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"Procédé et dispositif pour traiter des produits de forage"
La présente invention concerne un procédé pour traiter des produits de forage se dégageant d'un forage en cours de constitution.
La présente invention concerne également un dispositif pour traiter de tels produits de forage.
Lorsqu'on effectue un forage, notamment en terrain dur, par exemple au moyen d'un outil appelé "marteau fond de trou", on risque d'assister à un fort dégagement de poussière susceptible de polluer l'environnement du chantier.
On connaît d'après le FR-A-2 152 710 un procédé utilisant une cloche s'ouvrant face à l'orifice de forage, dans laquelle on recueille le gaz vecteur chargé des produits de forage et dans laquelle on fait entrer à contre-courant un gaz qui a pour but d'empêcher les poussières de franchir le sommet de la cloche le long de l'axe de l'outil et qui quitte ensuite la cloche avec les produits de forage. Ce procédé connu a l'inconvénient de ne pas éviter la pollution de l'environnement là où le collecteur sortant de la cloche conduit le flux poussiéreux, à moins bien entendu de prévoir un dispositif dépoussiéreur à la sortie du collecteur, ce qui est coûteux. Le US-A-2 646 256 vise le cas des forages dirigés vers le haut. Les poussières sont enlevées par un courant liquide et l'étanchéité autour de l'outil est assurée par de l'air comprimé enserrant un joint.
Il faut en effet empêcher le liquide de fuir le long de l'outil. Ce procédé est complexe et nécessite de pomper des quantités importantes de liquide, qu'il faut ensuite recueillir etc.
Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients et en particulier de proposer un procédé et un dispositif particulièrement simples et efficaces pour traiter les produits de forage se dégageant du forage en train d'être effectué.
Selon un premier aspect de l'invention, le procédé pour traiter des produits de forage dans lequel on
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utilise une chambre s'ouvrant face à l'orifice de forage dans laquelle on recueille le gaz vecteur chargé des produits de forage et dans laquelle on fait entrer un gaz qui quitte ensuite la chambre avec les produits de forage, est caractérisé en ce que le gaz que l'on fait entrer dans la chambre est un gaz préalablement humidifié que l'on met en circulation dans la chambre pour qu'il se charge des produits de forage de manière que ceux-ci soient alourdis et agglomérés par l'humidité lorsqu'ils s'échappent de la chambre.
Le gaz peut être de l'air. L'humidité qu'il contient selon l'invention agglomère en particulier les particules les plus fines. Il est ainsi possible de collecter à la sortie de la chambre le gaz chargé des produits de forage alourdis pour rejeter l'ensemble en un emplacement approprié du chantier ou encore dans une benne d'un véhicule d'évacuation. Même à l'emplacement où l'on rejette ce flux, l'environnement n'est pas pollué.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif pour traiter des produits de forage, comportant une chambre s'ouvrant face à l'orifice de forage, dans laquelle on recueille le gaz vecteur chargé des produits de forage et comportant des moyens pour faire entrer dans la chambre un gaz qui quitte ensuite la chambre avec les produits de forage, est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour humidifier préalablement le gaz que l'on fait entrer dans la chambre et des moyens pour mettre ce gaz en circulation périphérique dans la chambre pour qu'il se charge des produits de forage de manière que ceux-ci soient alourdis et agglomérés par l'humidité lorsqu'ils s'échappent de la chambre.
Le dispositif repose au sommet du forage tandis que l'instrument de forage, coulisse à travers celle-ci pour pénétrer de plus en plus profondément dans le sol. Le dispositif est ainsi particulièrement simple et coopère avec l'instrument de forage pour définir une chambre annulaire dans laquelle le gaz humidifié subit un mouvement giratoire particulièrement efficace pour l'action de
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l'humidité sur les particules de poussière.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après, relative à un exemple non limitatif.
Aux dessins annexés : - la figure 1 est une vue en élévation d'un wagon pour chantier ferroviaire portant un dispositif de forage à marteau fond de trou en position transport ; - la figure 2 est une vue schématique en bout du même wagon, le dispositif à marteau fond de trou étant en position préparatoire à un forage ; - la figure 3 est une vue de dessus du wagon avec deux positions de travail possibles du dispositif de
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forage, l'une en trait plein, l'autre en trait mixte ; - la figure 4 est une vue en coupe axiale de l'équipement à marteau fond de trou équipé du dispositif de traitement selon l'invention, représenté schématiquement ; - la figure 5 est une vue schématique partielle, à échelle réduite de l'équipement et du dispositif de traitement au début d'un forage en sol dur ;
- la figure 6 est une vue analogue à la figure 5 mais dans le cas ou un forage initial à la tarière a été effectué dans une couche superficielle tendre ; - la figure 7 est une vue du forage de la figure 6 après un certain temps de travail de l'équipement à marteau fond de trou ; - la figure 8 est une vue en coupe axiale du dispositif de traitement ; - la figure 9 est une vue du dispositif de traitement en coupe selon le plan IX-IX de la figure 8, avec cependant représentation partielle de la bride et du joint situés au-dessus de ce plan ; - les figures 10 et 11 sont des vues de détail, à échelle agrandie, de la figure 9 ; et - la figure 12 est une vue analogue à la figure 9 mais simplifiée et visualisant les écoulements.
L'invention va maintenant être décrite dans l'exemple de forages à effectuer le long d'une voie ferrée,
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en vue de la mise en place de supports de caténaires.
On utilise à cet effet un wagon de chantier 1 déplaçable sur les rails 2 de la voie ferrée à équiper, et portant une tourelle rotative 3 orientable au moyen d'un moteur 4 dont l'arbre de sortie entraîne un pignon 6 engrenant avec une couronne 7 solidaire du bâti 8 de la tourelle 3. Une flèche 9 peut pivoter autour d'un axe horizontal 11 par rapport au bâti 8 sous l'action d'un vérin 12.
Une rampe ou glissière 13 est articulée à la flèche 9 à distance de l'axe 11 entre une position horizontale de repos représentée à la figure 1 et une position sensiblement verticale de travail représentée à la figure 2, au moyen d'un vérin 14. La verticalité de la glissière 13 en position de travail est réglable au moyen du vérin 14 et, dans l'autre plan, d'un moteur 16, pour compenser notamment la déclivité éventuelle des rails 2.
Comme le montre la figure 3, lorsque la rampe 13 est dans la position verticale de travail, la tourelle 3 a au préalable été orientée grâce au moteur 4 dans l'une ou l'autre de deux orientations de travail dans chacune desquelles la flèche 9 s'étend d'un côté ou de l'autre par rapport aux rails 2. La rampe 13 porte de manière coulissante un équipement à marteau fond de trou 17 qui, dans les deux situations représentées à la figure 3, se trouve dans l'axe du forage à effectuer.
Comme le montre la figure 4, où la rampe 13 n'est pas représentée, l'équipement à marteau fond de trou 17 comprend un outil rotatif 18 portant à son extrémité de travail des boutons en carbure 19. L'outil 18 est fixé à l'extrémité d'un tube d'entraînement en rotation 21 luimême relié à une source motrice d'entraînement en rotation 22 qui n'est représentée que de manière schématique aux figures 1 et 2 ; et schématisée par une flèche 22 à la figure 4. Dans le tube 21 est monté coulissant un marteau 23 (figure 4) qui est actionné en va-et-vient vertical par des moyens pneumatiques 24 pour frapper de manière répétée le sommet de l'outil 18. Les moyens pneumatiques 24 sont
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alimentés par de l'air comprimé entrant dans le tube 21 par un orifice 26 ménagé à l'extrémité opposée à l'outil 18.
L'échappement des moyens pneumatiques 24 se fait à travers un conduit central 27 du marteau 23 et un conduit central 28 de l'outil 18, qui communiquent l'un avec l'autre par l'intérieur creux d'une douille de guidage mutuel 29. L'air sort par l'extrémité frontale de l'outil 18 par des orifices répartis 31 communiquant avec le conduit central 28, puis remonte (flèches F4) jusqu'à la surface du sol 30 en cheminant axialement ou, du fait de la rotation du tube 21, hélicoïdalement le long de la paroi du tube 21 jusqu'à l'orifice 32 du forage 33 en train d'être réalisé.
L'équipement décrit jusqu'ici est classique, l'équipement à marteau fond de trou étant par exemple de marque Mission, type SD18, diamètre du marteau 407 mm, diamètre de taille de l'outil : 610 mm.
L'air sec injecté dans le fond du forage 33 par les orifices 31 a une fonction d'air vecteur, c'est-à-dire qu'il collecte les produits de forage détachés du sol par l'outil 18, pour les entraîner hors du forage 33 à travers l'espace annulaire subsistant entre le tube 21 et le pourtour de l'orifice 32 du forage.
Conformément à l'invention, on a placé autour de l'instrument de forage, constitué dans l'exemple par l'équipement marteau fond de trou, un dispositif 34 pour le traitement des produits de forage collectés par l'air vecteur injecté au fond du forage.
Le dispositif 34 définit le long du pourtour du tube 21 au dessus de l'orifice 32 du forage 33, une chambre annulaire 36 délimitée par une enceinte comprenant essentiellement : - une paroi périphérique extérieure 37 de forme générale cylindrique coaxiale avec le tube 21 ; - une paroi inférieure 38 comportant un orifice d'admission central 39 de diamètre supérieur au diamètre du tube 21 de manière à laisser subsister entre le pourtour de l'orifice 39 et celui du tube 21 une fente d'admission annulaire 41 ;
et
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- une paroi supérieure 42, opposée à la paroi inférieure 38 et comportant un orifice central 43 garni d'un joint d'étanchéité annulaire 44 qui en service est appuyé de manière sensiblement étanche sur le pourtour du tube 21 en permettant à celui-ci de tourner et de coulisser librement à travers le dispositif de traitement 34.
Le dispositif 34 comprend en outre une paroi de couverture 46 située à faible distance au dessus de la paroi supérieure 42 et qui est également traversée de manière coulissante et rotative par le tube 21 avec un faible jeu pour former un joint du type labyrinthe au cas où le joint souple 44 serait défectueux. A la paroi de couverture 46 est fixée, par exemple boulonnée, une bride 47 par laquelle le dispositif 34 est fixé à l'extrémité inférieure de la rampe 13 comme cela est visible aux figures 1 et 2.
La chambre 36 communique avec l'orifice 32 du forage par l'intermédiaire de la fente annulaire d'admission 41 et de moyens de freinage 48 pour les particules lourdes susceptibles d'être éjectées du forage 33 par l'air vecteur sortant de celui-ci. Les moyens de freinage comprennent essentiellement une gaine cylindrique 48 coaxiale au tube 21 et ayant un diamètre intérieur légèrement supérieur à celui de l'orifice d'admission 39.
Ainsi, les particules lourdes éjectées hélicoïdalement du forage 33 et qui tendent par conséquent à jaillir obliquement sous l'effet de leur force centrifuge viennent frapper la face intérieure de la gaine 48 ou la face inférieure de la paroi 38 qui forme collet de séparation partielle entre la chambre de freinage définie par la gaine 48 et la chambre 36. La gaine 48 est une pièce d'usure boulonnée aisément remplaçable. Il en va de même de la paroi supérieure 42 de l'enceinte.
En service, le bord inférieur libre de la gaine 48 est appuyé sur le sol 30 autour de l'orifice 32 du forage et cet appui, qui supporte au moins en partie le poids du dispositif 34 et de la rampe 13, assure autour de l'orifice 32 une étanchéité suffisante pour que l'essentiel
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de l'air vecteur et des produits de forage sortant du forage 33 passe dans la gaine 48 et de là dans la chambre 36.
Lorsque le forage doit être effectué dans un sol qui est dur jusqu'à sa surface 30, on commence le travail comme cela est représenté à la figure 5 en posant l'outil 18 et le dispositif de traitement 34 sur la surface du sol 30. Après un certain temps de travail de l'outil 18, la situation est ensuite celle représentée à la figure 4.
Dans d'autres cas, le sol n'est dur que sous une certaine couche H (figure 6) de sol meuble. Dans ce cas, on effectue un forage initial 49 au moyen d'une tarière (non représentée). Le travail avec l'équipement à marteau fond de trou 17 commence à la surface 51 de la couche dure de sorte que la rampe 13 et le dispositif de traitement 34 se logent dans le forage initial 49 lequel est de forme évasée en raison de la consistance meuble de la couche H. Grâce à la gaine 48 qui est de diamètre extérieur réduit par rapport au reste du dispositif 34, le dispositif 34 peut aller s'appuyer très profondément dans le forage initial 49, c'est-à-dire non loin de la surface 51 de la couche dure. A partir de cette situation, comme représenté à la figure 7, l'équipement 17 pratique dans la couche dure un forage 33 qui est analogue à celui décrit en référence à la figure 4.
Dans cette situation avec forage initial 49, on appelle"orifice 32"du forage 33 la limite supérieure du forage 33 pratiqué par l'équipement 17.
On va maintenant décrire plus en détail en référence aux figures 8 à Il le dispositif de traitement 34.
Celui-ci comprend des moyens d'alimentation pour introduire un gaz humidifié, de préférence de l'air humidifié, en circulation périphérique dans la chambre 36 autour de l'équipement 17. Ces moyens comprennent une préchambre 52 qui est définie tout autour de la chambre 36 entre la paroi périphérique 37, les parois 38 et 42 prolongées radialement vers l'extérieur et une enveloppe 53 de forme générale cylindrique coaxiale à la paroi 37 et de
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plus grand diamètre que cette dernière. Comme le montre la figure 9, la paroi 53 est traversée par un raccord d'alimentation en air humidifié 54 orienté obliquement par rapport à celle-ci pour donner à l'air humidifié une vitesse initiale dans le sens périphérique à son entrée dans la pré-chambre 52.
De plus, la paroi périphérique 37 de la chambre 36 comporte, réparties sur son pourtour, des ouïes 56 en forme de fente axiale. Chaque ouïe 56 est partiellement recouverte du côté de la chambre 36 par un déflecteur oblique 57 qui a la double fonction d'orienter dans le sens périphérique voulu le mouvement de l'air humidifié entrant dans la chambre 36 en provenance de la pré-chambre 52 et de protéger les ouïes 56 à l'égard de l'encrassement par le flux résultant de la circulation giratoire dans la chambre 36.
Du côté du raccord d'alimentation 54 qui est opposé à celui vers lequel le raccord 54, par son inclinaison, dirige le flux entrant dans la pré-chambre 52, il est prévu dans la pré-chambre 52 pour confirmer l'orientation donnée au flux une cloison de fermeture partielle 58 qui a en outre pour effet de favoriser l'établissement dans la pré-chambre 52 d'une surpression.
Les ouïes 56 sont dimensionnées en fonction du débit entrant par le raccord d'alimentation 54 pour que cette surpression se transforme en énergie cinétique lorsque l'air humidifié entre dans la chambre 36, de manière à créer dans la chambre 36 un effet d'aspiration de l'air vecteur qui a été injecté au fond du forage et des particules qu'il entraîne.
La paroi périphérique 37 est encore traversée par un raccord d'évacuation 59 qui traverse la pré-chambre 52 sans communiquer avec celle-ci. Le raccord 59 est prolongé vers l'intérieur de la chambre 36 par un déflecteur 61 placé à l'extrémité aval de l'ouverture du raccord 59 dans la paroi 37 pour rabattre dans le raccord 59 une partie au moins de l'écoulement giratoire se présentant à l'entrée du raccord 59.
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Comme le montre encore la figure 9, le dispositif 34 comprend essentiellement deux demi-corps 62 et 63 de forme générale semi-cylindrique qui sont reliés l'un à l'autre par des attaches rapides 64 avec centrage par emboîtement d'un embout rétréci 66 de chaque demi-corps 63 entre les parois 37 et 53 de l'autre demi-corps.
Le demi-corps 63 comprend deux chemises cylindriques 67 dont les axes sont à 90 degrés l'un de l'autre et radiaux relativement à l'axe Z du dispositif.
Les chemises 67 définissent des fenêtres par lesquelles, avant assemblage, la chambre 36 peut communiquer avec l'extérieur de manière étanche à l'égard de la pré-chambre 52.
En service, l'une des fenêtres 67 (située à droite à la figure 9) est fermée par un bouchon 68 (voir aussi figure 11) de forme cylindrique correspondante, qui est solidaire d'une contreplaque 69 fixée contre la face extérieure de l'enveloppe 53 par des attaches rapides 71.
Il est interposé entre la contreplaque 69 et l'enveloppe 53 une garniture d'étanchéité 72 qui obture également un orifice 73 et une fente axiale 74 ménagés à travers l'enveloppe 53 de part et d'autre de la chemise 67 selon la direction périphérique.
Comme le montrent la partie supérieure gauche de la figure 9 et la figure 10, on retrouve de part et d'autre de l'autre fenêtre 67 l'orifice 73 et la fente 74 précités.
Toutefois, on a monté dans cette région de l'enveloppe 53 non pas une contreplaque 69 munie d'un bouchon 68, mais un bloc 76 comprenant une contreplaque 77 à laquelle sont soudés de manière traversante le raccord d'évacuation 59 et le raccord d'alimentation 54, qui s'emboîtent avec précision respectivement dans la chemise 67 et dans l'orifice 73. La fermeture partielle 58 est soudée à la face intérieure de la contreplaque 77 et pénètre dans la pré-chambre 52 par la fente 74. Ces trois éléments 59,54, 58 traversent une garniture d'étanchéité 78 qui est interposée entre la contreplaque 77 et l'enveloppe 53. Des attaches rapides 79 maintiennent la contreplaque 77 en
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appui contre l'enveloppe 53 moyennant compression de la garniture d'étanchéité 78.
En service, le raccord de sortie 59 est relié à un tuyau flexible emmenant vers un lieu approprié l'écoulement sortant de la chambre 36. Le raccord d'alimentation 54 est relié à une arrivée d'air comprimé 81 dans laquelle débouche en sifflet, en aval d'une vanne 82, une arrivée d'eau 83 elle-même commandée par une vanne 84.
Grâce aux attaches rapides 71 de la contreplaque 69 et 79 de la contreplaque 77, il est aisé de monter au choix le bloc 76 dans l'une ou l'autre des chemises 67, et le bouchon 68 dans l'autre des chemises 67. Ainsi, comme le montre la figure 3, on peut faire en sorte que dans chaque position de travail de part et d'autre des rails 2, les tuyaux d'arrivée et de départ (non représentés) reliés aux raccords 54 et 59 soient dirigés parallèlement aux rails 2, ce qui minimise l'encombrement latéral du matériel nécessaire pour effectuer les forages.
Comme le montre la figure 8, les chemises 67 s'étendent sur une partie seulement de la hauteur axiale de la pré-chambre 52, de sorte que le flux giratoire dans la pré-chambre peut passer au dessus et au dessous de la chemise 67 dans laquelle est engagé le bouchon 68.
On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif de traitement 34 en y incluant une description du procédé selon l'invention.
Au départ, on se place dans l'une ou l'autre des situations représentées aux figures 5 et 6 en même temps qu'on met en action de rotation et de percussion l'équipement à marteau fond de trou 17, sous l'action notamment de l'air comprimé non saturé en humidité, injecté par l'orifice 26 de l'équipement 17. On envoie par le raccord d'alimentation 54 (figure 12) de l'air humidifié, c'est-à-dire chargé de gouttelettes d'eau en suspension, dans la préchambre 52 dans laquelle cet air humidifié circule selon les flèches F1 dans un sens circonférienciel qui est le même que le sens de rotation de l'équipement 17 (flèche F2).
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L'air humidifié circulant sous surpression dans la préchambre 52 s'échappe par les ouïes 56 pour pénétrer en prenant de la vitesse dans la chambre 36 dans laquelle il continue son mouvement de rotation dans le même sens selon les flèches F3.
Dans la chambre 36 afflue également l'air vecteur non saturé chargé de produits de forage, qui remonte le long de la périphérie du forage (flèches F4 à la figure 4), pénètre dans la gaine 48 puis dans la chambre 36 (flèches F5) avec un mouvement de rotation initial, induit par la rotation de l'équipement 17, dans le même sens que celui de l'air humidifié injecté.
Les deux flux se mélangent, et les particules rocheuses, en particulier les plus fines d'entre elles, s'alourdissent et s'agglomèrent au contact de l'humidité apportée par l'air humidifié injecté. Le mélange des deux courants effectue un ou plusieurs tours dans la chambre 36 autour de l'équipement 17. Une partie de cet écoulement frappe le déflecteur 61 et se trouve renvoyé selon la flèche F6 dans le raccord d'évacuation 59 d'où il est conduit vers un emplacement approprié du chantier, par exemple tout près des rails 2, ou encore dans un récipient de collecte porté par exemple par un autre wagon du convoi auquel appartient le wagon 1 des figures 1 à 3.
Même si l'écoulement évacué par le raccord 59 est déposé à l'air libre, il n'y a pas production de poussière car les particules les plus fines ont été agglomérées et alourdies par l'humidité.
Dans l'exemple de l'équipement à marteau fond de trou dont les références et dimensions ont été données plus haut, le débit de l'air humidifié injecté peut être de l'ordre de 10 mètres cube par minute, entraînant un débit d'eau de 5 à 10 l/mn environ selon en particulier la dureté de la roche et son humidité naturelle.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et représenté, et de nombreux aménagements peuvent être apportés à cet exemple sans sortir du cadre de l'invention.
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L'invention peut être appliquée à des instruments de forage très variés autre qu'un équipement à marteau fond de trou.
L'invention est utilisable même si l'instrument de forage n'est pas équipé de moyens de soufflage en fond de trou. En effet, en jouant sur les paramètres de l'injection d'air humidifié, il est possible de créer dans la chambre une forte aspiration cyclonique.
On pourrait envisager d'utiliser comme gaz humidifié du gaz d'échappement de moteur thermique refroidi pour en condenser l'humidité et faisant en cas de besoin l'objet d'une humidification complémentaire.
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"Method and device for processing drilling products"
The present invention relates to a method for treating drilling products emerging from a well being formed.
The present invention also relates to a device for treating such drilling products.
When drilling, in particular on hard ground, for example using a tool called a "downhole hammer", there is a risk of seeing a strong release of dust liable to pollute the environment of the site.
FR-A-2 152 710 discloses a process using a bell opening facing the drilling orifice, in which the carrier gas charged with the drilling products is collected and in which it is brought in against running a gas which aims to prevent dust from crossing the top of the bell along the axis of the tool and which then leaves the bell with the drilling products. This known method has the disadvantage of not avoiding pollution of the environment where the collector leaving the bell conducts the dust flow, unless of course providing a dust collector at the exit of the collector, which is expensive. US-A-2,646,256 deals with the case of upward-directed drilling. The dust is removed by a liquid stream and the seal around the tool is ensured by compressed air enclosing a seal.
It is necessary to prevent the liquid from leaking along the tool. This process is complex and requires pumping large quantities of liquid, which must then be collected, etc.
The object of the invention is to remedy these drawbacks and in particular to propose a particularly simple and effective method and device for treating the drilling products emerging from the drilling being carried out.
According to a first aspect of the invention, the method for treating drilling products in which one
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uses a chamber opening opposite the borehole in which the carrier gas charged with the drilling products is collected and in which a gas is introduced which then leaves the chamber with the drilling products, is characterized in that the gas which is brought into the chamber is a gas previously humidified which is put into circulation in the chamber so that it takes charge of the drilling products so that they are weighed down and agglomerated by humidity when 'they escape from the room.
The gas can be air. The humidity which it contains according to the invention agglomerates in particular the finest particles. It is thus possible to collect at the outlet of the chamber the gas loaded with the weighed drilling products in order to reject the assembly at an appropriate location on the site or even in a bucket of an evacuation vehicle. Even at the location where we reject this flow, the environment is not polluted.
According to another aspect of the invention, the device for treating drilling products, comprising a chamber opening facing the drilling orifice, in which the carrier gas charged with drilling products is collected and comprising means for making entering the chamber a gas which then leaves the chamber with the drilling products, is characterized in that it comprises means for previously humidifying the gas which is brought into the chamber and means for putting this gas into circulation device in the chamber so that it takes charge of the drilling products so that they are weighed down and agglomerated by moisture when they escape from the chamber.
The device rests at the top of the borehole while the drilling instrument slides through it to penetrate deeper and deeper into the ground. The device is thus particularly simple and cooperates with the drilling instrument to define an annular chamber in which the humidified gas undergoes a gyratory movement which is particularly effective for the action of
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moisture on dust particles.
Other features and advantages of the invention will emerge from the description below, relating to a non-limiting example.
In the accompanying drawings: - Figure 1 is an elevational view of a railroad car carrying a downhole hammer drilling device in the transport position; - Figure 2 is a schematic end view of the same wagon, the downhole hammer device being in the preparatory position for drilling; - Figure 3 is a top view of the wagon with two possible working positions of the device
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drilling, one in solid line, the other in dashed line; - Figure 4 is an axial sectional view of the downhole hammer equipment equipped with the processing device according to the invention, shown schematically; - Figure 5 is a partial schematic view, on a reduced scale of the equipment and the processing device at the start of drilling in hard soil;
- Figure 6 is a view similar to Figure 5 but in the case where an initial auger drilling was carried out in a soft surface layer; - Figure 7 is a view of the drilling of Figure 6 after a certain working time of the downhole hammer equipment; - Figure 8 is an axial sectional view of the processing device; - Figure 9 is a view of the processing device in section along the plane IX-IX of Figure 8, with, however, partial representation of the flange and the seal located above this plane; - Figures 10 and 11 are detail views, on an enlarged scale, of Figure 9; and - Figure 12 is a view similar to Figure 9 but simplified and showing the flows.
The invention will now be described in the example of drilling to be carried out along a railway,
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for the installation of catenary supports.
For this purpose, a site wagon 1 is used which can be moved on the rails 2 of the railway track to be equipped, and carrying a rotary turret 3 which can be oriented by means of a motor 4, the output shaft of which drives a pinion 6 meshing with a crown 7 secured to the frame 8 of the turret 3. An arrow 9 can pivot around a horizontal axis 11 relative to the frame 8 under the action of a jack 12.
A ramp or slide 13 is articulated to the arrow 9 at a distance from the axis 11 between a horizontal rest position shown in FIG. 1 and a substantially vertical working position shown in FIG. 2, by means of a jack 14. The verticality of the slide 13 in the working position is adjustable by means of the jack 14 and, in the other plane, of a motor 16, in particular to compensate for the possible slope of the rails 2.
As shown in Figure 3, when the ramp 13 is in the vertical working position, the turret 3 has previously been oriented by the motor 4 in one or the other of two working orientations in each of which the arrow 9 extends on one side or the other with respect to the rails 2. The ramp 13 carries in a sliding manner equipment with a downhole hammer 17 which, in the two situations represented in FIG. 3, is located in the axis of the drilling to be carried out.
As shown in FIG. 4, where the ramp 13 is not shown, the downhole hammer equipment 17 comprises a rotary tool 18 carrying carbide buttons 19 at its working end. The tool 18 is fixed to the end of a rotation drive tube 21 itself connected to a rotary drive drive source 22 which is only shown schematically in Figures 1 and 2; and shown schematically by an arrow 22 in Figure 4. In the tube 21 is slidably mounted a hammer 23 (Figure 4) which is actuated back and forth vertically by pneumatic means 24 to repeatedly strike the top of the tool 18. The pneumatic means 24 are
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supplied by compressed air entering the tube 21 through an orifice 26 formed at the end opposite the tool 18.
The pneumatic means 24 are exhausted through a central conduit 27 of the hammer 23 and a central conduit 28 of the tool 18, which communicate with each other through the hollow interior of a mutual guide sleeve 29. The air exits through the front end of the tool 18 through distributed orifices 31 communicating with the central duct 28, then rises (arrows F4) to the ground surface 30 by moving axially or, due to the rotation of the tube 21, helically along the wall of the tube 21 to the orifice 32 of the borehole 33 being produced.
The equipment described so far is conventional, the equipment with a downhole hammer being for example of the Mission brand, type SD18, hammer diameter 407 mm, tool size diameter: 610 mm.
The dry air injected into the bottom of the borehole 33 through the orifices 31 has a vector air function, that is to say that it collects the drilling products detached from the ground by the tool 18, to entrain them out of the borehole 33 through the annular space remaining between the tube 21 and the periphery of the orifice 32 of the borehole.
In accordance with the invention, a device 34 has been placed around the drilling instrument, constituted in the example by the hammer downhole equipment, for the treatment of drilling products collected by the vector air injected at the bottom. drilling.
The device 34 defines along the periphery of the tube 21 above the orifice 32 of the borehole 33, an annular chamber 36 delimited by an enclosure essentially comprising: - an external peripheral wall 37 of generally cylindrical shape coaxial with the tube 21; - A lower wall 38 comprising a central inlet orifice 39 of diameter greater than the diameter of the tube 21 so as to leave between the periphery of the orifice 39 and that of the tube 21 an annular inlet slot 41;
and
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- An upper wall 42, opposite to the lower wall 38 and comprising a central orifice 43 provided with an annular seal 44 which in service is pressed in a substantially sealed manner on the periphery of the tube 21 by allowing the latter to rotate and slide freely through the processing device 34.
The device 34 further comprises a cover wall 46 located a short distance above the upper wall 42 and which is also traversed in a sliding and rotary manner by the tube 21 with a small clearance to form a seal of the labyrinth type in the event that the flexible seal 44 would be defective. To the cover wall 46 is fixed, for example bolted, a flange 47 by which the device 34 is fixed to the lower end of the ramp 13 as can be seen in FIGS. 1 and 2.
The chamber 36 communicates with the orifice 32 of the borehole via the annular inlet slot 41 and braking means 48 for the heavy particles capable of being ejected from the borehole 33 by the vector air leaving it. this. The braking means essentially comprise a cylindrical sheath 48 coaxial with the tube 21 and having an internal diameter slightly greater than that of the intake orifice 39.
Thus, the heavy particles ejected helically from the borehole 33 and which consequently tend to spring obliquely under the effect of their centrifugal force strike the inner face of the sheath 48 or the underside of the wall 38 which forms a collar for partial separation between the braking chamber defined by the sheath 48 and the chamber 36. The sheath 48 is an easily replaceable bolted wear part. The same applies to the upper wall 42 of the enclosure.
In service, the free lower edge of the sheath 48 is supported on the ground 30 around the hole 32 of the borehole and this support, which at least partially supports the weight of the device 34 and the ramp 13, ensures around the orifice 32 a sufficient seal so that the essentials
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carrier air and drilling products leaving the borehole 33 passes through the sheath 48 and from there into the chamber 36.
When the drilling is to be carried out in soil which is hard to its surface 30, the work is started as shown in FIG. 5 by placing the tool 18 and the treatment device 34 on the surface of the soil 30. After a certain working time of the tool 18, the situation is then that shown in FIG. 4.
In other cases, the soil is only hard under a certain layer H (Figure 6) of loose soil. In this case, an initial drilling 49 is carried out by means of an auger (not shown). The work with downhole hammer equipment 17 begins at the surface 51 of the hard layer so that the ramp 13 and the processing device 34 are housed in the initial borehole 49 which is flared in shape due to the consistency piece of furniture of layer H. Thanks to the sheath 48 which is of reduced outer diameter compared to the rest of the device 34, the device 34 can go to rest very deeply in the initial drilling 49, that is to say not far of the surface 51 of the hard layer. From this situation, as shown in FIG. 7, the equipment 17 practices in the hard layer drilling 33 which is analogous to that described with reference to FIG. 4.
In this situation with initial drilling 49, the upper limit of drilling 33 carried out by equipment 17 is called "orifice 32" of borehole 33.
We will now describe in more detail with reference to FIGS. 8 to 11 the processing device 34.
This comprises supply means for introducing a humidified gas, preferably humidified air, in peripheral circulation in the chamber 36 around the equipment 17. These means comprise a prechamber 52 which is defined all around the chamber 36 between the peripheral wall 37, the walls 38 and 42 extended radially outwards and an envelope 53 of generally cylindrical shape coaxial with the wall 37 and of
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larger diameter than the latter. As shown in FIG. 9, the wall 53 is traversed by a humidified air supply connection 54 oriented obliquely with respect thereto to give the humidified air an initial speed in the peripheral direction as it enters the pre -bedroom 52.
In addition, the peripheral wall 37 of the chamber 36 comprises, distributed around its periphery, vents 56 in the form of an axial slot. Each opening 56 is partially covered on the side of the chamber 36 by an oblique deflector 57 which has the double function of orienting in the desired peripheral direction the movement of the humidified air entering the chamber 36 coming from the pre-chamber 52 and to protect the gills 56 against fouling by the flow resulting from the gyratory circulation in the chamber 36.
On the side of the supply fitting 54 which is opposite to that towards which the fitting 54, by its inclination, directs the flow entering the pre-chamber 52, it is provided in the pre-room 52 to confirm the orientation given to the flows a partition of partial closure 58 which also has the effect of promoting the establishment in the pre-chamber 52 of an overpressure.
The openings 56 are dimensioned as a function of the flow entering through the supply connection 54 so that this overpressure is transformed into kinetic energy when the humidified air enters the chamber 36, so as to create in the chamber 36 a suction effect vector air which has been injected into the bottom of the borehole and the particles which it entails.
The peripheral wall 37 is still crossed by a discharge connector 59 which passes through the pre-chamber 52 without communicating with the latter. The connector 59 is extended towards the inside of the chamber 36 by a deflector 61 placed at the downstream end of the opening of the connector 59 in the wall 37 to fold into the connector 59 at least part of the gyratory flow presenting at the inlet of fitting 59.
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As still shown in FIG. 9, the device 34 essentially comprises two half-bodies 62 and 63 of generally semi-cylindrical shape which are connected to each other by quick couplers 64 with centering by fitting a narrowed end piece 66 of each half-body 63 between the walls 37 and 53 of the other half-body.
The half-body 63 comprises two cylindrical liners 67 whose axes are 90 degrees from each other and radial relative to the axis Z of the device.
The liners 67 define windows through which, before assembly, the chamber 36 can communicate with the outside in a sealed manner with respect to the pre-chamber 52.
In service, one of the windows 67 (located on the right in FIG. 9) is closed by a plug 68 (see also FIG. 11) of corresponding cylindrical shape, which is integral with a counterplate 69 fixed against the external face of the 'casing 53 by quick couplers 71.
There is interposed between the plywood 69 and the casing 53 a seal 72 which also seals an orifice 73 and an axial slot 74 formed through the casing 53 on either side of the jacket 67 in the peripheral direction .
As shown in the upper left part of Figure 9 and Figure 10, there are on either side of the other window 67 the opening 73 and the slot 74 above.
However, there has been mounted in this region of the casing 53 not a plywood 69 provided with a plug 68, but a block 76 comprising a plywood 77 to which are welded through the discharge connection 59 and the connection d 'feed 54, which fit precisely into the jacket 67 and into the orifice 73 respectively. The partial closure 58 is welded to the inner face of the plywood 77 and enters the pre-chamber 52 through the slot 74. These three elements 59, 54, 58 pass through a seal 78 which is interposed between the plywood 77 and the casing 53. Quick couplers 79 hold the plywood 77 in place
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pressing against the casing 53 by means of compression of the sealing gasket 78.
In service, the outlet connector 59 is connected to a flexible pipe leading to a suitable place the flow leaving the chamber 36. The supply connector 54 is connected to a compressed air inlet 81 into which opens as a whistle, downstream of a valve 82, a water inlet 83 itself controlled by a valve 84.
Thanks to the quick couplings 71 of the plywood 69 and 79 of the plywood 77, it is easy to mount, as desired, the block 76 in one or the other of the shirts 67, and the plug 68 in the other of the shirts 67. Thus, as shown in FIG. 3, it is possible to ensure that in each working position on either side of the rails 2, the inlet and outlet pipes (not shown) connected to the fittings 54 and 59 are directed parallel to the rails 2, which minimizes the lateral space requirement of the equipment necessary for carrying out the drilling.
As shown in FIG. 8, the liners 67 extend over only part of the axial height of the pre-chamber 52, so that the gyratory flow in the pre-chamber can pass above and below the liner 67 in which the plug 68 is engaged.
We will now describe the operation of the processing device 34 including a description of the method according to the invention.
At the start, one places oneself in one or the other of the situations represented in FIGS. 5 and 6 at the same time as one puts in action of rotation and percussion the equipment with hammer bottom of hole 17, under the action in particular compressed air not saturated with humidity, injected through the orifice 26 of the equipment 17. Humidified, that is to say charged, air is sent through the supply connection 54 (FIG. 12). of water droplets in suspension, in the prechamber 52 in which this humidified air circulates according to the arrows F1 in a circumferential direction which is the same as the direction of rotation of the equipment 17 (arrow F2).
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The humidified air circulating under overpressure in the prechamber 52 escapes through the vents 56 to penetrate, gaining speed in the chamber 36 in which it continues its rotational movement in the same direction according to the arrows F3.
In the chamber 36 also flows the unsaturated vector air loaded with drilling products, which rises along the periphery of the borehole (arrows F4 in FIG. 4), enters the sheath 48 then into the chamber 36 (arrows F5) with an initial rotational movement, induced by the rotation of the equipment 17, in the same direction as that of the injected humidified air.
The two flows mix, and the rock particles, in particular the finest of them, become heavier and agglomerate on contact with the humidity provided by the injected humidified air. The mixture of the two streams makes one or more turns in the chamber 36 around the equipment 17. A part of this flow hits the deflector 61 and is returned according to arrow F6 in the evacuation connector 59 from where it is leads to a suitable site on the site, for example very close to the rails 2, or else in a collection container carried for example by another wagon of the convoy to which wagon 1 of FIGS. 1 to 3 belongs.
Even if the flow evacuated by the connector 59 is deposited in the open air, there is no generation of dust because the finest particles have been agglomerated and weighed down by moisture.
In the example of downhole hammer equipment, the references and dimensions of which have been given above, the flow rate of the humidified air injected can be of the order of 10 cubic meters per minute, resulting in a flow rate of water from 5 to 10 l / min approximately depending in particular on the hardness of the rock and its natural humidity.
Of course, the invention is not limited to the example described and shown, and numerous modifications can be made to this example without departing from the scope of the invention.
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The invention can be applied to a wide variety of drilling instruments other than downhole hammer equipment.
The invention can be used even if the drilling instrument is not equipped with downhole blowing means. Indeed, by playing on the parameters of the humidified air injection, it is possible to create in the chamber a strong cyclonic suction.
Consideration could be given to using, as humidified gas, exhaust gas from a cooled thermal engine to condense the humidity and, if necessary, subject to additional humidification.