1- LES METHODES DE FORAGE

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1 1.1. Introduction : 1- LES METHODES DE FORAGE Il existe de nombreuses méthodes de foration dont la mise en œuvre dépend de paramètres très divers. Le chapitre présente les méthodes de forages en tant que telles avec leurs avantages et inconvénients relatifs. Le chapitre suivant précisera les modalités de sélection de ces méthodes selon les critères usuels pour le domaine de l eau minérale Forage au marteau fond de trou (MFT) Principe : Cette méthode de forage utilise la percussion assortie d une poussée sur l outil qui se trouve lui même en rotation. L énergie utilisée pour actionner cet outillage est l air comprimé à haute pression (10-25 bars). C est un procédé très intéressant en recherche hydrogéologique et principalement en terrains durs. Un marteau pneumatique équipé de taillant est fixé à la base d un train de tiges et animé en percussion par envoi d air comprimé dans la ligne de sonde, d où le nom de "marteau fond de trou". Avantages Avancement rapide et profondeur d investigations pouvant dépasser les 300 m de profondeur (fonction du diamètre et de la puissance du compresseur d air). Bonne observation des cuttings (coupe géologique) et des zones productrices (suivi foration). Fluide de forage (air) bien adapté au forage d eau en général de par l absence de produit de foration (pas d interférence entre la ressource et des boues ou de l eau). Inconvénients Le fluide "air" peut perturber en foration les observations relatives à la qualité du fluide d un niveau producteur par oxydation d éléments ou en occultant des venues de gaz. La confirmation de la qualité du fluide (eau et gaz) d un niveau producteur doit fréquemment être réalisée par pompage associé. Interprétation délicate du niveau de production d un horizon reconnu (débit) par mesure en soufflage (air lift) à l aide de l équipement de foration. Les données obtenues en foration MFT, quant aux débits des horizons traversés, doivent être prises en compte avec réserve. Il convient de considérer que les débits obtenus en fonction à l air sont toujours optimistes. Procédé peu adapté dans les terrains non consolidés ou plastiques. Risque de formation de bouchons de cuttings, nécessitant de fréquents nettoyages du trou par soufflage. Ce phénomène n existe pas lorsque l ouvrage est totalement sec ou lorsque le débit des niveaux producteurs est suffisant pour permettre un bon nettoyage par circulation. Nécessité d utilisation de compresseurs très puissants voire de suppresseurs en cas de foration sous des hauteurs d eau importantes. Mauvaise identification de chaque niveau producteur en cours de foration, le fluide recueilli en tête d ouvrage intégrant l ensemble des horizons traversés. Il convient de noter que la foration MFT à l air est parfois couplée à l emploi de mousse de forage (injectée dans le circuit d air) pour favoriser la tenue des parois et/ou la remontée des cuttings. S agissant d un contexte "eau minérale", le choix d une mousse "inerte" doit être une préoccupation pour l opération. Page 1

2 1.3. Forage au marteau fond de trou avec tubage à l avancement Principe : Identique à la technique MFT, exposée ci-avant, cette méthode concerne la mise en place d un tubage des parois du trou au fur et à mesure de sa foration. Elle met en œuvre un taillant pilote avec aléseur excentrique qui permet de forer des trous d un diamètre légèrement supérieur au diamètre extérieur des tubes. Le tubage est ainsi enfoncé progressivement à la suite de l aléseur sous l effet de son propre poids et de l énergie de percussion du marteau. Les tubes sont solidarisés entre eux soit par soudure, soit par filetage. Le taillant excentrique se déploie par rotation dans le sens des aiguilles d une montre, une rotation en sens inverse en fin de foration permet son repli et la remontée de la garniture. Comme en foration au marteau fond de trou classique, l évacuation des cuttings est là aussi assurée par la remontée de l air, ici entre tiges et tube. Avantages Possibilité d utiliser une foration air dans un contexte géologique peu stable. Bonne observation des cuttings et zones productrices. Meilleure individualisation des niveaux producteurs au moment de la foration, sans mélange avec des niveaux supérieurs partiellement obturés par le tubage mis en place. Inconvénients : Identique au MFT classique à l exception de la foration dans les terrains non consolidés Forage rotary circulation directe Principe : La méthode de foration rotary utilise un outil (trépan) monté au bout d une ligne de sonde (tiges vissées les unes aux autres), animé d un mouvement de rotation de vitesse variable et d un mouvement de translation verticale sous l effet d une partie du poids de la ligne de sonde ou d une pression hydraulique. Le mouvement de rotation est imprimé au train de tiges et à l outil par un moteur situé sur la machine de forage en tête de puits. Les tiges sont creuses et permettent l injection de boue au fond du forage. Les outils utilisés en rotation sont des trépans de plusieurs types en fonction de la dureté des terrains rencontrés (outils à lames, outils à pastilles, molettes ou tricône, outils diamantés ou à carbures métalliques). Au-dessus du trépan, on peut placer une ou plusieurs masses-tiges très lourdes qui accentuent la pression verticale sur l outil et favorisent la pénétration et la rectitude du trou. Le forage rotary nécessite l emploi d un fluide de forage préparé sur le chantier. Dans le cas de la circulation directe, le fluide est injecté en continu sous pression dans les tiges creuses de la ligne de sonde, il sort par les évents de l outils et remonte à la surface dans l espace annulaire (entre les tiges et les parois du trou). Avantages La profondeur du forage peut être très importante, la foration n est pas perturbée par les terrains peu stables ou plastiques, sous réserve de l utilisation d un fluide de forage adapté. Ce système permet un bon contrôle des paramètres de forage (poids de l outil, vitesse de rotation, qualité de la boue, débit d injection de la boue) en fonction des terrains à traverser. Le forage au rotary consolide les parois en terrains meubles par dépôt d un cake. Inconvénients Nécessité d un fluide de forage qui ne permet pas d observation directe de la qualité des eaux des formations traversées. Colmatage possible des formations aquifères par utilisation de certaines boues (bentonite). Page 2

3 Difficulté d observation des cuttings, la présence de tamis vibrants en circuit retour diminue sensiblement cet inconvénient Forage en circulation inverse Principe: Cette méthode de foration diffère des méthodes précédentes par une circulation du fluide (boue, eau ou air) dans l espace annulaire (entre la formation et les tiges) avec remontée des cuttings par l intérieur du train de tiges. Il existe également des tiges à double parois qui assurent l injection et la remontée du fluide par l intermédiaire des seules tiges. Avantages Information géologique plus précise et quasi instantanée. Les cuttings recueillis en surface proviennent du seul fond du trou sans mélange avec des cuttings provenant éventuellement de l érosion du trou au cours de la remontée. Information géologique continue. La traversée de zones fissurées, fracturées ou caverneuses, se traduit assez souvent par des pertes partielles (ou totales) de fluide de circulation (air, eau, boue) dans les techniques de foration à circulation directe. La remontée des cuttings par le train de tiges diminue fortement les risques de pertes de fluide et de cuttings ainsi que les éventuels colmatages ou contamination des aquifères traversés. Meilleure individualisation des arrivées successives de fluide en cours de foration. Seul le niveau en cours de foration est testé au moment du passage de l outil, les mélanges avec des niveaux supérieurs sont très réduits. Inconvénients Présence d un fluide de forage et de risque de colmatage (idem circulation directe). S agissant d une reconnaissance de niveaux producteurs au moment de sa foration, le suivi d un chantier en circulation inverse nécessite un contrôle continu et des prises de décision adéquates pour caractériser les différents niveaux (arrêt de foration et circulation ou pompage dès observation particulière). Il existe un risque d occulter des informations importantes sur un niveau producteur d épaisseur réduite par passage trop rapide Forage carotte Principe : Cette méthode consiste en la réalisation d un ouvrage à l aide d un outil spécial, le carottier, destiné à récupérer la formation en place sans destruction. Avantages Observations géologiques de qualité optimale. Couplé à un dispositif d orientation de la carotte, l échantillon recueilli en zones fracturées permet une analyse des directions de fracturation. Inconvénients Coût élevé. Diamètre réduit. Pourcentage de récupération des formations fonction de la nature des terrains (faible en structure non consolidée). Page 3

4 1.7. Forage par battage Principe : La méthode consiste à soulever un outil lourd (trépan) et à le laisser retomber sur le terrain à traverser. La hauteur et la fréquence de chute varient selon la dureté des formations. On distingue deux types de battages : le battage au treuil et le battage au câble. Cette dernière méthode est la plus courante. Le trépan est suspendu à un câble qui est alternativement tendu et relâché. Les mouvements sont rapides et le travail de l outil se fait plus par un effet de martèlement dû à l énergie cinétique que par un effet de poids comme pour le battage au treuil. Un émerillon permet au trépan de pivoter automatiquement sur lui-même à chaque coup. Le trou est nettoyé au fur et à mesure de l avancement par descente d une soupape permettant de remonter les débris (cuttings). Ce procédé permet de réaliser des forages sans utilisation d eau ou de boue. Avantages C est un procédé simple et relativement peu coûteux (investissement généralement plus faible que pour les autre procédés de foration). Il n y n a pas de fluide de forage (boues) et pas de risques de pollution de la nappe. Le trépan peut être rechargé, reforgé et affûté sur le chantier. C est une méthode bien adaptée pour les forages de moyenne profondeur. Les résultats sont très bons dans les terrains fissurés (pas de pertes). Inconvénients Vitesse d avancement assez faible induisant un coût "suivi travaux" en proportion. Méthode peu adaptée dans les terrains plastiques ou boulants dans lesquels le tubage à l avancement est nécessaire. Difficultés pour équilibrer des venues d eau artésiennes jaillissantes. Absence d information sur les niveaux producteurs (qualité - production) sinon par mise en place de dispositif de pompage en parallèle à la foration Forage par havage Principes: Le forage par havage est plus connu sous le nom de procédé Benoto : dans ce type de forage par curage ou havage, les tubages pénètrent dans la formation sous l effet de leur propre poids ou sous l action de vérins hydrauliques. Une benne preneuse "vide" progressivement l intérieur du tubage tant que celui-ci se trouve au-dessus du niveau statique. Au dessous du niveau statique, l emploi d une soupape est recommandé. En présence d éléments grossiers ou de blocs, l utilisation d un trépan tombant en chute libre permet de briser l obstacle. Il est également possible d utiliser des vibreurs hydrauliques pour faciliter la descente ou l arrachage des tubages. Avantages Avancement rapide à faible profondeur dans des formations meubles, notamment alluvionnaires (en l absence d éléments grossiers). Réalisation d ouvrages en gros diamètre (peu répandus en eau minérale). Inconvénients Méthode inadaptée aux terrains durs. Frottement du tubage mis en place à l avancement ; profondeur réduite. Page 4

5 Difficulté pour arracher les tubages de soutènement après la mise en place des crépines et du massif filtrant Forage par Tarière Les tarières hélicoïdales continues forent rapidement dans les argiles et les terrains non consolidés à faible profondeur et à vitesse lente. 10. Les techniques de forage manuel Pour forer à travers tous ces différents types de formations (sols), de nombreuses techniques de forage manuel ont été développées et sont utilisées de par le monde. Dans tous les cas, la technique de forage doit (a) casser ou couper la formation, (b) dégager les matériaux coupés (le sol) du trou, et (c) si nécessaire, fournir un support aux parois du trou, pour éviter qu il ne s effondre pendant le forage. Voici une brève présentation des principales techniques : 10.1 Le forage a la tarière Le forage à la tarière consiste à un ensemble d allonges en acier qui est tourné par une poignée. Différents types de tarières peuvent être fixées à l extrémité des allonges. Les tarières sont tournées dans le sol jusqu à ce qu elles se remplissent et sont ensuite sorties du trou pour être vidées. Le modèle des tarières varie en fonction du type de formation (type de sol) à forer. Généralement au-dessus du niveau statique, le trou du forage reste ouvert sans avoir besoin d être soutenu. Une fois dans la nappe, un pré-tubage temporaire peut être utilisé pour empêcher l effondrement des parois du trou du forage. Le fonçage se poursuit à l intérieur de ce pré-tubage à l aide d une tarière de mise en eau jusqu à ce que la profondeur désirée soit atteinte. Puis, le tubage permanent est installé et le pré-tubage temporaire remonté à la surface. Le forage à la tarière peut être utilisé jusqu à une profondeur d environ 15 à 25 mètres, cela dépend de la géologie. Avantage : facile à utiliser au-dessus du niveau de la nappe. Equipements bons marchés. Inconvénient : il est parfois très difficile d enlever le pré-tubage temporaire. Application géologique : sables, limons & argiles tendres Le forage a la boue Le forage a la boue (ou forage rotatif à boue lorsqu un mouvement de rotation de l outil de fonçage est actionné) utilise la circulation de l eau pour faire remonter à la surface du sol les matériaux forés. Le train de tiges de forage est actionné de haut en bas. Pendant la descente des tiges, le choc créé par le trépan fixé au bout du train de tiges ameubli/fragmente les matériaux du sol et pendant le mouvement de remontée, l extrémité du train de tiges est obturée avec la main (effet de soupape), créant ainsi une aspiration de l eau et des débris qu elle contient jusqu à la surface. Au cours du mouvement de descente suivant, la main est retirée du train de tiges et l eau gicle dans le bassin préalablement creusé à coté du forage. Dans ce bassin de décantation, les débris se séparent de l eau pour se déposer au fond du bassin alors que l excédent d eau redescend à nouveau dans le trou. La pression de l eau sur les parois du forage évite l effondrement de ces dernières. Le forage à boue (avec ou sans rotation) peut être utilisé jusqu à une profondeur d environ 35 mètres. Avantage : simple d utilisation et pas besoin de pré-tubage. Inconvénient : le niveau d eau dans le trou doit être maintenu tout au long de l opération de fonçage. Le niveau de la nappe n est pas connu avec précision pendant le forage. Application géologique : sables, limons, argiles, argiles dures et.des formations légèrement consolidées (latérite altérée) Le lançage a l eau Le lançage à l eau est également basé sur la circulation et la pression de l eau. A la différence du forage à boue, l eau est désormais injectée à l intérieur du train de tiges et la boue (eau et débris) Page 5

6 remonte le long des parois du forage. Afin d obtenir une pression d eau suffi sante, on utilise une motopompe. On peut laisser l extrémité inférieure du tuyau de forage simplement ouverte, ou on peut y rajouter un outil de fonçage (trépan). On peut également faire tourner totalement ou partiellement le train de tiges. Un fluide de forage (additif) peut être mélangé à l eau pour éviter l effondrement des parois du trou et la perte incontrôlée de l eau par infiltration. La technique du lançage à l eau (avec rotation) peut être utilisée jusqu à une profondeur d environ mètres. Avantage : très rapide dans le sable. Inconvénient : nécessite beaucoup d eau à la fois. Le niveau de la nappe d eau n est pas connu avec précision pendant le forage. Application géologique : limitée aux sables et fines couches d argile tendre Le forage a la percussion Le forage a la percussion utilise un lourd trépan (ou cuiller) attaché à une corde ou un câble, lequel est descendu dans le trou du forage ou à l intérieur d un pré-tubage. Un trépied (ou chèvre) est en général utilisé pour suspendre l équipement. En actionnant la corde ou le câble de haut en bas, le trépan ameublie et fragmente le sol ou la roche consolidée dans le trou de forage, dont les débris sont ensuite extraits grâce à la cuiller. Comme pour le forage à la tarière, un pré-tubage en métal ou PVC peut être utilisé pour éviter l effondrement du trou. Une fois le tubage définitif (tuyaux et crépines en PVC) installé, le prétubage doit être enlevé. Le forage à percussion est généralement utilisé jusqu à une profondeur de 25 mètres. Avantage : permet de forer dans les formations dures. Inconvénient : l équipement peut être très lourd et relativement cher. Cette méthode est lente en comparaison aux autres méthodes. Application géologique : sables, limons, argiles dures, calcaire tendre, latérite, les couches contenant des graviers et des petits cailloux. Page 6

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9 2-LES COMPOSANTS D UN APPAREIL DE FORAGE ROTARY 2.1. Le mat de forage : Le mât de forage [mast] sert aux manœuvres des garnitures de forage ou des tubages. Il peut être du type qui ne se démonte pas pour le déménagement, ou de celui qui se démonte en un petit nombre d'éléments La garniture de forage Le forage rotary exige l'utilisation d'un arbre de forage creux appelé garniture, qui a pour principales fonctions : entraîner l outil en rotation. appliquer un certain effort sur l outil. apporter l énergie hydraulique nécessaire à l'évacuation des déblais (canaliser la boue de forage). Une garniture de forage est constituée de deux principaux éléments suivants : a. Les tiges Les tiges de forage permettent la transmission de la rotation de la table à l outil et le passage du fluide de forage jusqu à ce dernier. b. Les masse-tiges Les masse-tiges permettent de : mettre du poids sur l'outil pour éviter de faire travailler les tiges de forage en compression. Le poids utilisable des masse-tiges ne devra pas excéder 80% de leur poids total dans la boue ; jouer le rôle du plomb du fil à plomb pour forer un trou aussi droit et vertical que possible Equipements d entrainement de la garniture de forage a. La table de rotation En cours de forage, la table de rotation [rotary table] transmet le mouvement de rotation à la garniture de forage, par l'intermédiaire de fourrures [bushings] et de la tige d'entraînement [kelly], et, en cours de manœuvre, supporte le poids de la garniture de forage, par l'intermédiaire de coins de retenue. b. Le carré d'entraînement et les fourrures Le mouvement de rotation est transmis par la table à la tige d'entraînement par le biais d un carré d'entraînement [kelly bushing] rendu solidaire en rotation de la table par l'intermédiaire d'une fourrure principale [master bushing]. Pendant les manœuvres, des fourrures intermédiaires [adapter bushings] sont mises en place à l'intérieur des fourrures principales pour pouvoir caler la garniture de forage. c. La tige d'entraînement [kelly] Elle assure la liaison entre la garniture de forage et la tête d'injection et communique le mouvement de rotation de la table à la garniture de forage par l'intermédiaire du carré d'entraînement La tète d'injection [swivell] La tête d'injection supporte la garniture de forage et permet d'y injecter la boue en rotation ou à l arrêt Le top drive Le top drive est une tête d injection motorisée qui, en plus de l injection, assure la rotation de la garniture de forage. Ainsi, on n a besoin ni de la tige d entraînement ni de la table de rotation pour faire tourner la garniture, c est le top drive qui s en charge. En plus, pendant le forage, au lieu de faire les ajouts simple par simple, on peut les faire longueur par longueur. Page 9

10 2.6. Générateur du courant : Les moteurs de diesel, qui produit un courant continue ou alternative, assurent les fonctions levage, rotation, pompage, éclairage et auxiliaires L outil Les outils de forage ont évolué au cours du temps pour répondre aux problèmes techniques du forage qui deviennent de plus en plus complexes. Toutes ces évolutions ont eu pour but d augmenter la vitesse d'avancement et la durée de vie des outils, et donc de réduire le coût du forage. Les outils se classent en trois catégories : Les outils à lames : Ces outils travaillent comme une fraise dans le métal, ils font des copeaux dans les terrains, ils sont employer dans les terrains sédimentaires a structures fines, peu dure. Ils ya trois types des outils : outil à deux lames (queue de poisson), outil à trois lames et outil à plusieurs lames (plusieurs étages de diamètres déférents). Les outils à molettes : ils sont constitués de trois cônes tournant de façon indépendante et montés sur trois bras réunis entre eux par soudure constituant le corps de l outil. Plusieurs types de roulements sont utilisés (rouleaux avec ou sans étanchéité, paliers de friction, système de lubrification, etc.). Ces outils travaillent principalement en compression. Les outils diamant (outils à éléments de coupe fixes) ils ne possèdent pas de pièces tournantes ; ce sont des outils monobloc. Des diamants naturels et de synthèse sont utilisés pour leur fabrication. Les outils à diamant naturel travaillent à la façon d une lime tandis que les outils à diamants synthétiques travaillent à la façon d un rabot. Page 10

11 3. L EQUIPEMENT DE FORAGE 3.1. Introduction: Un forage d eau est destiné à permettre l extraction de l eau contenue dans une formation aquifère. C est pourquoi, quelle que soit la méthode de forage retenue, l équipement comporte toujours une colonne d exploitation maintenant le terrain dans la partie supérieure non aquifère proprement dit. Il ne faut pas perdre de vue que l exploitation doit se faire dans les meilleures conditions possibles, tant du point de vue qualitatif : Pas pollution de l eau au droit de l ouvrage. Pas d entrainement des éléments solides Que de point de vue qualitatif : Obtention de plus forte débit compatible avec les caractéristiques de l aquifère. Recherche de plus fort débit spécifique possible (débit par unité de rabattement). Trois éléments essentiels constituent l équipement de forage d exploitation : Les tubages pleins (ou aveugles). Les crépines ou tubages perforés. Le massif filtrant Tubages Le débit d exploitation espéré et la profondeur finale à atteindre conduisent à déterminer les caractéristiques des outils de forage et le diamètre des tubages à utiliser (fig 01). D autre part, en fonction du débit souhaité, le choix de la pompe immergée imposera le diamètre des tubages. Quelques règles de base doivent être respectées : Prévoir de laisser au moins un pouce (25.4 mm) de jeu entre la pompe et diamètre intérieure du tubage. Celui-ci sera donc 5 cm environ plus grande que diamètre intérieure de la pompe. Prévoir de laisser du jeu entre les parois nues du trou et le tubage plein, notamment en prévision de cimentation de l espace annulaire. Le diamètre de tubage sera en fonction du débit espéré (fig02), le choix du type du tubage sera en fonction de la résistance aux diverses sollicitations : efforts de traction, efforts d écrasement, efforts d éclatement et efforts de flambage. Il existe deux matériaux principaux de tubage lisse : PVC (plastique) Acier, avec notamment : o Acier noir o Acier noir galvanisé o Acier revêtu d un film plastique o Acier au chrome aluminium o Acier inoxydable Page 11

12 Dans le tableau 01 on trouve les caractéristiques des principaux diamètres de tubages. Les caractéristiques des tubages les plus courants sont les suivantes : Longueur des éléments : 3 à 6m. Epaisseur : 2à 11mm (acier), 4 à 16 mm (PVC). Diamètre : 100 à 2500 mm (acier), 60 à 315 mm (PVC). Raccordement : manchon soudé, embouts filetés (acier), filetage (PVC). *Mise en place du tubage Les risques d effondrement pouvant être importants, le tubage est mis en place le plus rapidement possible. Le trou de forage ne doit pas rester longtemps sans protection au risque de perdre le forage (effondrement du trou). Le plan de tubage (longueur et position des tubes pleins et des tubes crépinés) est établi en fonction de la coupe géologique du forage ou sont notées les différentes "couches" de terrain et les venues d eau. Des essais de diagraphie Page 12

13 (résistivité électrique, gamma ray, neutron) peuvent être effectués avant l équipement pour améliorer le plan de captage, spécialement dans les formations sédimentaires (forage rotary) où il est parfois difficile d identifier les horizons argileux. Les crépines sont placées en face des niveaux aquifères ou des venues d eau. Par ailleurs, le plan respectera les points suivants : Le tubage ne descend pas toujours jusqu au fond du forage (dépôts des cutting en suspension dans la boue lors de l arrêt de la circulation ou parfois effondrement), il faut donc en tenir compte en réduisant la longueur du tubage de 0.5 à 1 mètres par rapport à la profondeur réelle forée. Le dernier tube doit dépasser d'environ 0.5 mètres au dessus de la surface du sol. Les longueurs de tube pouvant varier avec le filetage, il est conseillé de mesurer chaque longueur de tube pour établir un plan précis avec un captage correcte de l aquifère. Le tubage doit descendre librement sous son propre poids dans le trou. Si le forage n'est pas vertical (fréquent au delà de 20 mètres), il est fréquent que les frottements le long du tube bloquent la mise en place du tubage. Ceci peut être résolu en appuyant légèrement sur le tubage pour qu il descende. Dans le cas contraire, il faut le remonter et réaléser le trou. Une méthode alternative consiste à descendre le tube sans bouchon de fond pour qu il puisse riper le long des parois. Il sera recommandé de boucher le fond du forage en faisant descendre du ciment depuis la surface Crépines : La crépine est constitué l élément principal de l équipement d un ouvrage d exploitation d eau. Placées à la suite du tubage plein, face à une partie ou à la totalité de la formation aquifère, les crépines doivent : Permettre la production maximale d eau claire sans sable. Résister à la corrosion due à des eaux agressives. Résister à la pression d écrasement exercée par la formation aquifère en cours d exploitation. Avoir une longévité maximale. Induire des pertes de charge minimales. Il existe plusieurs types de crépines industrielles en acier (fig 03) : Crépines à trous ronds : utilisé en terrains durs, mais de faible densité de perforation ou de vide (10%). Crépine à trous oblongs : avec des fentes rectangulaires verticales, de largeur au moins égale à l épaisseur de la tôle, longueur standard 3 cm, mais de faible densité de perforation (10 à 20%). Crépine à prussiennes, avec des perforations rectangulaires horizontales, formant auvent, de bonne résistance mécanique, mais de faible pourcentage de perforation. Crépine à nervures repoussées, types très fréquemment utilisé, réalisé à plat puis roulé et soudé, de bonne résistance mécanique du fait du faible enlèvement de métal, de pourcentage de vide variant de 3 à 27% selon les dimensions des ouvertures pratiquées. Crépine type Johnson, à ouverture horizontale continue sur toute la longueur de la crépine, obtenue par enroulement en hélice d un «fil enveloppe profile» soudé sur des génératrices métallique verticales. Les avantages principaux de telle crépine sont : o La régularité et la précision des ouvertures. o Les faibles risques de colmatage. o Le coefficient d ouverture le plus élevé par rapport aux autres crépines. Page 13

14 Longueur et position des crépines : La longueur et la position de crépine est en fonction de la pression de l eau dans la nappe et selon la nature et la granulométrie du terrain. Quatre cas peuvent se présenter : Nappe artésienne en terrain homogène (non stratifié) : on crépinera 70% à 80% de l épaisseur aquifère, on commençant toujours de la base de formation. Si la couche aquifère est très épaisse, il est recommandé, par raison d économie et de résistance mécanique, de fractionner la crépine en tronçons d égale longueurs, séparés par des morceaux de tube plein de même diamètre (fig 4) Nappe artésienne en terrain hétérogène (stratifié) : on crépinera à 70% à 80% la couche la plus perméable. On détermine la couche la plus perméable par l un des méthodes suivantes : analyse des échantillons de ces diverses couches (courbes granulométriques), ou examen visuel des cutting Nappe libre en terrain homogène : on crépinera seulement le tiers inférieur (au plus, la moitié) de l épaisseur de la nappe. En outre, il est rappelé qu il est préférable de ne pas rabattre le niveau au pompage au-dessous du sommet de la partie crépinée Nappe libre en terrain hétérogène (couche multiples) : on crépinera la couche la plus perméable (70% à 80%), si cette couche est mince, il faudrait aussi crépiner d autres couches, mais avec des ouvertures différentes. Quatre cas peuvent se présenter (fig5) : a-sables fin surmontant une épaisse couche de gros sable ou gravier ; crépiner seulement 70% à 80% de sable grossier (ou gravier). b- forte couche de sable fin surmontant une mince couche de gros sable ou de gravier : crépiner toute la couche grossier et environ la moitié de la couche de sable fin mais avec des ouvertures différentes. c-sable grossier surmontant une couche d égale épaisseur de sable fin : crépiner toute la couche de sable fin et la moitié au moins de la sable grossier, avec des ouvertures différents. d-sable fin, en sandwich entre deux couches de matériaux grossier : crépiner les deux couches inférieures et le tiers ou la moitié de la couche supérieure, avec des ouvertures différents Page 14

15 Ouverture (slot) des crépines : la dimension des ouvertures de crépine est définie par l analyse des courbes granulométriques des terrains pendant le forage de reconnaissance. a-dans une formation homogène composée de sable fin uniforme, l ouverture doit être telle que la crépine retienne, pendent le développement 40% à 50% des sables (l ouverture de la crépine est donnée par la valeur de l abscisse correspondant à l ordonnée choisie «40% ou 50%»). b-dans une formation hétérogène stratifiée (plusieurs couches) : l ouverture doit être telle que les crépines retiennes, pendent le développement 40% à 50% des terrains. Cependant, l on observera deux règles suivantes : *si les matériaux fins se situés au-dessus des gros, il convient de prolonger d au moins 60cm vers le bas la section de crépine de matériaux fin (fig6). * si les matériaux fins se situés au-dessous des gros, l ouverture choisir pour les éléments grossiers, ne doit pas être supérieure au double de celle adaptée aux matériaux fins (s il ya lieu on intercale entre les deux morceaux un tronçon intermédiaire de coté de matériaux gros) Pose de crépine : Après le tubage et la cimentation des parties supérieur non exploité par le forage, on poursuivre le forage jusqu au mur de la couche aquifère. Avant la mise en place de la crépine, il sera utile de racler les parois du forage à l aide d outils aléseurs ou de «hérissons» travaillant au-dessous des colonnes de soutènement. Cette Page 15

16 opération doit être rapide juste avant la mise en place de la crépine pour éviter l éboulement de forage. On peut aussi traiter le cake, au moyen d acide (fluorhydrique ou chlorhydrique 15%), ou par l emploi de sels de soude (pyrophosphate, hexamétaphosphate.etc.). après l élimination de cake, la pose de crépine sera facile et son fonctionnement plus efficace. *cône de suspension : c est un dispositif d attache à baïonnette pour la mise en place et éventuellement l extraction de la crépine, quatre fenêtres pour la mise en place du gravier additionnel dans l espace annulaire et un cercle extérieur qui viendra se poser sur la rondelle de suspension insérée dans le tubage. Cette pièce permet de réaliser la meilleure solution de pose d une crépine, car elle présente les avenages suivant : Suspension de la crépine par le haut (pas de risque de flambage). Facilité de la mise en place du gravier filtrant. Possibilité de rajoute de gravier filtrant. Facilité de la mise en place et, ultérieurement, d extraction de la crépine. *obturateur: c est un dispositif à baïonnette, isole l intérieur de la crépine du massif en gravier. *crépine : c est un tube perforé, servent comme filtre métallique entre le terrain et le forage, leur rôle dans le forage est le drainage de la nappe. *sabot : cette pièce avec le raccord droite-gauche peut servir à descendre la crépine et éventuellement son tube d extension, si l on n utilise pas le dispositif à baïonnette. Si la crépine se trouve arrêtée dans la descente, on injecte de l eau sous pression ou de la boue pour faciliter cette descente. Si le gravier additionnel est déjà introduit, l injection de l eau provoque le creusement du gravier et permet à la crépine de descendre sous le poids du train de tige Gravier filtrant (additionnel) : Ce sont des matériaux meubles formés d éléments calibré (graviers, granulats), disposé dans l espace annulaire entre la crépine et les parois de puits pour empêcher l érosion souterraine et prévenir le colmatage et la réduction conséquente de l efficacité de puits. Le gravier filtre doit être assez uniforme, calibré, propre, rond et siliceux de préférence. Il ne doit pas être calcaire, ni concassé. Par ailleurs, il faut savoir qu un gravier additionnel de granulométrie surdimensionnée dans une formation sableuse fine, peut provoquer un ensablement de l ouvrage. Par contre, un massif filtrant de granulométrie trop fine peut conduire à une exploitation partielle de la nappe et rendre difficile l élimination de la boue de forage Slot (diamètre) de gravier additionnel : a-dans une formation du sable fin : La granulométrie de gravier additionnel utiliser dans les forages sera en fonction d analyse granulométrique des terrains aquifères à capté, elle calcule par la méthode suivante : *on multiplie la valeur de l abscisse à 70% par un nombre compris entre 4 et 6 (4 pour matériaux uniformes «KU inf à 2» et 6 pour matériaux hétérogènes «KU sup à 2»). *nous avons le coefficient d uniformité de gravier additionnelle (KU) qui varie entre 2 et 2,5. *on calcule BD=BC/(KU-1)=BC/1.5. *on trace la droite AD. *par projection sur la droite AD, le gravier sera défini comme suite ; 10% (E) d éléments plus fins (en poids) et 40% (F) d éléments plus gros. Page 16

17 Exemple (fig7): *coefficient d uniformité de terrain : KU= d 40 /d 90 =2,5 * BD=BC/(2,5-1)=BC/1,5 * F=1.65mm et E=0.65mm *Alor : le gravier sera défini comme suite ; 10% d éléments plus fins (en poid) que0.65mm et 40% d éléments plus gros 1.65mm. *sans gravier additionnel l ouverture de la crépine est d40% égale 0.30mm, mais avec le gravier additionnel l ouverture de la crépine est d90% sur la droite AD égale0.65mm. b-dans une formation grossière et les terrains compacts : dans cet cas le gravier additionnel jouera le rôle de stabilisateur de formation et préviendra les éboulement ou les déformations de la colonne de captage, la granulométrie de gravier additionnel sera, Alor juste un peu plus forte que la moyenne de celle du terrain, et l ouverture de la crépine ne change pas avec la mise en place de gravier additionnel (a inverse du terrain fins ou l ouverture de crépine change avec l ajoute de gravier additionnel) Cimentation : Cette méthode consiste à remplir, par mélange à base de ciment, tout ou partie de la hauteur de l espace annulaire entre un tubage et les parois du trou. La cimentation est utilisée notamment dans les cas suivants : Pour colmater une cavité ou des grosses fissures qui engendrent de fortes pertes de boue lors de forage. Pour supprimer des problèmes liés à la géologie des terrains forer (les argiles, les évaporites, terrains meubles.etc.). Pour rendre étanche l espace annulaire et empêcher la pollution par les eaux de surface, des nappes souterraines mises en exploitation. Pour fixer les colonnes de tubage au terrain et protéger ainsi contre les attaques corrosives de certaines eaux opération de cimentation : * Préparation du lait de ciment Cette opération consiste à remplir avec un mélange eau + ciment (laitier de ciment) l'espace annulaire au dessus du massif de gravier jusqu'à la surface du sol. Le dosage est d'environ 50 Page 17

18 litres d'eau pour 100 kg de ciment, ce qui donne75 litres de laitier. Si vous disposez de bentonite, utiliser le mélange suivant : 75 litres d'eau, 4 kg de bentonite et 100 kg de ciment; ce mélange évitera à l'eau de filtrer hors du ciment, mais le temps de prise sera légèrement supérieur. * Mise en place Remplir l'espace annulaire jusqu'au niveau du sol, et laisser sécher un minimum de 12 heures avant d'effectuer les opérations de développement. La cimentation doit être faite en règle générale avant les essais de pompage. Cependant, lorsqu il n est pas possible d'attendre 12 heures, il est toujours possible de faire une cimentation après les opérations de développement et d'essais de pompage, dans la mesure où un bouchon d argile a été déposé au dessus du gravier filtre. Page 18

19 5. LES METHODES DE DEVELOPPEMENT DE PUITS Le développement d un forage consiste, entre autres, à améliorer la perméabilité de la formation aquifère située autour de la crépine et à stabiliser cette formation. Il faut savoir que la mise en production immédiate d un forage sans développement aurait des conséquences fâcheuses : Elle ne permettrait pas de d obtenir le débit optimal pouvant être fourni par l aquifère. Elle entrainerait très certainement d importantes venues de sables (risques de dommages à la crépine et à la pompe, de colmatage, de tassement du massif de gravier). Développement est donc destiné à parfaire le nettoyage du trou, de la crépine et de massif de gravier et à améliorer les caractéristiques hydrodynamiques de l aquifère autour de la crépine, dans le but d augmenter le débit exploitable et de produire une eau propre. La perméabilité du terrain prés de crépine est ainsi améliorée, notamment par élimination dans cette zone du maximum d éléments fins et par restriction et stabilisation du massif de gravier. Il existe plusieurs méthodes de développement de puits, les plus utilisés sont : Développement par pompage et surpompage. Développement par pompage alterné. Développement par pistonnage. Développement pneumatique. Lavage aux jets à grande vitesse DEVELEPPEMENT PAR POMPAGE C est la méthode la plus simple, elle est couramment utilisée, mai ce n est pas la plus efficace. Le procédé consiste à mettre, provisoirement, le forage en production par un pompage à un régime supérieur à celui fixé pour l exploitation. Son avantage réside surtout dans le fait qu il permet d obtenir une production régulière plutôt que dans celui d un développement absolu, même si ce surpompage a apparemment, débarrassé la zone critique de la formation du sable fin qu elle contenait. Un forage qui aura été surpompé à un débit de 100m 3 /h ne produira généralement pas de sable si on se borne à ne l exploiter qu à raison de 80m 3 /h. Cela ne saurait signifier que l ouvrage a été convenablement développé, car, d abord, rien ne prouve qu il n aurait pas débité plus de 100m 3 /l s il avait été traité par l un des autre procédés ; d autres part, si pour un raison quelconque, le débit était, même pour un temps très court, porté à 120m 3 /h, le forage produirait du sable. En fait, le surpompage constitue un moyen de nettoyer le forage en provoquant un début de développement. Il est sans effet sur les ponts de sable qui ne peuvent être rompus que par un flux alterné. Enfin, le procédé entraine une détérioration rapide de la pompe utilisée DEVELOPPEMENT PAR POMPAGE ALTERNE Comme dans le procèdent, on met le forage en production par pompage et on provoque, à plusieurs reprises, des arrêts brusques de la pompe. On crée ainsi des variations brutales de pression qui ont pour effet de développer la formation. On emploie de préférence une pompe centrifuge classique à axe vertical, sans clapet de pied, mai l on doit prévoir une assez grande fatigue du matériel utilisé. Page 19

20 Premier procédé On utilise la pompe à sa capacité maximum jusqu à obtenir le plus grand rabattement possible du niveau de l eau. On arrête alors la pompe et toute l eau de la colonne d aspiration retombe dans le forage pendant que le niveau remonte à sa cote de départ. On recommence l opération autant de fois que nécessaire. Deuxième procédé Même précédemment, mais dés qu on a obtenu le rabattement maximum et arrête la pompe, au lieu d attendre que le niveau remonte à sa cote de départ, on recommence le pompage presque aussitôt. Cela a pour effet d agiter fortement l eau au fond de la crépine. Il faut cependant prendre garde de ne pas remettre la pompe en marche avant son arrêt complet pour ne pas risquer une rupture de l arbre. Troisième procédé Sans chercher à obtenir le rabattement maximum, on pompe jusqu à ce que l eau se déverse à la surface ; on arrête pompe, ce qui libère toute la colonne d eau, et on recommence. Il s en suit de brefs et puissants chocs de pression sur la couche productrice, à une fréquence beaucoup plus grande que dans les autres procédés DEVELOPPEMENT PAR PISTONNAGE Cette méthode exercée a l aide d un piston actionné verticalement dans les deux sens à l intérieur d un forage tubé et crépiné. Dans son mouvement de remontée, le piston crée une dépression, au-dessous de lui, qui attire l eau et le sable fin de la formation vers la crépine. Ce sable traverse la crépine et s accumule à l intérieur. On l extrait ensuite par cuillérage. On peut prévenir, sous la crépine, un tronçon de tube plein de même diamètre, précisément pour recevoir le sable introduit par la course ascendante du piston. Dans son mouvement de descente, le piston comprime la nappe, refoule, loin dans le terrain, les fines particules qui n ont pas été entrainées par opération précédente. Ils restent en ces points éloignés la vitesse de l eau ne sera pas suffisante pour les en chasser. Le classement des matériaux de la formation, tout autour et au voisinage immédiat de la crépine, s opère progressivement dans cette zone sensible. Les plus gros touchent la crépine et les plus fins en demeurent les plus éloignés, mais chacun finit par rester à sa place et les ponts de sable ne peuvent se produire à cause de l alternance du flux. Mode opératoire : Descendre le piston dans le forage jusqu à ce qu il touche l eau. Commencer à pistonner doucement, puis augmenter la cadence et la course, mais sans laisser le câble mollir. Continuer ainsi pendant quelques minutes : le foreur sentira à la tension du câble et au bruit de l outil que le sable a pénétré dans la crépine. Sortir alors le piston et descendre une cuiller à clapet ou une pompe à sable. Noter la cote du niveau du sable et l extraire Recommencer à pistonner, puis à curer et comparer les niveaux et les volumes de sable extraits aux divers cycles d égale durée. Continuer ainsi jusqu à ce qu aucune venues de sable ne se produise. L opération peut durer de quelque heure à plusieurs semaines DEVELOPPEMENT PNEUMATIQUE Cette méthode est la plus efficace si elle est bien adaptée et bien conduite. Elle présente l avantage de n entrainer aucune détérioration du matériel employé. Elle permet de combiner l action de flux et de Page 20

21 reflux provoquée par de grands volumes d air introduit dans l ouvrage avec celle de mise en production par air lift (éjecteur ou émulseur). Ils existent deux méthodes de son utilisation pour développement : La méthode à forage ouvert : La figure montre le montage à réaliser. L opération consiste à alterner les phases de pompage à l airlift et de soufflage brusque. Cette dernière phase est réalisée en descendant le tube d air à l intérieur de la crépine. Pour faciliter la manœuvre, le robinet d air doit être du type «à boisseau», à ouverture et fermeture rapides «au quart de tour». On procède ainsi : Descendre le pied du tube d eau à 0.60m environ du sabot de la crépine. Descendre ensuite le tube d air de façon que sa base soit à environ 0.30m au-dessus de celle du tube d eau. Fermer l air et laisser la pression s écouler l eau pulsée par l air-lift, jusqu à ce qu elle ne contienne plus de sable. Fermer l air et laisser la pression monter au maximum au compresseur. Pendant ce temps, descendre le sabot du tube d air à environ 0.30m au-dessous du sabot du tube d eau, soit 0.60m plus bas que précédemment, et à 0.30m du fond de la crépine. Ouvrir brusquement, le robinet d air. L eau sera violement projetée au-dehors par le tube d eau et par le casing, mais pendant un temps très court. Remonter ensuite le tube à sa première position, ce qui provoque un violent reversement de flux dans le tube d eau et une grande turbulence dans la formation autour de la crépine. L eau éjectée par air-lift s écoule, très trouble, par le tube d eau. Quand l eau est redevenue claire, remonter le tube d eau 0.60m à 1m et recommencer les opérations précédentes pour traiter la formation au nouveau niveau du sabot du tube d eau, et ainsi de suite, sur toute la hauteur de la crépine. Il sera alors nécessaire de redescendre le tube d eau à sa première position afin de sortir, par air-lift, le sable qui s est déposé tout au fond de la crépine. Lorsque l eau, extraite à ce dernier stade, sort claire, sans sable, on peut considérer que l opération est terminer. La méthode à forage fermé La figure montre le montage à réaliser. Le casing est hermétiquement fermé par un joint plein que traverse le tube d eau et qui comporte une ouverture raccordée à un robinet de décharge. Un robinet à 3 voies à boisseau permet d opérer les manœuvres indiquées ci-dessous. Le procédé nécessite quelques précautions, car il peut entrainer un ébranlement du tubage en place, une détérioration de la cimentation et des éboulements dans la zone de production. Les opérations à réaliser sont les suivant : Manœuvre le robinet 3 voies pour envoyer l air dans la crépine, le robinet de la décharge étant ouvert. Laisser couler, comme la méthode à forage ouvert, jusqu à ce que l eau éjectée sorte claire. Laisser l eau remonter à son niveau statique dans le forage, ce qu on peut vérifier en écoutant l air sortir par le robinet de décharge. Fermer le robinet de décharge et manœuvre le robinet 3voies pour envoyer l air, par le tube supportant le robinet de décharge, à l intérieur du forage, sous le couvercle du casing. L eau sera refoulée, hors du tube d eau, au niveau du sol, ainsi que, à travers la crépine, dans la formation adjacente, en brisant les ponts de sable ou de gravier. Lorsque le niveau de l eau dans le forage aura été rabattu jusqu à sabot du tube d eau, l air sortira, par tube, à la surface. A ce moment, ouvrir le robinet de décharge et laisser l eau remonter à son niveau statique, le robinet d air étant fermé. Manœuvrer le robinet 3 voies et provoquer à nouveau, par air-lift, le pompage du forage. Page 21

22 Répéter ces opérations jusqu à ce que le forage ne produise plus de sable. Il est alors rarement nécessaire de nettoyer le forage, car la grande vitesse de l eau provoque généralement l expulsion des sables fins. Il n en serait pas de même s il s agissait de sables grossiers ou graviers qui auraient pu pénétrer à travers une crépine trop ouverte ou de construction peu soignée, dans ce cas, il faudrait extraire à la soupape les matériaux qui s y trouveraient. On remarque que, dans ce procédé, le tube d eau et le tube d air restent fixes, ce qui n était pas le cas dans la méthode à forage ouvert. Page 22

23 5.5. DEVELOPPEMENT PAR LAVAGE AU JET SOUS PRESSION Le lavage au jet sous pression est une des plus récentes et des meilleures méthodes de développement. C est aussi la plus simple et la moins couteuse. Un outil à jet, très facile à construire, une pompe à haute pression, la tuyauterie, rigide ou souple, la robinetterie et la cuverie correspondantes constituent tout l équipement. Les puissants jets d eau ou de solution chimique sont projetés, à travers la crépine, dans la formation, ou dans le massif de gravier additionnel qui l entoure. Par la lente rotation de cet outil, combinée avec un mouvement vertical de va-et-vient, la surface entière de la crépine est soumise à l action vigoureuse des jets. La turbulence ainsi criée déplace le sable fin, le limon ou l argile, qui pénètrent dans la crépine, audessus et au-dessous du point où l on opère. Ces éléments peuvent être retirés, soit par pompage (pompe ou émulseur), soit par cuillère. L outil à jet comprend deux ou quatre buses horizontales de 6 à 12mm d ouverture ; il est monté à la base d une colonne rigide de tube de 2 pouces, de la ligne de sonde, ou, même, d un flexible de refoulement. Pour que l énergie du jet soit utilisée au maximum sur la formation et ne soit pas perdue à l intérieur de la crépine, il est bon que l extrémité de chaque buse ne soit pas distante de plus de 20mm de la crépine. L efficacité du procédé dépend beaucoup de la pression du jet. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec des pressions de 50 à 70 kg/cm 2, ce pendant, on peut déjà commencer à opérer avec des pressions de 7 à 8 kg/cm 2, surtout si on a pu éliminer le cake de la formation avant la pose de la crépine. On comprend bien, aussi, que la forme des fentes de la crépine et son mode de construction jouent un rôle considérable dans l opération de lavage au jet. En effet, la crépine se trouve placée entre le jet et le terrain à développer. Selon le mode de construction, elle peut constituer un obstacle ou, au contraire, améliorer l action du jet. Page 23

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