~ 3~
La presen~e invention est l'application nouvelle à un mode de forage existant ~le fora~e percutant avec mar-teau hors du trou) d'une technique part~culière de circula-tion (la circulation inverse double tut~e) dejà utiliséedans les forages mais dans des domaines totalement différ~nts par exemple : le forage au tricône.
On sait depuis longtemps forer le sol à l'aide d' un taillant vissé à l'extrémité inférieure d'un tube dontle sommet est soumis simultanément à la percussion et à la ro-tation données par un marteau de surface.
Au fur et à mesure de la progression du forage, on visse sur le sommet du tube des éléments tubulaires sur lesque~s le mécanisme de forage agit à nouveau.
1~ Le tube est utilisé pour injecter un fluide (air, eau,...) dont le role est de nettoyer le taillant, de déga-ger le fond du trou des débris de roche et de les remonter jusqu'à la surfacs par l'espace annulaire entre tube et ter-rain.
Cette méthode présente 2 inconvénients principaux:
- le fluide chargé des débris du creusement peut etre pol-lué par d'aùtres débris arrachés à la paroi au cours de la remontée, ce qui empêche de reconstituer la succession des terrains traversés.
- les manchons qui servent à assembler les éléments tubu-laires entre eux faisant saillie dans le forage, ils contri-buent à la dégradation de la paroi et crlent un risque per-manent de coincement.
La présente invention a pour b~t d'éviter ces in-convénients et de réaliser des forages de meilleure quali-té
et de faire du "forage avec marteau hors du trou" un véri~
table outil de reconnaissance géologique en obtenant un bon échantillonnage des terrains traversés et ce, à un moindre coat que le carottage traditionnel.
Le procéde selon l'invention pour réaliser un fo-rage percut~nt à circulation inverse avec marteau hors du trou est caractérisé en ce que l'eau est injectée entre une chemise et un tube concentriques progressant simultanément L'eau parvenue à la base sort autour du taillant, nettoie le fond du forage, puis par le trou central du t~l-~- ` ' `- ~ ' ' .
,:
7 ~ 7 lant et l'intérieur du tube remonte avec les débris de eo-che jusqu en surface.
Crâce à cette application nouvelle du procedé, 5 les débris de roche remontent - dès qu'ils sont prélevés (pas de pollution de l'échantil-lon au cours de la remontée) - très rapidement (faiDle section de l'intérieur du tube) - sans être rebroyés le long du forage par les manchons ce lO qui permet d'obtenir des éléments de roche d'une taille fa-cilitant leur identification et leur étude.
Un dispositif de forage sélon l'invention pour la mise en oeuvre du procédé comprend un tube axial dont le som-met reçoit la frappe d'un marteau et dont l'intérieur sert 15 à la remontée des débris qui sont éjectés en surface.
Selon une caractéristique de L'invention ces dé-bris sont éjectés en surface soit dans l'axe du marteau par l'aiguille qui traverse le piston, soit latéralement sous le marteau.
Le dispositif de forage est caractérisé en ce qu' autour du tube axial se trouve délimité, par une chemise, un volume annulaire qui est raccordé, sous ie mar~eau, à une tête d'injection d'eau et, au fond du trou, au taillant lui-même.
Selon qu'il est nécessaire de livrer au géologue un forage chemisé ou non on utilisera 2 dispositifs diffé-rents. I
Si le trou doit être livré nu on emploiera un em-pilage d'éléments monoblocs double-corp~ composes d'un tube 30 axial et d'une chemise périphérique filetée male à une ex-trémité et femelle à l'autre, ces filetages ser~ant à acc~u-pler les éléments monoblocs double-corps entre eux et à les entraîner en rotation.
Le tube est centre à l'interieur de la chemise par 35 un dispositif qui laisse celle-ci à l'abri des ondes de choc transmises par le tube et qui autorise un certain coulisse-ment entre tube et chemise.
Si le trou doit être chemisé, il est préférable -d'utiliser l'autre dispositif. Le tube axial sera constitué
par des allonges tubulaires classiques filetées male ~ leurs ...... ~- . .............. - ' ; ' .'.' - . , :' ..
. ~ . . ,' . ' '~.-. ,' . . ' . .:
:
i3~7~7 deux extrémités et assemblées entre elles par des man-chons.
La chemise périphérique sera formée par des S éléments filetés male d'un côté , ~emelle de l'autre et vissés ies uns aux autres A la différence du dispositif monobloc dou-ble-corps le tube axial et la chemise périphérique ne sont reliés entre eux qu'a leurs extrémités, sous le mar-teau et au taillant.
Selon une caractéristique de l'inventionoutre la frappe qui est , dans tolls les cas , transmise par le tube jusqu'au taillant , l'entrainement en rota-tioM du taillant peut être assuré de deux façons , soit par le marteau agissant sur le tube , soit par une tête de rotation indépendante agissant sur la chemis~e.
Quant à la chemise qui, dans tous les cas, progresse avec le taillant, elle peut l'accomPagner de deux fasons , soit en ne tournant pas , soit en étant mise en rotation ou bien par la tête de rotation ou bien par un dispositif lié au taillant.
Dans ce dernier cas les filetages des élé-ments du tube et ceux des &léments de la chemise devront âtre réalisés de sens opposé.
Suivant une autre caractéristique de l'inven-tion, le marteau possède un piston tubulaire que traverse une " aiguille " creuse dont le diam~tre intérieur est identique à celui du tube axial , ce qui donne un trajet rigoureusement rectiligne pour les délbris de roche remon-tés par l'eau , si bien qu'on peut les recueillir à la sortie du tube au dessus du marteau.
Cette configuration particulière permet , sous réserve de modifications mineures du taillant , la remontée continue de carot~es , améliorant encore ainsi la qualite de 1' échantillonnage des terrains tra-versés.
Le dessin annexé , donné à titre d' exemple non limitatif , permettra de mieux comprendre 1' inven-tion et les avantages qu 'elle est susceptible de pro-curer.
' ' ' ' ~, ,' ' . ~
' ~3~7~7 Figure 1 est une coupe longitlldinale schématique montrant la partie supérie~re d'une installation de forage selon l'invention.
Figure 2 montre l'extrémité inférieure au niveau du taillant.
Figllre 3 montre une variante de la FiglJre l, per-mettant en outre de recueillir des carottes au dessus du marteau.
Figllre 4 illustre la zone de raccordement entre deux éléments du tube central.
Figure S est une vue de la base du tube axial et du premier élément de la chemise périphérique.
-Figure 6 illustre le mode de dévissage entre deux élémen-ts de la chemise périphérique.
Figure 7 illustre la structure inférieure, dans la zone du taillant.
Figure 8 mon-tre la circulation de l'eau et des sédiments dans la zone du taillant.
Figure 9 est une coupe suivant IX-IX ~Figure 10).
Figure 10 montre la liaison du taillant avec la base du tube axial et de celle de la chemise périphérique.
Figure 11 montre le forage terminé, tel qu'on le livre chemisé.
Figure 12 détaille une structure possible dans la zone supérieure de la Figure 1 en position "forage".
Figure 13 est une coupe transversale suivant XIII-XIII (Figure 12) montrant une clé de déblocage.
Figure 14 correspond à une au!tre vue de la Figure 12, mais en position "manoeuvrs".
On a représenté sur les Figures 1 et 2 le schéma d'un dispositif de forage à flux inverse selon l'invention.
Le marteau roto-percutant l comprend un piston 2 ~ui ~`rappe à la manière connue sur le tronson supérieur 3d' un ~ube 4. Celui-ci est constitué par une suite d'allonges tuoulaires telles que 5, 6, 7, 8, 9 assemblées les unes à
la suite des autres. Pour cela, chaque allonge possède ~
son sommet une zone filetée 10 (Figure 4) et à sa base une autre zone filetee 11. Les deux filetages sont de meme sens et l'ass~mblage s'effectue à la manière connue par vissage - :
:
~3~7~ .
dans un manchon fileté 12 de deux zones filetees adjacentes 10 et 11 (Figure 4).
A son extremite inferie~re, le tube (composé d'al-longes tubulaires) est vissé s~r le taillant 13 par l'in-termediaire d'un manchon ~ileté 14. Ce manchon 14 pr~sente la particularité d'avoir lé filetage côte oppose au tail-lant plus facile à dévisser que ceux des zones précitées 10 et 11. A cet effet, on peut prévoir :
- dans la partie supérieure du manchon 14, pour son assem-blage avec l'~llonge tublJlaire inférieure 9 du tube 4, un filet 15 à profil trapézoïdal ;
- dans la partie inférieure du manchon 14, pour son assem blage.avec le filetage 16 du taillant 13, un filet 17 à Fro-fil cordon, par exemple du genre classé sous la référenceR 45 dans la norme européenne (Figures 2 et 7).
Par ailleurs, entre l'embase proprement dite du taillant 13 et son filetage mâle 16, on orévoit sur le corps un tronson 18 pourvu de cannelures longitudinales 19. Ces dernières coulissent librement dans le sens axial (flèche double 20, Figure 2) entre les cannelures correspondantes 21 prévues à l'intérieur de l'extrémité 22 de l'élémen-t in-férieur 24 d'une chemise 23 ~ormée par vissage les uns au bout des autres, d'éléments tels que 24, 2S, 26, 27, 28.Ces éléments de chemise 24 à 28 sont assemblés dans le prolon-gement les uns des autres par des filetages mâle 30 et fe-melle 31 taillés dans les zones renforcées Z9~ Le pas de ces derniers filetages présente la particularité d'etre de sens inverse des filetages 10,11, 15,1~. Autrement dit, les uns sont filetés "à droite", les autres "à gauche". Ainsi, lorsque le marteau 1 entraîne par son sommet le tube de fo-rage 4, c'est la partie inferieure de celui-ci qui, par les cannelures 19, 21, entraîne en rotation le pied de la chemise 23. Gr~ce à cette disposition, la rotation commande par le marteau 1 tend à serrer tous les assemblages vissés, aussi bien ceux du tube 4 que ceux de la chemise 23.
Par ailleurs, des pions de centrage 32 sont prz-vus sur la paroi intérieure de la chemise 23 7 répartis dans les zones renforcées 29 et eventuellement dans les éléments de chemise 24 à 28. Ces pions sont destinés à prendre appui ~' , '' ' . ~ 3~7~7 contre l'extérieur du tube 4, pour definir alJtour de lui un espace intermediaire annlJlaire 33 où circ-llera le fluide de forage (air ou eau).
Enfin, pour augmenter les sections de passage pr~
vues pour le fluide de forage, on prevoit preferablement sur le trépan 13 une large gorge periphérique 34 ~Figur~ Z, 7, 10) et des canaux fraisés longitudinaux 35. On prévoit aussi que le nombre des cannelures mâles 19 (par exempl~ trois sur 10 la Figure 9) est inférieur à celui des cannelures 21 du man-chon 22 (par exemple six), ce qui laisse libres de larges passages d'eau ou d'air 36 (par exemple trois).
Dans l'exemple de la Figure 1, le tronçon supé-rieur 3 est surmonté par une surface de frappe 37 et il pos-15 sède une ouverture de sortie latérale 33 qui communique a~ecl'espace intérieur 39 du tube de forage 4.
Par ailleurs, l'espace annulaire 33 est obture à
sa partie supérieure par un touret d'injection etanche 40 ~, qui entoure le tube 4 mais reste isole de la frappe du pis-20 ton 2, alors gue cet espace 33 débouche lateralement sur un canal d'alimentation 41 relie à une injection d'air compr~e ou d'eau sous pression.
Le fonctionnement est le suivank :
Le tube axial 4 sert à transmettre au taillant 13 25 les ondes de choc et le mouvement de rotation. ~e fluide tair ou eau3 injecté par le canal d'alimentation 41 descend dans l'espace annulaire 33 puis, par les passages 36, 34, parvient à la zone de creusement 42 situee au fond du trou qu'il nettoie et d'où il évacue les déb~is 43. CPUX_Ci sont 30 remontes par l'espace central 39, puis ejectes par l'ouver-ture 38. Ainsi, les debris de roche remontes ne risquent pas d'être pollues par les terrains dejà traverses.
En fin de forage, il suffit de bloquer avec une cle 44 (Figures 12 et 15) le sommet de la chemise 23, puis 35 de provoquer la rotation du tube 4 en sens inverse du sens utilise pour 1~ forage, C'est au niveau du manchon 14 que les filetages se desserrent et se devissent, si bien que la chemise 23 et le trépan 13 restent en place dans le tr~u ~5 (Figure 11) lorsque l'on a extrait le tube 4. Ainsi, le t~u 40 35 peut être livré tube.
' ', -: ~
Dans la variante de la Figure 3, on prévoit dans le marteau 46, un piston 47 qui présente la particularité d'être percé. Ce piston annulaire est traversé par une aiguille tubulaire 48 que prolonge vers le haut le tube 4. L'intérêt de cette disposition est d'évacuer les sédiments 43 suivant un trajet entièrement rectiligne jusqu'à l'ouverture d'évacuation finale 48. Grâce à cette structure, on peut donc recueillir par l'ouverture superieure 48, non ~eulement des débris de roche, mais également des carottes parmettant l'étude plus complète des terrains.
On a représenté sur les Figures 12, 14, une réalisation possible du dispositif de tête reliant le tube 4, la chemise 23 et le marteau l selon les Figures l et 2.
~. ,...~ ~ 3 ~
The present invention is the new application to an existing drilling mode ~ the percussive fora ~ e with mar-out of the hole) of a special technique ~ circulating tion (reverse circulation double tut ~ e) already used in drilling but in totally different areas for example: tricone drilling.
It has long been known to drill the ground using a cutter screwed to the lower end of a tube whose summit is subjected simultaneously to percussion and to the tation given by a surface hammer.
As the drilling progresses, we screw on the top of the tube tubular elements on lesque ~ s the drilling mechanism acts again.
1 ~ The tube is used to inject a fluid (air, water, ...) whose role is to clean the cutting edge, manage the bottom of the rock debris hole and reassemble it up to the surfaces through the annular space between tube and ter-rain.
This method has 2 main drawbacks:
- the fluid loaded with excavation debris can be pol-read by other debris torn from the wall during the rise, which prevents the reconstruction of the succession of land crossed.
- the sleeves which are used to assemble the tubular elements between them protruding into the borehole, they contribute drink from the degradation of the wall and create a per-stuck.
The present invention has for b ~ t to avoid these in-and to carry out better quality drilling and to make "drilling with hammer out of the hole" a veri ~
table geological reconnaissance tool by getting a good sampling of land crossed at a lower coat than traditional coring.
The method according to the invention for carrying out a fo-rage percut ~ nt reverse circulation with hammer out of hole is characterized in that water is injected between a concentric jacket and tube progressing simultaneously The water reaching the base comes out around the cutting edge, clean the bottom of the borehole, then through the central hole of the t ~ l-~ - `` '' - ~ '' .
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7 ~ 7 lant and the inside of the tube rises with the debris of eo-che up to the surface.
Thanks to this new application of the process, 5 rock debris rises - as soon as they are taken (no pollution of the sample-during the ascent) - very quickly (small section of the interior of the tube) - without being regrinded along the drilling by the sleeves this lO which makes it possible to obtain rock elements of size fa-cilitating their identification and study.
A drilling device according to the invention for the implementation of the method comprises an axial tube whose summit puts receives the strike of a hammer and whose interior is used 15 on the ascent of debris which is ejected on the surface.
According to a characteristic of the invention, these breakages are ejected on the surface either in the axis of the hammer by the needle passing through the piston, either laterally under the hammer.
The drilling device is characterized in that around the axial tube is delimited, by a jacket, a annular volume which is connected, under ie mar ~ water, to a water injection head and, at the bottom of the hole, to the cutter itself even.
Depending on whether it is necessary to deliver to the geologist a jacketed drill or not we will use 2 different devices rents. I
If the hole is to be delivered bare, use a pounding of double-body monoblock elements ~ composed of a tube 30 axial and a male threaded peripheral jacket at an ex-end and female to the other, these threads ser ~ ant to acc ~ u-fold the one-piece double-body elements together and drive in rotation.
The tube is centered inside the shirt by 35 a device which leaves it sheltered from shock waves transmitted by the tube and which allows a certain slide-between tube and jacket.
If the hole needs to be jacketed, it is better -to use the other device. The axial tube will be made by conventional male threaded tubular extensions ~ their ...... ~ -. .............. - ';'.'.' -. ,: ' ..
. ~. . , '. '' ~ .-. , '. . '. .:
:
i3 ~ 7 ~ 7 two ends and joined together by handles chons.
The peripheral folder will be formed by S male threaded elements on one side, ~ emelle on the other and screwed to each other Unlike the double monobloc device ble-corps the axial tube and the peripheral jacket does are interconnected only at their ends, under the mar-teau and the cutting edge.
According to a characteristic of the invention in addition to the strike which is, in all cases, transmitted through the tube to the cutting edge, the rotational drive bit size can be insured in two ways:
by the hammer acting on the tube, either by a head independent rotation acting on the shirt ~ e.
As for the shirt which, in any case, progresses with the cutting edge, it can accompany it two ways, either by not turning, or by being rotation either by the rotation head or by a device linked to the cutting edge.
In the latter case the threads of the elements tube elements and those of the shirt elements must be made in opposite directions.
According to another characteristic of the invention tion, the hammer has a tubular piston through which a hollow "needle" whose inner diameter is identical to that of the axial tube, which gives a path rigorously rectilinear for upholstered rock fragments ted by water, so you can collect them at the outlet of the tube above the hammer.
This particular configuration allows, subject to minor modifications to the cutting edge, the continuous ascent of carrots, thus further improving the quality of the field sampling paid.
The attached drawing, given as an example non-limiting, will allow a better understanding of the invention tion and the benefits it is likely to pro-to cure.
'''' ~, , '' . ~
'' ~ 3 ~ 7 ~ 7 Figure 1 is a schematic longitudinal section showing the upper part of a drilling installation according to the invention.
Figure 2 shows the lower end at the level of the cutter.
Figllre 3 shows a variant of FiglJre l, per-further putting to collect carrots above the hammer.
Figllre 4 illustrates the connection area between two elements of the central tube.
Figure S is a view of the base of the axial tube and of the first element of the peripheral folder.
-Figure 6 illustrates the method of unscrewing between two elements of the peripheral folder.
Figure 7 illustrates the lower structure, in the cutting area.
Figure 8 shows the circulation of water and sediment in the cutting area.
Figure 9 is a section along IX-IX ~ Figure 10).
Figure 10 shows the link of the cutting edge with the base of the axial tube and that of the peripheral jacket.
Figure 11 shows the completed drilling, as shown jacketed book.
Figure 12 details a possible structure in the upper zone of Figure 1 in position "drilling".
Figure 13 is a cross section along XIII-XIII (Figure 12) showing an unlocking key.
Figure 14 corresponds to another view of Figure 12, but in the "maneuver" position.
Figures 1 and 2 show the diagram of a reverse flow drilling device according to the invention.
The rotary hammer l includes a piston 2 ~ ui ~ `rapping in the known way on the upper section 3d ' a ~ ube 4. This consists of a series of extensions tuoulaires such as 5, 6, 7, 8, 9 assembled together following the others. For this, each extension has ~
its top a threaded zone 10 (Figure 4) and at its base a other threaded zone 11. The two threads are the same direction and ass ~ mblage is carried out in the known manner by screwing -:
:
~ 3 ~ 7 ~.
in a threaded sleeve 12 of two adjacent threaded zones 10 and 11 (Figure 4).
At its lower end, the tube (composed of al-tubular lanyards) is screwed s ~ r the cutting edge 13 by the termediaire a sleeve ~ ileté 14. This sleeve 14 presents ~
the peculiarity of having the side thread opposes the tail-easier to unscrew than those in the aforementioned areas 10 and 11. To this end, provision can be made for:
- in the upper part of the sleeve 14, for its assembly lage with the ~ tublJlaire lower extension 9 of the tube 4, a thread 15 with trapezoidal profile;
- in the lower part of the sleeve 14, for its assem with the thread 16 of the cutting edge 13, a thread 17 at Fro-cord wire, for example of the kind classified under the reference R 45 in the European standard (Figures 2 and 7).
Furthermore, between the base itself cutting 13 and its male thread 16, it turns onto the body a section 18 provided with longitudinal grooves 19. These the latter slide freely in the axial direction (arrow double 20, Figure 2) between the corresponding splines 21 provided inside the end 22 of the element lower 24 of a shirt 23 ~ fitted by screwing each end of the others, of elements such as 24, 2S, 26, 27, 28.
jacket elements 24 to 28 are assembled in the extension from each other by male threads 30 and fe-melle 31 cut in the reinforced zones Z9 ~ The step of these latter threads have the particularity of being reverse direction of threads 10.11, 15.1 ~. In other words, some are threaded "right", others "left". So, when the hammer 1 drives the top tube through its top rage 4, it is the lower part of it which, by the grooves 19, 21, rotates the foot of the shirt 23. Thanks to this arrangement, the rotation is controlled by the hammer 1 tends to tighten all screw connections, too those of tube 4 as well as those of shirt 23.
Furthermore, centering pins 32 are prz-seen on the inside wall of the shirt 23 7 distributed in reinforced areas 29 and possibly in the elements shirt 24 to 28. These pieces are intended to support ~ ',''' . ~ 3 ~ 7 ~ 7 against the outside of the tube 4, to define around it a annular intermediate space 33 where the fluid will circulate drilling (air or water).
Finally, to increase the passage sections pr ~
views for the drilling fluid, it is preferable to plan on the drill bit 13 a large peripheral groove 34 ~ Figur ~ Z, 7, 10) and longitudinal milled channels 35. It is also planned than the number of male splines 19 (for example ~ three on 10 Figure 9) is lower than that of the grooves 21 of the man-chon 22 (for example six), which leaves wide water or air passages 36 (for example three).
In the example in Figure 1, the upper section laughing 3 is surmounted by a striking surface 37 and it pos-15 sedes a lateral outlet opening 33 which communicates with ~ the interior space 39 of the drilling tube 4.
Furthermore, the annular space 33 is closed at its upper part by a sealed injection reel 40 ~, which surrounds the tube 4 but remains isolated from the striking of the pis-20 ton 2, so that this space 33 laterally leads to a supply channel 41 connects to an injection of compressed air or pressurized water.
Operation is tracking:
The axial tube 4 is used to transmit to the cutter 13 25 shock waves and rotational movement. ~ e fluid tair or water3 injected through the supply channel 41 goes down in the annular space 33 then, through the passages 36, 34, reaches digging area 42 located at the bottom of the hole that it cleans and from where it evacuates the deb ~ is 43. CPUX_Ci are 30 lifts through the central space 39, then ejected through the opening ture 38. Thus, the debris of rock raised does not risk to be polluted by the land already crossed.
At the end of drilling, just block with a key 44 (Figures 12 and 15) the top of the shirt 23, then 35 to cause the rotation of the tube 4 in opposite direction to the direction used for 1 ~ drilling, It is at the sleeve 14 that the threads loosen and unscrew, so that the shirt 23 and drill bit 13 remain in place in the tr ~ u ~ 5 (Figure 11) when we extracted the tube 4. Thus, the t ~ u 40 35 can be supplied tube.
'', -: ~
In the variant of FIG. 3, provision is made in the hammer 46, a piston 47 which has the particularity of being perforated. This annular piston is crossed by a needle tubular 48 which extends upwards the tube 4. Interest of this provision is to drain the sediment 43 next a fully straight path to the opening final evacuation 48. Thanks to this structure, it is possible therefore collect through the upper opening 48, not only rock debris, but also carrots among a more complete study of the land.
There is shown in Figures 12, 14, an embodiment possible from the head device connecting the tube 4, the liner 23 and the hammer l according to Figures l and 2.
~. , ... ~