémité supérieure dudit tubage, à faire passer un trépan de foration cylindrique àd travers ladite tête de puits et ledit tubage,
à faire passer des tubes de forage creux ou tiges creuses à travers ladite tête de puits et ledit tubage et à fixer lesdites tiges sur ledit trépan cylindiruque à interposer entre ledit trépan et le dispositif d'énergie de rotation un ap- pareil destiné à régler le couple de torsion, à mettre en rota- tion ledit trépan au moyen dudit dispositif d'énergie de rota- tion en oontaot avec la surface de la terre pour forer un trou de diamètre supérieur au diamètre extérieur desdites tiges, la différence étant une quantité déterminée à l'avance et découper
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de cette manière dans lois différentes couches de terrain une carotte dont le diamètre est plus petit que le diamè tre inférieur des dite* tiges)
la différence étant une quantité déterminée à l'avance, à régler l'entrinemeent vertical dudit dispositif d'énargie de rotation appliqué au trépan à l'aide dudit dispositif de réglage du couple de torsion en le réglant à un couple de torsion optima pour les conditions de travail et les caractéristique)
* physiques des matériaux impliqués à faire passer un fluide-de foration dans les passages ménagés entre ledit trou et lesdites tiges pour revenir par la section dudit passage existant entre les tubes et la carotte à une valeur telle que le frottement du passage dudit fluide de foration entraînant les débris de foration provoque une augmentation de pression qui sépare ladite carotte et force la longueur de carotte ainsi débâchée ! à s'élever à l'intérieur desdites tiges ( nécessaires pour la continuité) à récupérer continuellement ladite longueur détachée de couronne au niveau de la surface du 1, et à ajoute-- d'autres tronçons de tiges à mesure que la profondeur du forage augmente.
D'autres réalisations plus spécifiques dérivant de ce procédé général peuvent être : 2 - Un procédé comme il est exposé au paragraphe
I, consistent en outre à déconnecter ledit réglage d'en- traînement et appareil de mesure du couple de torsion à recommencer après chaque arrêt en soulevant les tiges de foration et le trépan poux faire cesser leur contact avec le fond du trou de sonde, à faire recircouler simul- ' tanément le fluide de foration tout en faisant recom- mencer à tourner le trépan,
à descendre le trépan pour
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q'il entre à. nouveau en contact avec ledit fond du trou de sonde une fois que la vitesse de travail a été attein- te et à reconnecter ledit réglage d'entraînement à l'ap- pareil de réglage du couple de torsion.
3 Un procédé comme il est exposé aux paragra- phes 1 et 2, consistant en outre à détacher ladite carot te à vclonté en faisant croître la pression dudit fluide de foration en circulation jusqu'à ce que la séparation ait été provoquée et à maintenir ladite augmentation de pression jusqu'à la récupération de la longueur de oarotte tronçonnée à la surface du sol.
4 Un procédé comme exposé aux paragraphes 1, 2 ou 3, consistant en outre à abandonner à volonté lesdites Figes creuses de foration et le trépan, à couper,, lesdites tiges au sommet du tubage de revêtement précité, à sceller l'extrémité coupée desdites tiges sur ledit tubage, à descendre un autre trépan et d'autres tiges de foration d'un diamètre qui puisse loger 'dans l'intérieur du diamètre intérieur desdits tubes initiaux jusqu'à ce que le nouveau trépan vienne en contact avec le fond du trou de sonde, et à faire tourner le nouveau trépan, pour continuer à forer ledit trou de sonde.
5 ..Un procédé comme exposé aux paragraphes 1, 2, 3 et 4, consistant en outre à faire tourner le trépan au moyen d'une turbine hydraulique montée sur la tête de trépan et entraînée par le fluide de foration en cir culation.