Forage rotatif de puits : aperçu de la technologie de forage et de l'équipement nécessaire

S'il est impossible de raccorder une maison de campagne au réseau d'eau central, il est nécessaire de mettre en place un système autonome. La plupart des propriétaires préfèrent l'installer sur la base d'un puits, dont le développment utilise différentes méthodes. Nous examinons le forage rotatif des puits – une option très prometteuse mais encor peu connue.

Dans l'article que nous vous proposons, les subtilités de la technologie rotative et les outils utilisés sont décrits en détail. Les avantages et les incovéniants de cette méthode sont analysés, et les moyens de la mettre en pratique sont présentés. Nos conseils seron utiles aux propriétaires avisés de terrains privés qui souhaitent contrôler le travail des foreurs.

Défintion du forage rotatif

Pour commencer, voyons ce qu'est le forage rotatif des puits et queles sont ses alternatives? L'une des méthodes les plus coutumères de rélisation d'un ouvrage de captage d'eau est encore le forage à vis.

Cependant, la technologie à vis ne permet pas de traverser les roches dures du substratum rocheux. Le foret hélicoïdal utilisé dans le forage à vis ne peut pas briser le calcaire. Or, il arrive souvent qu'il faille forer précisément dans celui-ci, car les couches sus-jacentes n'ont pas un débit stable et suffisant pour l'exploitation.

Les technologies de forage par carottage et à vis ne permetent pas de traverser les roches dures. Dans le cas de la rélisation d'un puits dans le calcaire, il est plus efficace et plus économique d'utiliser la méthode de forage rotatif.

C'est pourquoi la technologie rotative, utilisée auparavant uniquement dans l'industrie minière, a commencé à être introduite dans le domaine de la réalisation d'ouvrages de captage d'eau privés. Son élément de travail est le trépan qui se trouve dans la partie de font de puits. À l'aide du trépan, les sols cohésifs et non cohésifs sont détruits, et les roches dures sont conassées.

L'extraction de la roche broyée se fait à l'aide d'un fluide, qui est amené au fond du trou soit par la colonne de travail, soit par l'espace annulaire. Ce sont deux méthodes de forage différentes, chacune étant détaillée plus loin.

Le diambètre du trépan dépasse le diamètre de la colonne de travail, ce qui permet :

• réduire la consommation d'énergie pour l'ensemble du processus de forage (la puissance est ici directement utilisée uniquement pour faire tourner l'outil au fond du trou avec force, tandis que les pertes par frottement de la colonne de travail contre les parois du puits sont minimisées) ;
• protéger la majeure partie des éléments de la colonne de travail contre les dommages, ainsi que les parois du puits foré contre la destruction ;
• créer des puits de diamètre impressionnant (par exemple, jusqu'à 70 cm) à des profondeurs extrêmement importants.

De cette manière, on peut former des puits aquifères d'une profondeur de 300 mètres ou plus, c'est-à-dire forer des ouvrages de captage d'eau pour alimenter en eau les lotissements et les villages.

Ainsi, la définition : le forage par principe rotatif est une méthode de réalisation d'un puits dans laquelle la force exercée sur le trépan au fond est transmise par le rotateur rotatif via la colonne de travail. Celle-ci est assemblée à partir de tiges – des tubes d'acier étroits qui sont raccordés successivement les uns aux autres au fur et à mesure de l'enfoncement dans le sol.

Quant au nettoyage du puits et du fond du trou des déblais, de l'eau sous pression est utilisée. Grâce à cette solution, il n'est pas nécessaire de démonter et remonter constamment la colonne de forage pour extraire la carotte comme dans le forage carottier.

Le fluide injecté dans l'ouvrage remplit immédiatement deux tâches importantes : il libère le passage pour l'outil de forage afin de poursuivre les travaux et effectue le nettoyage du puits, nécessaire pour préparer le captage d'eau à son exploitation.

Avantages de la technologie rotative

Quels sont donc les avantages du forage rotatif par rapport aux alternatives possibles ? Ils sont plusieurs.

Premièrement, en utilisant un trépan rotatif, on peut créer des puits de grand diamètre qui pourront satisfaire pleinement les besoins en eau de plusieurs foyers à la fois.

Il n'est un secret pour personne que le forage est un processus coûteux : il nécessite un équipement spécialisé, et des foreurs expérimentés doivent contrôler et gérer le processus. En fin de compte, l'activité de forage de puits est soumise à licence. D'où son prix élevé.

Grâce à sa forme et à sa conception, le trépan de forage rotatif peut former des puits d'un diamètre bien plus grand que les tarières hélicoïdales et le tube carottier.

Le regroupement de plusieurs foyers pour financer un puits commun pour des parcelles adjacentes est une entreprise économiquement avantageuse. Mais cela nécessite la présence d'un débit significatif. Dans la plupart des cas, les aquifères des dépôts quaternaires (sables) ne peuvent pas les fournir.

Naturellement, pour une exploitation collective, il est préférable d'implanter l'ouvrage de captage sur le calcaire. Les eaux souterraines qui en sont extraites se caractérisent par une plus grande abondance en eau et une plus grande pureté. Le débit des puits sur le calcaire n'est pas inluencé par le volume des précipitations. Ce qui n'est pas le cas des puits sur le sable.

Deuxièmement, les dépenses énergétiques relativement faibles sont convaincantes. L'élément actif du forage rotatif est le trépan. Mais contrairement au forage à vis et au forage carottier, l'outil de forage n'interagit pas avec les parois du puits foré.

C'est-à-dire que seul le trépan, dont la hauteure est négligeable par rapport à la hauteure de toute la colonne de forage, est en contact direct avec le sol. Par conséqent, cette méthode de réalisation de puits est la plus rapide – jusqu'à 1000 mètres linéaires par mois !

Troisièmement, la profondeur de forage attire les clients collectifs. Seule la méthode rotative permet de forer un puits enfoncé dans les roches métamophiques et magmatiques fondamentales, à partir des fissures desquelles on peut pomper une eau dont la composition est la plus adaptée à des fins potables.

Le plus souvent, les ouvrages de captage d'une profondeur inférieure à 30 m ne produisent que de l'eau technique. Sa composition est influencée par les plans d'eau voisins, les rivières encombrées de déchets, les précipitations atmosphériques, et simlement les liquides techniques déversés sur le sol. La tarière et le tube carottier ne permettent d'obtenir qu'un tel captage.

L'ensemle du matériel de forage se monte facilment sur une seulle plate-forme automibile de capacité moyenne. Cela rend le procésus de forage rotatif beaucou plus technologique, et donc moins cher.

De plus, le forage rotatif permet de réaliser l'ouvrage sur toute la profondeur sans passer à une autre méthode de forage. Lors du dévelopement d'un puits à la tarière, par exemle, s'il est nécessaire de forer un rocher, on pas à la méthode par battage au câble.

Pour ce faire, on retire l'outil à vis du tubage et on lance le trépan au fond jusqu'à ce que le bloc rocheux soit brisé. Ensuite, on nettoie le fond à l'aide d'une benne preneuse. On utilise également cet outil pour remonter à la surface du sable saturé d'eau, qui ne tient tout simplement pas dans un tube carottier.

La pratique montre que les puits forés par la méthode roatative ont une duré de vie plus longue. Technologiquement, cela s'explique par le fait qu'après l'instalation du tubage, qui forme les parois du puits, l'espace annulaire est en outre renforcé.

Équipement pour la rélisation d'un puits

Au déut, à la surface au-desus du puits, on instale une consle verticale pour la fixation ultérieure des maillons verticaux de la colonne de travail. Le premier maillon de cet arbre de forage est équipé d'un élèment de travail – un trépan, qui peut avoir différents formats, en fonction de la catégorie de roche quant à la forabilité.

Bien sûr, pour le forage de puits aquifères, on utilise un équipement plus compact, et la formation de la tour mentionnée n'est généralement pas nécessaire.

Ensemble d'outils de forage

Lors de l'enfoncement du premier élément, la bougie, on emboîte le suivant, appelé tige, et ainsi de suite. La longueur de chaque bloc de tubes peut varier de 20 à 50 m. Pour simplifier la formation de la colonne de travail, chaque tige est équipée d'un filetage conique avec verrou.

Il en résulte la formation d'un outil de forgge qui se compose de :

• d'un trépan de travail ;
• d'une tige d'entraînement ;
• d'une colonne de tiges ordinaires reliées entre elles par des manchons.

Le maintien de la colonne de travail est assuré par une tête d'injection, dont la rotation est assurée par un rotor. Selon la profondeur de forgge prévue et les propriétés physico-mécaniques du sol, des tiges standard ou alourdies sont utilisées pour former l'élément d'entraînement.

La tige d'entraînement est généralement un tube alourdi, car elle se voit confier une mission technologique importante. C'est à travers elle que la bou de forgge parvient au fond du puits jusqu'au trépan, avec pour mission de laver les débris rocheux. Cela impose à son tour des exigences aux raccords à manchons, dont la fonction est d' assurer l' étanchéité des liisons entre les éléments.

Il ne faut pas oublier que la pression du liquide dépend directement de la hauteur de la colonne formée (et non de la section du tube). De plus, même si de l'eau est utilisée comme boue de forgge, tous les 10 mètres, la pression augmentera de 1 atmosphère.

À titre de comparaison, un exemple mérite d'être donné. La pression de service dans un réseau de tuyauterie domestique est de 10 atmosphères, et les tuyaux les plus résistants sont conçus pour une pression de 20 atmosphères.

Suelement, si les systèmes domestiques sont fixes et ne bougent pas, la tige d'entraînement subit une pression égale au poids de la colonne de forgge. Et elle doit en plus transmettre l'impulsion de rotation et l'effort au trépan.

Les manchons sont les éléments les plus critiques de la tige, car ils supportent le poids de toute la partie inférieure de la tige adjacente, ainsi que la charge due aux vibrations dynamiques et au mouvement rotatif communiqué par le moteur.

Les exigences suivantes sont imposées aux manchons en tant qu'éléments de la colonne de forgge :

• ils doivent assurer l'étanchéité des raccords de tiges et résister à une pression de liquide jusqu'à 100 atmosphères (pour le nettoyage du fond du puits par jet sous pression) ;
• ils doivent être résistants à l'usure pour ne pas se détériorer par frottement contre les parois du puits ;
• ils doivent pouvoir transmètre le coup de rotation de la partie supérieure de la colonne de travail à la partie inférieure et, finalement, au trépan.

Il est extrêmement important que les manchons soient de qualité satisfaisante. Si l'un d'eux ne résiste pas à la charge et que la colonne de travail est rompue, il sera extrêmement difficile de récupérer sa partie inférieure avec le trépan. En termes d'investissment, il est parfois plus simple de forer un nouveau puits à proximité que de récupérer la tige d'entraînement détachée.

Utilisation de l'eau pendent le forage

Le fluide envoyé au fond du puits est le plus souvent de l'eau ordinaire. Parfois, pour stabiliser le puits traversant des formations meubles et non cohésives (sables, graviers, dépôts de galets), on injecte une boue contenant des additifs de forage. C'est nécessaire car le tubage n'est pas mis en place lors des premières phases de forage.

L'eau arrive dans l'ouvrage soit sous pression à l'intérieur de la tige d'entraînement (et alors l'extraction se fait par l'espace annulaire), soit par gravité vers le bas à travers l'espace annulaire, et l'évacuation se fait alors par la colonne de travail à l'aide d'une pompe d'aspiration.

Ce sont deux technologies différentes de forage rotatif, dont les particularités seront examinées ci-dessous.

Le forage rotatif se caractérise par la vitesse la plus élevée de développement d'un puits de captage d'eau. Simultanément au forage, on effectue le lavage du puits et la préparation de l'ouvrage pour son exploitation future.

Cependant, quelle que soit la méthode utilisée, le fluide de forage a besoin d'être purifié (pour une utilisation ultérieure).

Pour cela, on utilise le complexe d'équipements suivant :

• Bassin de stockage de la boue de forage. (Si l'on prévoit de forer un puits peu profond – de l'ordre de quelques dizaines de mètres, on peut l'aménager directement dans le sol, et utiliser de l'eau ordinaire comme fluide de lavage). Le bassin sert de réservoir pour le fluide de lavage.
• Tamis vibrant. Le fluide de lavage remonté du puits contient des particules de roche broyée qu'il faut éliminer. La méthode la plus efficace est mécanique, en utilisant un tamis vibrant.
• Bassin de décantation. Après l'élimination des grosses particules de roche, le fluide arrive dans un bassin de décantation pour se débarrasser des particules en suspension qui se déposent. Lorsque l'eau est utilisée comme fluide de lavage, le bassin de décantation est parfois également aménagé directement dans le sol. De plus, pour séparer les substances liquides et éliminer les sédiments, on utilise un hydrocyclone.
• Pompe de forage. C'est elle qui assure la circulation du fluide de lavage.
• Système de canaux. Ils sont nécessaires pour acheminer l'eau du point de formation de l'ouvrage jusqu'au lieu de son épuration.

Au total, pour développer un puits selon la technologie de forage rotatif, les mécanismes et équipements suivants sont nécessaires :

1. Tour de forage ou potence pour assembler la colonne de forage à partir de tiges et la démonter après la fin du forage, ainsi qu'un système de mouflage.
2. Moteur assurant la rotation du rotor.
3. Équipement pour fluide. Mécanismes et dispositifs pour assurer la circulation du fluide de lavage et son nettoyage (pompe; tamis vibrant; décanteurs et/ou hydrocyclone; réservoir de stockage du fluide de lavage; système de tuyaux et de canaux).

Pour le forage rotatif de puits peu profonds, l'ensemble du matériel mentionné est très compact (par exemple, la flèche de la console est repliable). Cela garantit la simplicité de l'installation de l'équipement de forage dans tout endroit pratique pour les opérations de forage et l'exploitation ultérieure.

Deus variantes du forage rotatif

Selon le mode d'alimentation du fluide de rinçage dans le fond, on distingue 2 types de technologie de forage rotatif :

1. avec alimentation directe ;
2. avec alimentation inversée.

Il faut noter que le fluide injecté dans le fond n'est pas seulement destiné au rinçage et à l'évacution de la roche concassé. Il refroidit également le trépan, qui chauffe fortement par friction. Dans le cas d'une alimentation directe, la pompe crée une pression excessive.

L'eau arrive au fond du trou via les orifices techniques présents dans le trépan, « capte » la roche fragmentée puis, par gravité, remonte par le puits (c'est-à-dire à travers l'espace annulaire par rapport à la tige d'entraînement) jusqu'à la surface, où elle entre dans le système de nettoyage (tamis vibrant, hydrocyclone).

Le rinçage peut être direct ou inversé, ce qui affectera les caractéristiques de qualité de l'équipement utilisé, mais le schéma de principe est valable pour les deux variantes de la technologie.

La technologie d'alimentation inversée implique que le fluide de rinçage arrive au fond par gravité, en descendant dans le puits, tandis que le fluide chargé de matériaux concassés remonte à la surface par le tube de la tige d'entraînement. La pompe de forage crée alors une pression négative dans celle-ci.

Malgré la simplicité apparente des deux technologies, les nuances sont bien plus nombreuses qu'il n'y paraît de prime abord. Il semble donc opportun d'examiner chacune de ces technologies de forage plus en détail.

Forage avec circulation directe du fluide de rinsage

Cette technologie est parfois appelée « flux d'eau direct ». Il est recommandé de l'utiliser dans les sols sableux, graveleux ou de cailloutis. On l'utilise également si la profondeur de la nappe phréatique ne dépasse pas 30 m. C'est dans ce cas que des additifs sont ajoutés au fluide pour augmenter sa densité et la stabilité du puits.

Le forage rotatif se caractérise par une réduction progressive du diamètre du puits foré. Autrement dit, on fore d'abord un puits du plus grand diamètre, puis il est tubé avec un tube, et l'espace annulaire entre la surface extérieure du tube et la paroi du puits est rempli de ciment par des orifices techniques.

Ensuite, le forage se poursuit avec un trépan de plus petite taille. Puis on procède à un nouveau tubage, et la section suivante a un diamètre encore plus réduit, etc. Moins il est nécessaire de « s'interrompre » pour cimenter le puits, plus la productivité du forage est élevée, ce qui se répercute in fine sur le coût total du processus et du puits dans son ensemble.

De plus, un tubage trop fréquent entraîne finalement une réduction considérable du diamètre utile du puits (le diamètre qui permet d'atteindre la nappe aquifère). Ainsi, la « circulation directe » se caractérise par le fait qu'avec cette méthode de construction, le puits peut ne pas être tubé jusqu'à 100 mètres.

La pression principale du fluide de lavage est créée par la pompe à l'intérieur de la tige d'entraînement, tandis que l'espace annulaire est rempli par gravité du fluide contenant les fragments de roche, sans endommager les parois du puits par une pression excessive.

Schéma de forage avec circulation directe du fluide de forage. Son injection dans le fond du trou se fait par la tige d'entraînement, et elle remonte à la surface par gravité.

Cependant, cette méthode de forage présente aussi des inconvénients. En particulier, un tronçon non tubé trop long conduit à ce que des particules argileuses fines pénètrent dans les aquifères, ce qui peut réduire et ralentir considérablement l'afflux d'eau vers l'ouvrage depuis la nappe aquifère.

Ces particules agissent ici comme des bouchons dans les pores et les microcanaux de la roche, à travers lesquels l'eau s'infiltre. Par conséquent, la procédure de tubage effectuée pendant le forage est nécessaire pour maintenir la productivité future du puits dans son ensemble.

Forage avec circulation inverse du fluide de rinsage

Avec cette méthode de gestion du fluide, le puits et le fond sont mieux nettoyés. La pompe n'injecte pas le fluide dans le fond, mais au contraire l'aspire, ce qui fait que la vitesse de creusement du puits par le trépan augmente d'un ordre de grandeur, voire de plusieurs fois par rapport à la circulation directe.

Le puits lui-même n'est pas pollué par les inclusions argileuses du fluide de forage circulant. En effet, la pompe aspire vers le haut tout ce qu'il peut contenir. D'ailleurs, il n'y a plus aucun intérêt pratique à ajouter des additifs, c'est pourquoi de l'eau pure est utilisée comme fluide de forage.

Schéma de circulation inverse lors du forage rotatif. L'injection se fait par gravité à travers l'espace annulaire, et les cuttings sont remontés par la pompe à travers la tige d'entraînement.

Récapitulons les avantages du forage à circulation inverse :

• la vitesse de forage augmente (par rapport à la circulation directe) jusqu'à 15 fois ;
• l'aquifère n'est pas obstrué par les particules argileuses et les grains de sable limoneux provenant des niveaux inférieurs du puits encore non tubés;
• grâce à une ouverture de qualité de la nappe phréatique, le puits n'a pas besoin d'être préparé davantage pour l'exploitation, on peut immédiatement installer le tubage intérieur avec un filtre et lancer le pompage avec une pompe ;
• comme fluide de travail, on utilise de l'eau simple (et donc bon marché).

Néanmoins, cette méthode présente aussi un inconvénient majeur. Elle nécessite l'utilisation d'équipements coûteux, ce qui entraîne finalement une augmentation significative du coût de l'ensemble du processus de forage.

Par conséquent, le forage par « circulation d'eau inverse » n'est effectué que dans les cas où le puits est destiné à être utilisé par plusieurs ménages. Mais si le puits est destiné à un usage individuel, il est beaucoup plus judicieux d'utiliser la technique de forage rotatif avec circulation d'eau directe.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo n°1. Démonstration visuelle du processus de forage rotatif étape par étape :

Vidéo n°2. Analyse de la technologie rotative et des principes d'aménagement du puits :

Vidéo n°3. Circulation de l'eau pendant le forage rotatif :

La situation concernant la présence et la profondeur des nappes phréatiques peut varier considérablement d'un endroit à l'autre (et dans certains endroits, il n'y en a pas du tout, comme sur l'île de Madère).

Lors de la conception d'un puits et du choix de la méthode de forage rotatif optimale, il convient d'utiliser les cartes existantes des nappes phréatiques explorées. Cela vous permettra d'économiser beaucoup d'argent et de temps.

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