Forage carotté de puits : technologie et nuances de réalisation des travaux

L'une des méthodes les plus productives et économiques de réalisation des puits est le forage carottier. Elle est utilisée dans l'exploration des gisements et en géologie de l'ingénieur. De plus, c'est le moyen le plus simple et le plus rapide d'accéder aux eaux souterraines pour l'organisation de l'alimentation en eau.

Vous découvrirez tout sur les spécificités du forage carottier, sur l'outil nécessire à sa réalisation et sur les particularités de son application dans l'article que nous vous proposons.

Domaine d'application du forage carottier

Le forage carottier – une méthode qui permet de déterminer avec la plus grande précision la profondeur du toit et de la base des couches de sol, ainsi que le niveau de la nappe phréatique.

La technologie de forage carottier est largement utilisée dans les secteurs suivants:

• Alimentation en eau dans les secteurs industriel et privé. Le forage de puits pour l'alimentation en eau privée, l'organisation du captage d'eau de villages entiers ou de quartiers urbins est effectué efficacement par forage carottier grâce au fait que le foret pénètre facilment à de grandes profondeurs. L'outil carottier est capable de remonter presque toutes les roches fracturées, sauf les sols saturés en eau et meubles non cohérants (sables, gravier, galets);
• Exploration géologique dans l'industrie minère. Lors du perçage de la roche, il y a une action ponctuelle sur le sol selon le rayon de rotation. Autrement dit, l'outil, qui rappelle par sa structure un tube, fore un massif entier de roches sans en altérer la structure et l'état.
• Construction. Réalisation d'études géotechniques pour étudier les propriétés physico-mécaniques des sols, l'état des roches. La technologie carottière offre la possibilité de déterminer avec une grande précision le niveau de la nappe phréatique et de prélever des échantillons d'eau pour étudier leur agressivité envers le béton.

Au cours du forage carottier, on extrait une carotte – une colonne de sol ou de couches de sol adjacentes. La carotte se caractérise par une structure naturelle intacte, ce qui permet de réaliser une analyse exhaustive de la roche étudiée. Le forage avec un tube carottier permet de déterminer avec la plus grande précision la profondeur de la roche à étudier.

Le carottage rotary assure l'intégrité de la carotte extraite, ce qui permet une étude qualitative de la roche. Parallèlement, le nettoyage le plus qualitatif du fond du trou des roches détruites est effectué.

L'utilisation du foret carottier dans la construction facilite et accélère considérablement les processus. Dans le trou préparé par le carottage, on peut facilement enfoncer un pieu ou installer une structure en béton armé préfabriquée. Le carottage permet de créer des trous cylindriques dans les constructions en brique et en béton.

Technologie de réalisation des travaux et équipement

Deux méthodes d'utilisation du foret carottier sont connues : le travail avec apport de fluide au fond du trou ou à sec, c'est-à-dire sans boue de forage.

Le forage sans utilisation de boue de forage est appliqué lorsque les sols non cohérents sont imprégnés d'humidité naturelle en quantité suffisante pour le creusement et l'extraction. On ne fournit pas non plus d'eau dans le puits lors du creusement dans des limons/argiles fluides-plastiques, mous-plastiques et raides-plastiques, ainsi que dans des sables limoneux durs et plastiques.

Le fluide est obligatoirement utilisé lors du forage de roches dures et semi-dures. En l'absence d'eau dans ce cas, l'approfondissement se produit beaucoup plus lentement. De plus, la probabilité de défaillance prématurée de la couronne augmente considérablement, c'est pourquoi le forage à sec est considéré comme plus coûteux.

La technologie de carottage de puits avec circulation permet non seulement de prolonger la durée de vie de l'équipement de travail, mais aussi de libérer le fond du trou des roches détruites de la manière la plus rapide et la moins laborieuse.

Lors du forage avec boue de forage, la vitesse d'approfondissement augmente considérablement. Le plus souvent, cette méthode est utilisée pour le forage de puits de grande profondeur. Cela permet d'effectuer les travaux dans les plus brefs délais avec un risque minimal d'endommagement de la couronne.

L'eau sous haute pression est également envoyée au fond du trou lors du forage dans des sols meubles non cohérents, si le prélèvement de carotte n'est pas l'objectif. Dans ce cas, le fond du trou est simplement lavé par le jet d'eau, libérant le puits des sols détruits.

Princip de la métode carottière

L'élément principal du carottage est la pièce de coupe destructrice montée sur la base du tube carottier. On l'appelle la couronne. Pour le creusement de roches dures, on utilise des couronnes spéciales équipées de diamants.

Les couronnes – des éléments de coupe remplaçables qui se vissent sur le bord inférieur du tube carottier. Au cours du forage, elles doivent être changées plusieurs fois.

C'est précisément la couronne diamantée qui assure une progression pratiquement sans obstacle du foret à grande profondeur lors du creusement de capages d'eau dans le calcaire. C'est-à-dire lors du forage de puits enfoncés dans la roche mère, dans les fissures desquelles, par une condensation séculaire, se sont formées les réserves de l'eau souterraine la plus pure.

Les couronnes de forage se changent de la manière la plus simple – on retire la pièce usée et on visse une nouvelle couronne sur le tube carottier.

La roche est découpée à l'aide d'une couronne tournant à grande vitesse. La vitesse de rotation du foret peut être réglée en fonction de la densité du terrain foré. La couronne “découpe” le terrain uniquement sur le bord d'un cylindre particulier, dont la partie centrale est poussée dans le tube carottier.

Pour extraire la carotte, l'outil de forage est remonté à la surface. Le terrain qu'il a capture est littéralement soufflé hors du carottier par un jet d'air introduit dans la partie supérieure du tube. Le processus de soufflage est accéléré en frappant l'outil avec une masse.

Lors du forage carottier, le segment conique de roche foré est poussé dans la tube carottier. Pour l'extraire, l'outil carottier est réiré du trou en démontant la colonne de tiges de forage. La carotte est soufflée et extraite du tube en la frappant.

Les carottiers sont plus performants que les trépans à martice et à moletes lors du passage de roches dures. Cela est dû à la vitesse de rotation élevée du foret, ce qui réduit l'effort à appliquer pour le forage.

De plus, les trépans détruisent complètement la roche qu'il faudra “puiser” avec une écope ou injecter de l'eau sous pression pour netoyer le fond. En fait, il faudra passer deux, voire trois fois le même tronçon: d'abord détruire, puis netoyer. La technologie carottière perme de passer et netoyer le fond en une seule fois.

Machines et installations de forage

Le choi de la machine ou de l'instalation de forage est déterminé par la destination du puits et son diamètre. La popularité de la méthode de forage carottier entraine la production d'instalations et de machines de forage dans le monde entier. Les tracteurs lourds, les camions et les véhicules tout-terrain convienent aux instalations destinées au forage d'exploration.

L'utilisation de tracteurs à chenilles lourds permet de réaliser des travaux de forage carottier dans des régions sans routes, avec un engorgement de surface, un relief instable.

Le plus souvent, l'équipement de forage est monté sur des camions classiques des marques MAZ, KAMAZ, Oural. Cependant, il existe des options de montage sur des engins plus légers, utilisés pour le forage de puits d'eau dans la construction privée.

Lors du forage rotatif manuel, le tube carottier est remplacé par son prédécesseur historique – la tasse de carottage. Cet outil est une version raccourcie du tube carottier avec un bord tranchant à la base. La tasse est vissée manuellement ou à l'aide d'une motoforeuse dans le sol, et l'on remonte à la surface tout ce qui s'y est accumulé.

Pour mécaniser le forage manuel de puits peu profonds et la formation de trous pour l'installation de clôtures et de poteaux de lignes électriques, on utilise des moteurs à essence et électriques. Ils transmettent un mouvement de rotation à la tarière ou au tube carottier.

Équipement pour le creusement et l'aménagement des puits

Pour la mise en œuvre du forage carottier, il est nécessaire de disposer d'un équipement permettant de travailler en profondeur, de forer et d'extraire les types les plus variés de roches. Lors de l'exécution des travaux, il faut assurer la remontée périodique à la surface du matériau broyé par l'outil.

Ensemble standard d'outils de forage

Pour réaliser des travaux de qualité, il est nécessaire :

• Carottiers. Ils sont utilisés aussi bien pour le forage horizontal que pour le creusement de puits verticaux. Avec des tubes carottiers standards, il est possible de forer à un angle j'usqu'à 45 degrés. Les carottiers à parois minces peuvent être utilés exclusivement pour le forage horizontal sans tranchée lors de la posé de réseaux.
• Couronnes. Ce sont des outils qui détruisent la roche, dont est équipé le tube carottier pour faciliter la découpe de la carotte dans la roche. Pour forer des sols sédimentaires cohésifs et non cohésifs, on utilise des couronnes en laiton. Pour le creusement de roches dures, la formation de trous dans le béton, l'asphate, le mur de brique, on produit des couronsnes en carbure avec des incerts de diamant.
• Tubes de tubage en acier. Elles sont nécessaires pour le tubage du puits – la formation du puits, effectuée simultanément à son approfondissement. Leur diamètre est égal au diamètre du puits. On choisit le tubage pour un captage d'eau à l'avance, en fonction du diamètre du tube carottier et de la pompe que l'on prévoit d'utiliser dans le puits.
• Tiges de forage. Ce sont des tubes étroits que l'on visse les uns aux autres. Ils servent à rallonger la colonne de forage. Plus simplement, ils sont vissés tour à tour au sommet du tube carottier pour lui transmettre un mouvement de rotation à une profondeur excédant la hauteur de l'outil. Hauteur du tube carottier + hauteur de la colonne de tiges de forage = profondeur du puits.
• Raccords. Ils sont nécessaires pour assurer la jonction des assemblages filetés de diamètres différents, présents sur les tiges de forage, les rotateurs, les presse-étoupes de lavage et d'autres composants.
• Bouchons de lavage et presse-étoupes. Ils permettent de remonter à la surface le sol détruit lorsqu'il n'est pas nécessaire de prélever une carotte entière. Dans ce cas, de l'eau est injectée dans le fond du trou, qui évacue sous pression le sol détruit vers la surface.
• Trépans. Ils sont utilisés pour approfondir le trou de forage dans les endroits les plus difficiles d'accès pour le trépan carottier. Lors de l'utilisation d'un trépan, on passe parfois de la rotation à la percussion par câble.

L'outil présenté est un ensemble standard pour le forage par carottage. Dans certains cas, selon la complexité du développement, des outils et équipements supplémentaires peuvent être nécessaires.

Lors du creusement, on visse successivement une colonne de tiges de forage à l'extrémité du tube carottier. Pour remonter l'outil carottier à la surface, on dévisse la colonne tige par tige.

Particularités de la construction du tube carottier

La particularité structurelle de l'outil lors du carottage est due à la préservation maximale de l'intégrité de la carotte et consiste en une disposition annulaire autour d'un passage libre. L'une des caractéristiques les plus importantes est le coefficient de récupération de carotte. Il est défini comme le rapport du diamètre de la carotte au diamètre extérieur de l'outil.

L'outil de forage par carottage est standardisé et diffère principalement par son diamètre. Selon les características de conception, les tubes carottiers sont classés en simples et doubles. Les outisl simples, destinés aux conditionds géologiques normales, conviennent parfaitement au développement de puits de captage d'eau.

L'outil double avec tube intérieur non rotatif est utilisé uniquement en exploration géologique. Il est nécessaire pour extraire des échantillons de roches qui se dégradent facilement sous l'effet de divers facteurs. Il permet de prélever un échantillon dans son état naturel, avec la teneur naturelle en minéraux et en stériles.

Pour le prélèvement d'échantillons dans les études géotechniques, en exploration géologique et pour le forage de trous destinés aux supports de lignes électriques, on utilise un tube carottier simple.

Tous les tubes carottiers sont conçus pour l'utilisation de la purge, de l'injection de boue de forage au fond du trou et du lavage du puits. Leur extrémité est muni d'un orife technique par lequel est injectée de l'eau ou un jet d'air.

Spécificité de la partie coupante de l'outil

Toute couronne se présente sous la forme d'un anneau avec un filetage supérieur nécessaire pour la visser au tube carottier, et des taillants situés sur la face inférieure. Les taillants peuvent être monoblocs ou soudés à cette pièce métallique coupante.

Lors du forage par carottage, on utilise les couronnes suivantes :

• Les couronnes au carbure – à petits taillants, nervurées.
• Les couronnes diamantées – imprégnées et à petits diamants.

Les éléments de coupe en carbure sont conçus pour le forage des sols “tendres”. Ils permettent de forer tous les types de roches argileuses, quelle que soit leur consistance, les roches semi-rocheuses, les sables peu humides et humides de structure dense et de densité moyenne. Pour traverser les grès et les marnes, on utilise des couronnes à taillants en tungstène-cobalt.

Les couronnes à petits taillants sont conçues pour le forage de roches de dureté moyenne et de faible abrasivité. Elles sont équipées de taillants de section octogonale ou carrée. Lorsque les taillants sont disposés à différentes hauteurs, on obtient également un gradinage du front de taille, dont les avantages ont été exposés ci-dessus.

Les couronnes nervurées permettent d'améliorer la circulation du fluide de rinçage en élargissant le diamètre du forage.

Les couronnes nervurées sont conçues pour le forage de roches dures d'abrasivité moyenne. Les taillants de ces couronnes sont constitués d'une tige en acier cylindrique ou prismatique avec un insert en carbure. De plus, même en cas d'usure de la couronne, l'efficacité de son travail n'est pas réduite.

Les couronnes à taillants diamantés sont destinées au forage de roches dures et semi-dures de haute abrasivité.

Pour augmenter la résistance et améliorer les propriétés abrasives, des diamants techniques sont pressés dans sa matrice en alliage au cours de la fabrication. Ces derniers temps, les cristaux naturels sont souvent remplacés par des cristaux synthétiques.

Le nombre de nervures est déterminé par la conception de la couronne et son diamètre – il peut varier de trois à six. On peut accélérer le processus de destruction de la roche en décalant les nervures vers le haut par rapport à l'extrémité de la couronne. Ainsi, on obtient un front de taille étagé et on facilite le passage du fluide de rinçage.

Tubes pour le cuvelage du puits

Les tubes en acier, qu'ils soient carottiers ou de tubage, sont fabriqués selon la norme GOST 51682-2000. En exploration géologique et en géologie de l'ingénieur, ils sont utilisés pour empêcher l'effondrement du terrain sur le front de taille, ce qui ne permettrait pas de déterminer à quelle profondeur une couche géologique en remplace une autre.

Dans l'aménagement des puits de captage, les tubes de cuvelage forment les parois du forage. Dans la colonne de cuvelage ainsi assemblée, on descend une autre colonne, la colonne d'exploitation, en tubes. Actuellement, celle-ci est le plus souvent assemblée en plastique. La colonne d'exploitation est équipée d'un filtre pour retenir les grains de sable et le gravier fin lors du pompage.

Les tubes de cuvelage à raccord union sont les plus répandus. Ces tubes présentent un filetage intérieur d'un côté et un filetage extérieur de l'autre. Le tubage du puits assemblé avec des tubes filetés est extrêmement simple et rapide.

Les tubes de carottage et les tubes de cuvelage sont munis d'un filetage, extérieur d'un côté et intérieur de l'autre. Cela permet d'assembler rapidement et simplement un tubage. Les dimensions des filetages sont normalisées – tout tube de cuvelage peut servir de tube de carottage, il suffit d'y visser une couronne et un sommet.

Il existe des tubes de cuvelage conçus pour les assemblages soudés. Dans le secteur privé, on ne les utilise pas en raison du processus laborieux d'assemblage du tubage.

Les tubes de cuvelage et les tubes carottiers sont fabriqués en acier de nuance 45 avec un groupe de résistance «K». Pour améliorer la résistance à l'usure superficielle, les extrémités des tubes sont trempées. En fonction de l'équipement de forage utilisé et du diamètre de la pompe immergée, dans les aménagements de puits de captage privés, on utilise des tubes d'un diamètre de 100 à 200 mm.

Étapes du forage carottier

Avant le début des travaux, il faut étudier le plan cadastral et préparer la surface de travail. Il est nécessaire d'assurer un accès sans entrave au site de forage pour l'appareil de forage lui-même ainsi que pour le véhicule transportant le fluide de forage.

L'étape suivante consiste à creuser une fosse d'un volume d'au moins 2 m³ – cela évitera d'avoir à utiliser un réservoir supplémentaire. La fosse est destinée à l'évacuation des eaux souterraines et du fluide de forage usagé. Pour installer la partie principale du tubage, il faut perforer le sol.

Ensuite, on réalise la connexion de la couronne choisie avec le tube carottier de forage et la sélection des tubes de cuvelage, qui seront allongés au fur et à mesure de l'approfondissement. L'installation doit être solidement fixée, après quoi on procède au démarrage de la foreuse.

La technique de carottage avec lavage du fond au moyen d'eau permet de libérer le puits des débris rocheux de la manière la plus simple et la plus rapide.

Au fur et à mesure que le carottier se remplit lors du creusement, on le remonte périodiquement à la surface et on le nettoie des terrains capturés par l'outil pendant le forage. Ensuite, le trépan libéré de la carotte peut être à nouveau immergé dans le trou du puits pour poursuivre le forage.

Pour remonter à la surface, on démonte le train de tiges de forage composé de l'équipement carottier et des tiges. On sépare donc les tiges une par une jusqu'à retirer le tube carottier du puits.

L'option optimale pour le développement de puits par des particuliers est le forage carotté, accompagné d'un lavage. Aucun échantillon n'est nécessaire dans ce cas. L'essentiel est de former rapidement le tronc et de le nettoyer des débris. En même temps, on effectue la préparation de l'excavation pour l'exploitation future.

Pour le lavage, on peut utiliser n'importe quelle eau, celle d'un étang ou d'une rivière voisine convient parfaitement. Le forage peut également être effectué à sec si l'on fore un puits dans le sable. En général, dans ce cas, quelques seaux d'eau suffisent comme boue de forage, uniquement pour refroidir l'outil au fond.

La technologie de forage carotté est utilisée pour percer des trous dans les structures en béton et en béton armé, les fondations et les murs en brique.

Lors du travail dans des sables meubles et peu humides, il est recommandé d'ajouter du verre liquide ou de la masse argileuse à la boue de forage pour renforcer les parois du trou. Dans tous les cas, lorsque le foret traverse un horizon à structure instable, il est justifié de renforcer les parois du puits avec des tubes de cuvelage.

Caractéristiques technologques du procédé

Au cours du processus d'approfondissement, la vitesse de rotation du foret peut être réglée. Il convient de noter que le foret traverse facilement les couches de roches sédimentaires à faible régime. En revanche, lors du passage de roches dures et massives, une augmentation de la vitesse de rotation est nécessaire. Avec la méthode de forage carotté, on peut traverser des couches de compositions et de duretés variées.

Il faut tenir compte du fait que l'appareil de forage doit être placé sur une plateforme horizontale préparée et nivelée. L'angle de forage peut être réglé si le diamètre du trou de puits ne dépasse pas 1 mètre. Ensuite, la verticalité de l'ouvrage est maintenue par la colonne de cuvelage.

Les tubes de cuvelage peuvent être réutilisés si on les retire de l'ouvrage immédiatement après le forage. Le tube carottier est un outil réutilisable, ce qui n'est pas le cas des couronnes. Pour le forage dans un horizon sédimentaire, il en faut au moins deux, voire plus. Lors de la construction d'un puits dans le calcaire, il est impossible de prédire avec précision le nombre de couronnes usées.

Pour prolonger la durée de vie de la couronne diamantée après son installation ou son remplacement, il est nécessaire de traiter le fond du puits avec un trépan. Cette mesure augmentera considérablement la vitesse de forage.

L'installation de forage peut être montée sur un véhicule à haute capacité de charge ou sur un engin spécial à chenilles si les travaux sont effectués dans des conditions de relief difficile. Un équipement mobile plus léger peut être utilisé pour le forage carotté de puits d'eau.

Avantages et inconfients de la méthode carottière

Grâce à l'action ponctuelle de la couronne sur son rayon, on obtient une découpe précise et la remontée à la surface d'une carotte intacte. La technologie est applicable au forage de roches jusqu'à la catégorie XII, on peut travailler aussi bien perpendiculairement qu'en biais.

L'un des indicateurs les plus importants de la méthode carottée est considéré comme étant une productivité et une vitesse de forage élevées.

En outre, on peut souligner les avantages suivants :

• Le volume de forage en cas d'utilisation de fluide de rinçage ou d'eau technique est de 85 % ;
• L'introduction d'émulsions actives dans la solution de travail permet de maintenir les parois du puits dans leur état initial ;
• Grâce à la réduction des charges axiales due au fait que la roche n'est pas détruite en continu, une diminution des coûts énergétiques est obtenue.
• La méthode permet de travailler avec toutes les roches, y compris basaltiques et granitiques.
• Lors de l'utilisation d'une foreuse mobile modulaire, il est possible de réaliser des travaux dans des endroits difficiles d'accès.

Parallèlement à ses avantages, le forage carotté de puits présente également ses inconvénients :

• Lors du travail dans des roches fracturées, un coincement de la carotte se produit souvent, ce qui conduit à la nécessité de retirer le tube pour la sortir.
• Lors du passage de roches dures, en raison de la surchauffe et du coincement, la couronne s'émousse rapidement. Pour éviter cela, il faut appliquer un liquide de refroidissement et réduire la vitesse d'avance. Par conséquent, la vitesse de forage diminue.
• La petite section de forage (jusqu'à 200 mm) ne permet pas d'utiliser des pompes submersibles puissantes.

Lors du développement de puits d'eau en cas d'utilisation de boue argileuse lors de l'ouverture de la couche, la probabilité d'envasement de la couche aquifère est élevée.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo 1. Étape initiale du forage d'un puits par carottage :

Vidéo 2. Forage carotté d'un puits dans une roche granitique :

Le début des travaux de forage carotté d'un puits doit être précédé d'un calcul économique. Le respect des normes de sécurité et des règles d'utilisation de l'équipement minimise le risque de panne, assurant ainsi une haute efficacité de travail, une vitesse de forage et une réduction des coûts économiques.

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