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Les méthodes de Forations

Un appareil de Forage appelé " Sonde ou Rig " est composé d’un ensemble d’éléments dont le but est d’assurer la progression d’un outil à travers des séries de terrains jusqu’à un objectif, déterminé par des études géologiques et géophysiques.

Percussion - Battage
Percussion et Battage c’est la méthode la plus Ancienne
Par percussion le procédé consiste à soulever un outil lourd et à le laisser retomber sur la roche à perforer.
La hauteur de chute et la fréquence des coups varient avec la dureté de la roche, si le trépan est accroché directement au câble, ou sous une masse- tige, c’est le procédé Pennsylvanien, s’il se trouve fixé sous un train de tiges, c’est le procédé Canadien, il est recommandé de monter une coulisse au- dessus de l’outil.
Le battage au câble ( Pennsylvanien), le mouvement alternatif peut être tout simplement opéré par le treuil sans aucun autre accessoire. En actionnant le levier de l’embrayage, le trépan est soulevé, puis en lâchant brusquement ce levier, l’outil redescend en chute libre au fond du trou.
Sur les machines plus importantes, le mouvement alternatif est produit par un balancier actionné par une bielle et une manivelle.
Un matelas de ressorts amortisseurs est monté sous la poulie de tête de mât. Les mouvements saccadés du câble provoquent une rotation du trépan dont la partie coupante agit ainsi sur toute la section du trou.
Après un certain avancement, il faut remonter le trépan et descendre une curette ou cuillère ou soupape, pour extraire les sédiments broyés.
On travaille toujours en milieu humide en maintenant de l’eau au fond du trou.
Au battage, les chocs, les frottements et les vibrations du trépan sur les parois du forage nécessitent la mise en place d’un tubage qui doit suivre l’avancement, on emploie des colonnes de travail spéciales, lisses, épaisses, courtes, sans manchons et assemblées par filetages à mi-épaisseur afin de faciliter le glissement du tubage dans le terrain.
En battage, tous les terrains peuvent être aisément forés, les formations dures, calcaires, grès durs, schistes, anhydrites, silex, etc...., bien que beaucoup plus lentement qu’au Rotary, préférable dans les terrains fissurés, karstiques, sans craindre les pertes de circulations.

Rotary
Méthode Rotary, la pénétration de l’outil s’effectue par abrasion et broyage du terrain, sans chocs, uniquement par rotation.
L’outil est fixé à la base de la ligne de sonde, composée, de bas en haut, des éléments suivants:
 - Outil : Tricône (rock-bits), trépans à lames (drag-bits),
             aléseur (reamer), stabilisateur (stabilizer)
 - Masses- tiges ( drill-collars).
 - Train de tiges. ( drill- pipes)
 - Tige carrée ( Kelly).
 - Tête d’injection (swivel)
L’outil reçoit, de la ligne de sonde, le mouvement de rotation et une partie de son poids.
Le réglage de ces deux éléments: vitesse de rotation et poids sur l’outil est de première importance, ensemble, ils constituent le paramètre de Forage.
Le mouvement de rotation est transmis à la ligne de sonde par les moyens suivant:
 - Table de rotation et tige carrée.
 - Mandrin avec clavettes coulissantes pour Kelly cylindrique à cannelures.
 - Manchon agissant directement sur les tiges qui coulissent à l’intérieur et qui peut être rendues solidaires par des vis de blocage.
La tige carrée et la kelly sont creuses et laissent passer la boue de forage.
Elles sont suspendues au crochet du palan par la tête d’injection et qui, par un col de cygne, relie hydrauliquement l’intérieur de cette ligne de sonde avec le flexible de circulation et la pompe à boue.
Les pompe à boue doivent assurer un débit compatible avec le rendement optimal du trépan utilisé, le débit de circulation doit assurer une vitesse ascensionnelle minimal dans l’espace annulaire, une pompe à boue est toujours à double effet, elle aspire et refoule dans les deux sens de déplacement du piston, dans un sens le volume de la cylindrée est pleinement utilisé alors que dans l’autre la tige du piston diminue légèrement ce volume.
Sous la double action: rotation et pression (poids) que lui imprime la ligne de sonde, l’outil détache du terrain, au fond du trou, les sédiments "Cuttings", qui sont remontés au jour, en circuit continu, par l’action d’un liquide visqueux, la boue refroidit et lubrifie l’outil, la boue de forage, injectée à l’intérieur des tiges par la pompe à boue, traversant l’outil de forage et remontant à la surface par l’espace annulaire entre la ligne de sonde et le terrain ou la colonne de tubages déjà en place.
Dans son mouvement ascensionnel, la boue tapisse les parois du trou non encore tubé et les maintient, momentanément, en attendant la poses des colonnes de soutènement ou la mise en place de la colonne de captage, crépine et gravier additionnel.
Dans certain cas, le forage s’effectue à l’air comprimé, qui remplace alors la boue, dans cette solution, un compresseur remplace la pompe à boue, il convient alors de placer à la sortie des cuttings, au niveau du sol , un déflecteur annulaire ( goulotte).
Le forage à la boue, celle ci, avec les cuttings qu’elle a véhiculé, arrivent au sol à la gueule du puits et sont conduits - sur les gros Appareils de forage, à un tamis vibrant qui retient, précisément les cuttings et laisse passer la boue vers un ou plusieurs bacs à boue, où elle se décante, pour être reprise à nouveau par la pompe à boue.
Pour les Appareils plus légers, le tamis vibrant n’existe pas et les bacs sont souvent remplacés par une fosse, pratiquée à même le sol dont les parois sont cimentées. La boue de forage, depuis la gueule du puits, circule dans une série de canaux et dans lesquels elle se débarrasse des cuttings avant de se rendre dans la fosse à boue où elle se décante pour être remise en circuit par la pompe à boue à travers tout la ligne de sonde.
La densité de la boue doit varier selon la pression des nappes et c’est par ce moyen qu’on parvient à équilibrer provisoirement un Artésianisme jaillissant, brusquement découvert par l’outil, la composition chimique du fluide de circulation, sa viscosité, ses propriétés colloïdales doivent aussi être adaptées au terrain afin que ce dernier, en se mélangeant avec la boue, ne vienne en altérer les qualités et engendrer la floculation, la coagulation et la dégradation de cette boue dont les conséquences peuvent être graves pour l’ouvrage.
En Rotary, le trou doit être maintenu constamment plein de boue et la circulation ne doit jamais être interrompue, la perte de circulation peut être dangereux pour la ligne de sonde et même pour l’ouvrage.
Le contrôle du volume de boue, par l’examen du niveau dans les bacs ou fosses à boue, fournit de précieux renseignements sur la nature physique du terrain.
Un accroissement du volume de boue est l’indice d’une venue de fluide souterrain dans le forage, une perte de volume indique une zone fissurée ou dépressionnaire.
Paramètre de Forage
Le foreur peut intervenir sur les trois éléments suivant qui conditionnent l’avancement de l’outil dans le terrain:
 - Poids sur l’outil .
 - Vitesse de rotation.
 - Débit - Pression - Composition de la boue.

Percussion " Air "
Marteau fond de trou, méthode "Odex " avec tubage à l’avancement
Percussion rapide, marteau pneumatique " fond de trou", le principe, un marteau animé par l’air provenant d’un compresseur "à vis", pression de 20 bars, d’un mouvement vertical rapide de va et vient frappe la queue de l’outil dont le taillant reste en contact avec le fond du trou.
Un marteau pneumatique est fixé en bas d’un train de tiges creuses, et actionne un outil, l’outil est un taillant, généralement en croix, recharger au carbure de tungstène ou taillant à boutons, il est alimenté en air comprimé à travers les tiges et une tête d’injection, l’air détendu après son passage dans le marteau fond de trou remonte à grande vitesse entraînant les déblais "cuttings" dans l’espace annulaire entre les tiges et le trou.
La frappe seule s’opère au fond du trou, la rotation étant transmise en haut du train de tiges.
Comme pour le Rotary, les cuttings réduits à l’état de poussière, sont sortis du trou par le fluide de circulation, l’air comprimé, amené au fond du trou par l’intérieur des tiges et remonté au jour par l’espace annulaire.
C’est une technique qui donne de bons avancements dans les terrains très dures et stables.
On peu forer à injection d’air perdu "karst" et avec présence d’eau abondante, mais pas s’il n’y a qu’un peu d’eau (formation de boue collante qui peut coincer l’outil), il faut des réserves d’eau pour l’injecter "eau et air" à l’avancement et nettoyer par pression le forage pour remonter les déblais l’atelier de forage doit être accompagné de camions citernes.
Il faut un dispositif d’avance lente et de réglage de la charge de l’outil sur le fond.
- Méthode Odex: forage des terrains de recouvrement par la méthode avec excentrique.
La méthode Odex est basée sur le principe du réalésage, met en œuvre un taillant pilote avec aléseur excentrique, qui permet l’introduction des tubes de revêtement dans le trou de forage sans leur imprimer de rotation, alors que le forage avance, pendant le forage, l’aléseur tourne excentré sur le taillant Odex et fore un trou sensiblement plus gros que le diamètre extérieur des tubes de revêtement, les cuttings sont évacués vers la surface à l’intérieur des tubes, quand la profondeur désirée est atteinte, le marteau perforateur tourne un court instant en sens inverse et l’aléseur se replie automatiquement pour pouvoir remonter le long des tubes. Le taillant Odex peut alors être relevé à travers les tubes qui restent dans le trou, si le trou est foré ensuite dans la roche homogène, le forage peut continuer avec l’équipement standard, à travers les tubes de revêtement.

Tarière
Les tarières hélicoïdales continues forent rapidement dans les argiles à faible profondeur, il faut pour forer à la tarière des couples moteurs importants (300 à 1200 m x kg) à vitesse lente.

Mise en place de l’équipement
Tubes - Crépine - Gravier
Elargissement du forage
Après la mise en place d’un tube guide sur environ 2 mètres.
Pour élargir le trou, on emploie des outils élargisseurs "aléseur" (reamers), les aléseurs , une action d’alésage des parois du puits, à cette effet, ils comprennent, montés sur un corps en acier, trois molettes à dents ou à rouleaux inclinés, il reçoit à la base l’outil qui à servi à forer précédemment, les molettes ou rouleaux roulent sur les parois du puits, lorsque l’aléseur intercalé dans le train de drill-collars tourne autour de son axe, le diamètre extérieur est évidemment égal au diamètre du trépan utilisé.
Contrôle du trou élargi, rectitude, verticalité, inclinomètrie.
Préparation et descente d’une colonne de tubes:
La colonne est composée de tronçons de différente longueurs de tubes, il s’agit de tubes filetés et manchonnés, le chef sondeur prends note, au fur et à mesure de la descente, de la constitution de la colonne afin qu’il puisse connaître, à chaque instant, la position exacte du pied de la colonne, de son sabot, souvent, on coule à l’intérieur du tube inférieur un bouchon de ciment.

Cimentation:
Cette opération consiste à remplir, par un mélange à base de ciment, tout ou partie de la hauteur de l’espace annulaire entre un tubage et les parois du trou foré, le but à atteindre est de rendre étanche cet espace annulaire et empêcher la pollution par les eaux de surface, des nappes aquifères mises en production.
Pour la cimentation d’une portion de tubage, on aura fixé autour du tubage une ombrelle de cimentation, un fourreau de forte toile en forme de cône, solidement serré à sa base autour du tube.

Crépines et filtres
Le captage de l’Eau s’effectue au moyen d’un massif de gravier filtre et d’un crépine qui n’est autre qu’un tube de forage percé d’ouvertures.
L’ensemble du système doit permettre le passage de l’Eau tout en interdisant aux éléments fins entraînés par la vitesse de pénétrer dans l’ouvrage et de le colmater.
La composition granulométrique du gravier filtre, la dimension des ouvertures du tube crépine, feront l’objet de déterminations en fonction de la courbe granulométrique du niveau reconnu productif. Les Forages s’ensablent et périssent parce que les dimensions des filtres ne sont pas adaptées à la composition du terrain.
En raison de l’hétérogénéité des formations aquifères, elles peuvent être " homogènes ou hétérogènes ", il est indispensable d’établir sur place, les courbes granulométriques de plusieurs échantillons de terrains obtenus intacts, par " carottage, échantillons ".
Les courbes granulométriques sont établies par tamisage des échantillons de terrain aquifères après séchage.
Pose des crépines
La crépine est l’élément fondamental d’un forage.
Elle constitue la partie active, la crépine doit laisser pénétrer dans l’ouvrage une eau exempte de sable, en grande quantité et avec une perte de charge au pompage aussi réduite que possible.
La crépine influe largement sur les facteurs suivants:
 - Débit du forage.
 - Rabattement et hauteur manométrique au pompage.
 - Production d’une eau exempte de sable.
Les crépines font partie de l’équipement de l’ouvrage, après tubage et cimentation jusqu’au toit de la couche aquifère, il y aura lieu de retirer du trou foré jusqu’au mur de cette couche, tous les cuttings qui se seront accumulés, un nettoyage copieux s’impose.
L’ouvrage étant bien préparé, nettoyé et calibré au diamètre voulu, la pose de la crépine sera plus facile.
La méthode " par remontée de colonne ", le tubage est descendu dans le trou foré et tous les cuttings qui auraient pu se trouver à l’intérieur ont été soigneusement retirés. La crépine est alors descendue dans le tube, jusqu’au fond et le tube est enfin remonté de telle sorte que la crépine soit exposée au terrain aquifère.
Si la situation nécessite la cimentation de la colonne, le forage est d’abord exécuté seulement jusqu’à la cote prévue pour le sabot du tubage, celui-ci est descendu et cimenté.
Un outil dont le diamètre est juste inférieur à celui de l’intérieur du tube est alors employé pour fore dans la couche aquifère au-dessous du tubage, la crépine est descendue dans le trou ainsi foré, la boue de forage est éliminée, le joint en haut de la crépine est serti dans le tubage et le développement peut commencer.
La crépine peut être munie d’un sabot plein ou d’un sabot à clapet, permettant de laver par circulation, le fond de l’ouvrage, les cuttings qui s’y trouveraient encore.
Sur un ou plusieurs points de la colonne de captage, tube, crépine et tube d’extension, sont placés des arceaux de centrage ou centreurs à lames.
La crépine est en P V C ou acier inoxydable ou au carbone galvanisé.
Les crépines Layne ou à persiennes sont en métal repoussé.
Les crépines Johnson sont en acier galvanisé ou en acier inoxydable.
Les crépines Nold sont en métal, à perforation oblongue pontée.
Les crépines Hagusta sont composées d’un massif de gravier cylindrique aggloméré sur un support métallique perforé.

Mise en place d’un massif de gravier
Les massifs de gravier autour des crépines seront placés de façon telle qu’après tassement ils assurent un filtre au droit des crépines " gravier filtre plusieurs mètres au-dessus des crépines en particulier si la formation sableuse à capter est surmontée par des argiles ", le passage de l’Eau provoque toujours une action plus ou moins érosive à l’intérieur d’un massif et il convient de parer à ce phénomène qui se traduit par un tassement.
Le gravier doit être siliceux à grains "roulés", soigneusement criblé et lavé.
Bien étudié et correctement mis en place, un massif auxiliaire de gravier permet d’obtenir une Eau exempte de sable, de fine, avec un excellent rendement hydraulique, le sable occasionne des dégâts aux pompes et peu entraîner l’effondrement de l’ouvrage.
La granulométrie du gravier auxiliaire doit être correctement calculée en fonction de celle du terrain, le massif de gravier doit être plus perméable que la formation, mais en même temps il doit être assez fin pour contrôler le sable, il doit contenir la formation sans permettre un mouvement du sable au débit maximum de pompage, le choix correct de la granulométrie du gravier auxiliaire est plus important que l’épaisseur du matériau, le massif de gravier doit être uniforme, l’uniformité confère au matériau une grande perméabilité même s’il s’agit d’un massif constitué par du gros sable, un gravier bien calculé doit avoir une perméabilité 10 à 50 fois plus forte que celle de la formation.
Mise en place du gravier, par gravité, introduction en circuit continu sous pression.
Il faut éviter la formation de "ponts ", dans l’espace annulaire autour de la crépine et d’éviter aussi lors de la descente, une ségrégation ou séparation du matériau en gros éléments d’un côté et en éléments fins de l’autre, les ponts peuvent laisser des espaces vides quand des arcs se forment entre la crépine et la paroi forée de l’ouvrage.

Le développement
Le développement par pistonnage, l’outil est un piston actionné verticalement dans les deux sens à l’intérieur du forage tubé et crépiné.
développement pneumatique, l’air comprimé constitue un outil de développement efficace, cette méthode permet de combiner l’action de flux et de reflux provoquée par de grands volumes d’air introduits dans l’ouvrage avec la mise en production par "air lift" ( éjecteur ou émulseur).
Un émulseur "air lift" avec le tube d’air placé à l’intérieur du tube de remontée d’eau est descendu dans l’ouvrage, le compresseur doit être capable de fournir une pression non inférieure à 7 kg ou mieux 10 kg par centimètre carré.
Les mesures: profondeur du forage, niveau statique départ, cote base émulseur, origine des mesures, débits, niveaux dynamiques, rabattements, durée du développement, débit fin, niveau statique fin.

Les essais de pompage
Les essais de pompage sur un forage d’exploitation hydraulique, sont toujours utiles et obligatoires.
Par des essais simplifiés, mais rationnels pour définir, les réglages d’exploitation d’un forage,débit et temps de pompage, position optimum de la pompe, les caractéristiques hydrologiques de la nappe.
Faire des essais, c’est effectuer des mesures:
- Temps
- Profondeurs, niveaux, rabattements, remontées.
- Volumes ou directement les débits.
- Mesure des temps, on doit observer en même temps, les effets d’un même phénomène " rabattements ou remontées" sur plusieurs forages ou piézomètres.
- Mesure des profondeurs, il convient de définir le niveau " zéro" cote de référence, c’est généralement le niveau du sol ou le bord du tubage.
- Mesure des volumes, l’emploi d’un compteur volumétrique à cadran, le procédé classique consiste à utiliser des cuves étalonnées.
- Mesure des débits, évaluation grossière d’après la puissance du jet "à plein tube", sur un tube horizontal raccordé au refoulement de la pompe, on fixe une tringle sur la génératrice supérieure, autre méthode du réservoir en V à lame mince.
Durée des essais de pompage, les essais de pompage sur un forage nécessitent plusieurs, jours d’observations et de mesures, fonction rabattements-temps, débit, remontée
Les mesures: profondeur du forage, type de pompe, nombre de palliers, niveau statique départ, altitude de la pompe, origine des mesures, pompage par palier, durée des opérations, niveaux dynamiques, débits, rabattements, temps, remontée, niveau dynamique fin.

EAU source de vie









 

Le Forage d’Eau
EAU tu es la plus belle richesse qui soit au monde
" mais tu es aussi la plus délicate "