Méthodes de forage de puits : principes technologiques et particularités des principales techniques

La construction d'un puits de captage implique l'utilisation de différentes méthodes de forage. Les sols meubles et saturés en eau sont extraits à l'aide d'une cuillère. Pour traverser les terrains argileux et rocheux, on utilise des méthodes de forage basées sur les principes rotatif et vibratoire.

Des mécanismes sont utilisés pour permettre le creusement de sols de différents types et à différentes profondeurs. Nous vous expliquons comment choisir la technologie de forage optimale pour réaliser rapidement et parfaitement l'ouvrage de captage d'eau.

Pour une illustration claire des informations que nous vous proposons, le texte est complété par des schémas utiles, des sélections de photos et des guides vidéo.

Types de méthodes de forage

Auparavant, le forage de puits aquifères pour usage personnel se faisait principalement à la main. C'était un processus long et laborieux, c'est pourquoi tous les propriétaires de terrains ou de maisons de campagne ne pouvaient pas se vanter d'avoir leur propre source d'approvisionnement en eau.

Progressivement, le forage mécanisé a remplacé les méthodes manuelles en raison de la simplification et de l'accélération considérables du processus.

Aujourd'hui, pratiquement tous les puits aquifères sont forés mécaniquement, ce qui repose sur la destruction du sol et son remontée à la surface par l'un des deux procédés suivants : le procédé sec, où le sol excavé est retiré du puits à l'aide de mécanismes, et le procédé hydraulique, où il est évacué par de l'eau envoyée sous pression ou par gravité.

On distingue trois méthodes principales de forage mécanique :

• Rotatif (le sol est travaillé par rotation).
• Percutant (l'outil de forage fracture le sol par coups).
• Vibratoire (le sol est travaillé par des oscillations à haute fréquence).

La méthode rotative est considérée comme la plus productive, avec une efficacité 3 à 5 fois supérieure à la méthode percutante et 5 à 10 fois supérieure à la méthode vibratoire. De plus, la méthode rotative est la moins coûteuse et la plus accessible ; elle est souvent utilisée comme méthode principale pour le forage manuel.

Les méthodes mécaniques de forage rotatif de puits d'eau ont remplacé les méthodes manuelles inefficaces.

Quant à la méthode de forage rotatif, largement utilisée pour la construction de puits d'eau, elle se divise en quatre principaux types de forage :

• carottier ;
• à la tarière ;
• par battage au câble ;
• rotary.

Chaque type de forage rotatif a ses propres caractéristiques et est réalisé avec un équipement spécialement conçu à cet effet. Examinons ces types de forage plus en détail, déterminsons leurs différences et la méthode à aappliquer dans chaque cas spécifque.

Spécificités du forage carottier

Le forage carottier – une méthode mécanique rotative par laquelle le sol argileux ou sableux dense est extrait sous forme de carotte cylindrique. L'outil de forage carottier est un tube métallique à paroi épaisse.

Au sommet de l'outil de forage carottier se trouve un dispositif pour attacher les tiges nécessaires à l'extension de la colonne de forage. En bas – une couronne, dont le type est choisi en fonction de la catégorie du sol à forer.

Lors du forage par méthode carottière, le sol est détruit par une couronne annulaire. La partie intérieure de la carotte est préservée intacte. Pour faciliter le processus de forage dans les loams durs et semi-durs, les argiles, les roches, un flude de lavage est injecté en fond de trou.

Lors du forage carottier, le sol n'est pas détruit, mais “percé” par la couronne et capturé par le tube carottier. À la surface, la roche forée est extraite sous forme de carotte – un pilier cyli ndrique monolitique de roche.

Les déblais du fond de trou sont parfois évacués par lavage – injection d'une grande quanité d'eau dans le puits. Le plus souvent, le lavage est remplacé par un souflaage d'air comprimé, fourni par un compresseur à l'intérieur du tube. Ce type de forage permet de forer des puits jusqu'à 1000 mètes de profondeur et d'un diamètre de 8 à 20 cm.

Le forage mécanique par carottage est effectué à l'aide d'appareils de forage de type ZIF, UGB, UKB, montés sur des camions de type KAMAZ, KrAZ, des tracteurs de débardage, etc. Dans la version manuelle, le tube carottier est raccourci et appelé cloche ou verre. Le tube carottier est structurellement similaire à ce dernier objet du quotidien retourné.

Le forage carottier est utilisé dans les cas suivants :

• prospection géologique des minéraux ;
• forage de puits d'exploration ;
• la réalisation de puits aquifères de toute profondeur, y compris les puits sans filtre dans les roches dures.

Pour la construction de puits d'eau privés, dans certains cas, la méthode de carottage est utilisée avant de commencer le forage à la tarière ou rotatif, jouant à la fois un rôle d'exploration et de préparation.

Dans la construction de puits privés, le forage carottier est utilisé en combinaison avec le forage par percussion-câble. Les couches argileuses sont traversées par un tube carottier. Les sables meubles, le gravier et les galets avec un remplissage sableux, qui ne sont pas retenus dans le tube carottier, sont extraits du puits par curage.

En termes d'efficacité, la méthode carottière est légèrement inférieure à la méthode de forage à la tarière pour les puits de captage d'eau. La tarière fore plus vite, mais elle ne permet pas de dégager complètement le puits des déblais. On les utilise rarement ensemble. Et si jamais on le fait, la tarière traverse les premiers mètres.

Les couronnes ne détruisent pas le sol, mais le découpent soigneusement sur le pourtour, formant des “colonnes” – des carottes, dont l'étude permet d'établir une coupe hydrologique du site.

Équipement et outils utilisés

Les outils suivants sont utilisés pour le forage carottier :

• couronnes de forage en diamant ou en un autre matériau dur (acier, tungstène, pobedit) ;
• tube carottier ;
• tube d'évacuation des boues ;
• tiges nécessaires à l'allongement du train de forage ;
• raccords à manchon, adaptateurs entre tubes, presse-étoupe de lavage.

Lors du forage dans des roches dures, la couronne de forage s'use rapidement et doit être remplacée. Le matériau de la couronne – coûteux et supportant des charges colossales, les varantes à couronne diamantée sont les plus courantes.

Tous les outils utilisés pend ant le forage doivent être alignés, c'est-à-dire positionnés exactement par rapport à l'axe de forage.

Technologie de forage au carottier

La principale caractéristique du forage carottier – la traversée de la roche avec sa conser vation complète dans le tube carottier. C'est-à-dire que lors du fonctionnement de l'équipement de forage, la couronne détruit le sol en anneau, qui, à mesure de l'enfoncement, est poussé dans le tube carottier et y est retenu par sa propre densité.

Lors de l'extraction du tube rempli du puits, on le libère de la carotte en le frappant à la masse.

Le processus étape par étape du forage carottier se présente comme suit :

• on raccorde la couronne de forage au tube carottier ;
• le tube carottier est raccordé aux tiges, qui sont allongées au fur et à mesure de l'enfoncement ;
• la tige supérieure est fixée dans la foreuse;
• la foreuse fait tourner le train de tiges et le “visse” progressivement dans le sol;
• le tube carottier se remplit progressivement de carotte – le sol coincé dans sa cavité;
• après un avancement de 50 – 70 cm, le train de tiges est remonté à la surface, les tiges sont déconnectées une par une jusqu'à ce que le tube carottier soit extrait;
• on libère le tube des débris de forage;
• l'outil vidé est redescendu au fond du trou en rallongeant le train de tiges avec des tiges.

Les opérations sont effectuées dans l'ordre décrit jusqu'à ce que le puits atteigne la nappe aquifère et s'enfonce de 50 cm dans la couche imperméable sous-jacente.

Si le repérage de l'aquifère supérieur n'est pas l'objectif du forage, on peut forer avec lavage. Dans ce cas, une pompe envoie la solution de lavage par un tuyau à l'intérieur des tubes. Ensuite, la solution remonte les déblais à la surface.

Si l'objectif du puits n'est pas une nappe dans les dépôts sableux, le forage jusqu'à atteindre les roches dures peut être effectué avec lavage

Avantages et inconvénients majeurs

Comparé aux méthodes de forage mécanique par percussion et rotative, le forage carottier est assez rapide, réduisant considérablement le temps de travail. Son principal inconvénient – l'impossibilité de remonter les sols meubles et les galets saturés d'eau. Il progresse lentement dans les roches dures, et un trépan est nécessaire pour traverser les blocs.

Parmi les avantages du forage carottier, on compte :

• une productivité élevée et la possibilité de forer des puits de plus de 100 m de profondeur ;
• une réduction des charges sur l'équipement de forage grâce à la destruction de la roche argileuse, comparable à un découpage ;
• la possibilité d'utiliser une foreuse mobile de dimensions compactes.

Le forage au carottier est l'un des moyens les plus rapides de creuser des ouvrages de captage. Avec cette méthode, un puits dans le sable peut être réalisé en une journée de travail. Un ouvrage de captage creusé à la main prendra beaucoup plus de temps.

Particularités du forage à la tarière

Ce type de forage est aujourd'hui le plus souvent utilisé pour la réalisation de puits d'eau dans les exploitations privées. La particularité du forage à la tarière est que les déblais sont entièrement évacués du puits sans nécessité d'équipement supplémentaire. La méthode rappelle un vissage et permet de forer en profondeur tout en retirant simultanément les sols inutiles.

L'outil utilisé pour le forage s'appelle une tarière. Il s'agit d'une tige métallique avec des pales. En se vissant dans le sol, la tarière brise la roche qui reste accrochée à ses pales. En raison de la spécificité de sa conception, il est impossible de débarrasser complètement le fond du trou des déblais avec une tarière. C'est pourquoi on l'utilise principalement pour traverser les couches supérieures.

Le forage à l'aide d'une tarière – est une méthode rapide et peu coûteuse, qui ne nécessite pas la mise en place d'un réservoir de fluide de forage.

Le forage à la tarière ne nécessite pas beaucoup d'efforts ni de dépenses financières, c'est pourquoi le champ d'application de cette méthode est assez large : forages de prospection géologique, pose de canalisations, réalisation de pieux forés et partiellement forage d'eau.

On l'utilise activement aujourd'hui pour la construction de puits abyssins, afin de ne pas enfoncer complètement le puits-pointe dans un sol dense, mais de faciliter légèrement le processus d'immersion du tubage dans la roche préalablement fragmentée.

Cette méthode convient au creusement de puits aquifères d'une profondeur allant jusqu'à 30 m dans les sols meubles et peu compacts, et jusqu'à 20 m dans les sols moyennement denses. Après le passage de la tarière et la pose du tubage, le puits est impérativement nettoyé à la cuiller pour retirer les débris non extraits.

La tarière ne convient absolument pas pour travailler dans les roches dures ! On l'utilise pour le forage partiel de puits jusqu'à 120 m, et cette méthode est associée à d'autres : rotatif, par battage-câble, au carottier.

Équipement et outils employés

Le forage à la tarière est réalisé avec une foreuse, dont l'élément principal est un outil de forage de type vis, fabriqué en métal à haute résistance. La colonne de forage est rallongée au fur et à mesure de la descente avec des tarières de taille identique.

Dans l'ensemble, on utilise parfois des trépans à lames, nécessaires pour traverser les sols meubles, ainsi que des trépans à têtes rondes ou coniques, utilisés pour le creusement des roches dures.

Une foreuse montée sur un véhicule équipé d'un moteur puissant – est la solution optimale pour le forage dans les endroits difficiles d'accès et éloignés.

La plupart des foreuses modernes sont équipées de tiges creuses munies de verrous réversibles, qui empêchent le mouvement de l'outil en sens inverse.

Les parties coupantes de la tarière sont refroidies pendant le forage par le sol travaillé, et les déblais remontent le long des spires. Cela permet d'effectuer le forage sans interruption, réduisant considérablement le temps et l'énergie nécessaires à la création d'un puits d'eau.

Technologie du forage à la tarière

Après avoir effectué le forage à une profondeur de 1,5 – 2,0 m, la tarière est retirée et des tubes de cuvelage sont installés dans le puits. Le diamètre du puits de captage foré à la tarière est de 50 – 200 mm et dépend de la taille de l'outil utilisé.

Les tubes de cuvelage empêchent l'effondrement des parois du puits. Ceci est particulièrement important pour les sols meubles et non cohérents, d'où la règle chez les foreurs : utiliser lors du forage de limons sableux et de loams des tarières avec des pales inclinées de 30 – 60°, et pour le forage de sables denses, un outil avec des pales inclinées à 90°.

Avec une inclinaison moindre des spires de la spirale de la tarière, celle-ci remonte davantage de déblais non cohérents à la surface.

Le forage à la tarière ne nécessite pas l'utilisation de fluide de forage ; la roche extraite par le trépan est remontée à la surface sur les pales de l'outil.

Avantages et inconvénients de l'utilisation de la tarière

La méthode de forage à la tarière permet de réaliser un puits très rapidement, à condition que la taille de la tarière et l'angle d'inclinaison du trépan aient été correctement choisis.

Les avantages du forage à la tarière incluent :

• le sol est remonté à la surface immédiatement pendant le forage ;
• grande vitesse de pénétration dans le sol sans arrêts techniques ;
• pas besoin de laver le puits ;
• une installation de tarière compacte ou une tarière manuelle permet de forer à l'intérieur d'une maison (au sous-sol) ;
• pas besoin de remonter le premier élément à la surface et de démonter/remonter le train de tiges comme dans la méthode au carottier.

Le principal inconvénient du forage à la tarière est l'impossibilité de travailler sur des sols meubles et très durs, mais en même temps, la tarière est un outil idéal pour le forage dans les sols limoneux, mixtes (argile et limon sableux) et les sols argileux mous.

Un autre inconvénient limitant l'utilisation de la tarière pour la réalisation de puits aquifères est la nécessité d'employer la méthode par battage pour nettoyer le puits des déblais.

Un équivalent de la tarière – la tarière hélicoïdale est largement utilisé dans le forage manuel. Elle brise également la roche et la capture avec ses pales pour la remonter.

Caractéristiques du forage rotatif

Le forage rotary est une méthode de forage par rotation-vibration, dans laquelle la destruction du sol est effectuée à l'aide d'un trépan mis en mouvement au fond du puits par le rotor de l'installation de forage. Le rotor est entraîné par le moteur du véhicule ou par un moteur électrique séparé via un arbre de transmission.

Le sol extrait est évacué du puits par lavage direct ou inversé. Le fluide de lavage peut être fourni par gravité ou par une station de pompage.

La plupart des puits artésiens sont forés en utilisant la méthode de forage rotatif : à l'aide d'un trépan rotatif entraîné par un rotor, suivi d'un nettoyage du puits et de la pose de tubes de cuvelage.

Le forage rotatif est utilisé pour creuser des sols rocheux et semi-rocheux lors de la réalisation de puits profonds jusqu'à 150 m. Une foreuse rotative avec un trépan bien choisi et des tiges de forage alourdies excelle dans les formations rocheuses.

Les spécialistes en forage recommandent d'utiliser cette méthode de forage sous les conditions suivantes :

1. La coupe hydrogéologique du site est suffisamment bien étudiée. On sait que le forage doit être effectué dans des roches. Le niveau de la zone aquifère dans les roches mères est connu.
2. L'eau souterraine possède une pression caractéristique des puits artésiens.
3. Il est possible d'approvisionner en continu de l'eau technique pour le nettoyage du puits.

Dans les régions méridionales, le forage rotatif peut être effectué toute l'année, tandis que dans le climat nordique, l'utilisation de cette méthode est limitée en raison du risque de gel du fluide de nettoyage.

Équipement et outils appliqués

Le forage rotatif des puits aquifères est réalisé à l'aide d'un mât à cadre ou à treillis, sur lequel sont montés l'équipement de levage et les autres éléments de la foreuse. Le mât permet de monter et descendre les colonnes de forage dans le puits.

La foreuse de type rotatif comprend :

• un mât à cadre ou à treillis ;
• un moteur avec entraînement ;
• un rotor et une colonne de forage ;
• un équipement de pompe et un système de nettoyage du fluide de forage ;
• un équipement de levage, une conduite sous pression, un swivel, des presse-étoupes, etc.

Dans les installations automotrices, le moteur à combustion interne du véhicule sur lequel est monté le complexe de forage est utilisé comme moteur. Dans ce cas, la puissance du moteur régule la vitesse de l'outil de forage.

Comme source d'énergie pour la foreuse rotative, on peut utiliser un moteur électrique fixe ou mobile, le moteur à combustion interne du véhicule, des générateurs.

Le rotor transmet la rotation à la tige d'entraînement via un dispositif à engrenages, qui à son tour la transmet à l'outil de forage principal – le trépan. Le trépan peut avoir différentes formes et est fabriqué à partir de matériaux à haute résistance : composites, acier avec revêtement diamanté, etc.

Pour chaque type de sol, une taille et une forme de trépan spécifiques sont sélectionnées, garantissant ainsi une haute efficacité et une vitesse de pénétration élevée.

Originalité de la technologie rotative

Le forage rotatif de puits d'eau s'effectue en trois étapes :

1. Destruction de la roche à l'aide du trépan.
2. Remontée de la roche détruite à la surface par un flux d'eau injectée.
3. Renforcement des parois du puits avec des tubes de tubage.

L'évacuation du sol détruit se fait par lavage direct ou inversé. Le choix du mode de lavage dépend des conditions spécifiques : profondeur du puits, type de sols, disponibilité du volume d'eau de lavage nécessaire.

En règle générale, dans les exploitations privées, on utilise la technique de forage avec lavage direct, qui comprend les étapes suivantes :

• enfoncement dans le sol d'un trépan de grand diamètre ;
• rotation du trépan sous l'action du rotor ;
• installation des tiges de forage et montage de tiges alourdies entre celles-ci et le trépan ;
• évacuation du sol usé par pression de fluide à l'aide d'une pompe ;
• montage du tube de tubage pour empêcher l'effondrement du sol à l'intérieur du puits ;
• forage avec un trépan de plus petit diamètre et répétition de tout le cycle.

En lavage inversé, le sol est évacué du puits par les tubes de la colonne de forage, tandis que le fluide de lavage est versé entre les parois du puits et les tubes.

L'eau s'écoule par gravité dans un réservoir préalablement préparé, où elle est nettoyée du sol et des boues, et retourne dans la colonne de forage pour une nouvelle charge de roche usée.

Dans certains cas, lors du forage rotatif, on utilise non pas un lavage direct ou inversé, mais un soufflage d'air sous pression créé à l'aide d'un compresseur.

Avantages et inconvénients du forage rotatif

Le principal avantage de la méthode rotative est la possibilité de forer des puits profonds avec captage d'eau dans le calcaire fissuré.

De plus, cette méthode de forage présente les avantages suivants :

• haute qualité de découverte de l'aquifère dans les roches dures ;
• possibilité de réaliser un puits de grand diamètre jusqu'à 200 cm ;
• vitesse de forage élevée, faible consommation d'énergie.

Un inconvénient majeur du forage rotatif est la nécessité d'organiser le lavage du puits.

Quelle méthode de forage choisir ?

Toutes les méthodes de forage mécanique examinées sont largement utilisées pour la réalisation de puits aquifères.

En résumé, on peut dire que :

1. Le forage carotté est recommandé pour le creusement dans les sols argileux plastiques. La méthode carottée convient pour la plupart des ouvrages de captage d'eau, et si nécessaire, elle est utilisée en combinaison avec le forage par battage.
2. Le forage à la tarière, par son champ d'application, est similaire à la méthode carottée. Il s'en distingue par un nettoyage de mauvaise qualité du puits et nécessite l'utilisation obligatoire d'une cuillère de forage ou un rinçage prolongé du puits avant la mise en service.
3. Le forage rotatif – est l'option optimale pour le creusement des puits dans les sols rocheux.

Le coût de réalisation d'un puits selon telle ou telle méthode de forage dépend en grande partie de l'équipement utilisé, ainsi que des catégories de rochhes traversées selon leur forabilité.

Un méthode de forage de puits bien choisie permet non seulement de réduire le temps de forage, mais aussi d'exploiter la source d'eau sans problèmes à l'avenir.

Vous pourrez lire comment fabriquer vous-même une foreuse dans un autre article populaire de notre site.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

Vidéo #1. Démonstration du principe du forage carotté classique avec extraction de la carotte par pression d'eau :

Vidéo #2. Particularités du forage d'un puits à la tarière :

Vidéo #3. Forage carotté d'un puits avec rinçage du fond et installation d'un double tubage, dont la partie extérieure est en tubes d'acier et la partie intérieure en polymères :

Le forage d'un puits aquifère – est un processus laborieux. De la justesse de la méthode de forage choisie dépendent non seulement la vitesse de construction d'une source d'eau autonome, mais aussi les coûts financiers.

La première chose à considérer lors du choix d'une méthode de forage est le type de sol et la profondeur de la nappe phréatique. Sur la base de ces paramètres, vous pourrez choisir l'option optimale qui vous permettra de forer un puits rapidement et à moindre coût.

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