acf le forage 2004

Le forage

LE FORAGE1. LES FORAGES DEAU 2. LES TECHNIQUES DE FORAGES2.1 Principe du forage Rotary 2.2 Principe du forage percussion (MFT) 2.3 Les paramtres de la foration 2.3.1 Rotation, pousse et force de levage 2.3.2 Lair et la boue de forage 2.3.3 La boue de forage au forage rotary 2.3.4 Lair au forage MFT 2.3.5 Rsum des paramtres de forage.

3 67 8 9 10 12 13 14 15

3. LES MACHINES LEGERES DE FORAGE3.1 Le kit AcF PAT 201 3.1.1 Les spcificits techniques du kit AcF PAT 201 3.2 Le kit AcF PAT 301 3.2.1 Spcificits techniques 3.2.2 Principe de fonctionnement de la PAT 301 3.3 Les autres machines de Forages lgres

1617 19 19 21 22 23

4. DIMENSIONNEMENT DES FORAGES4.1 Principe de dimensionnement 4.1.1 Choix du diamtre des tubes 4.1.2 Prtubage 4.2 Exemples de design courants

2626 26 27 28

5. LA REALISATION DES FORAGES5.1 Le choix de la technique 5.2 La prparation du chantier 5.2.1 Linstallation du chantier 5.2.2 La prparation des fosses boue 5.2.3 Prparation de la boue de forage 5.2.4 Evacuation des cutting au Marteau Fond-de-Trou 5.3 Mise en oeuvre du forage Rotary 5.3.1 Dmarrage du forage au rotary

3131 32 32 34 35 37 38 38

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Action contre la Faim5.3.2 lavancement - lajout d'une tige Cf. Figure 18 5.3.3 Le retrait d'une tige 5.3.4 Difficults au rotary et solutions prconises 5.3.5 Analyse des cutting et signes deau 5.4 Mise en oeuvre du forage percussion MFT 5.4.1 Le marteau fond de trou 5.4.2 Installation du marteau Cf. Figure 21 5.4.3 Droulement de la foration 5.4.4 Difficults au MFT et solutions possibles 5.4.5 Analyse des cutting, et estimation du dbit 38 40 40 41 42 42 44 45 46 47

6. LEQUIPEMENT DU FORAGE6.1 Le tubage dfinitif 6.1.1 Choix des tubes et crpines 6.1.2 Mise en place du tubage 6.2 Le gravier filtre, et la cimentation 6.2.1 Mise en place du massif filtrant 6.2.2 La cimentation

4951 51 52 53 53 54

7. LE DEVELOPPEMENT7.1 Le nettoyage du forage 7.2 Le dveloppement 7.2.1 Lauto-developpement 7.2.2 Les procds de dveloppement 7.2.3 Dbit instantan

5555 56 57 57 60

8. SUIVI ET RAPPORT DE FORAGE

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Le forage

LE FORAGECe chapitre est un guide pratique pour sinitier aux techniques de forage les plus courantes et pour mettre en place des campagnes de forages o il existe un potentiel hydrogologique accessible aux machines de forage dites lgres. Leurs performances en font dexcellentes machines polyvalentes trs appropries aux situations difficiles de crise humanitaire compte tenu de laccs ou de la scurit. Trois machines ont t dveloppes par Action contre la Faim. La PAT 301 pour la ralisation de forage dans les formations consolides et la PAT 201 qui est une machine plus lgre et beaucoup moins onreuse mais limite aux formations sdimentaires non consolides. La PAT 4011 est une machine plus puissance que la PAT 301 en cours de dveloppement qui donne des rsultats trs prometteur.

1. LES FORAGES DEAULa ralisation de forages d'eau permet de rpondre rapidement un besoin en eau.

Les forages de prospectionDans un contexte hydrogologique difficile (par exemple peu ou pas de nappe alluviale, prsence d'aquifres multicouches avec des niveaux d'eau sale), il savre intressant de raliser des forages de prospection. Ils permettent de s'assurer de la prsence et de la qualit de leau souterraine, de connatre la nature de laquifre, ou dtalonner les relevs dune campagne de prospection gophysique. Ils sont en gnral raliss et quips en petit diamtre (43 mm 100 mm), puis soit conservs en pizomtre, soit rebouchs et abandonns. Des essais de pompage simples permettent de vrifier la prsence deau. La ralisation dune campagne de forages de prospection est frquente avant de raliser un forage dexploitation de diamtre important (> 200

1

Machine en Angola avec les quipes dAccion contra el hambre

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Action contre la Faim

mm). Une fois le forage de prospection fait, sil savre positif il sera als et quip pour lexploitation de la ressource.

Les forages dexploitationCes ouvrages permettent datteindre et dexploiter une nappe deau souterraine, mme situe des profondeurs importantes, au del de la centaine de mtres. Dans le cadre de nos programmes, la majorit des forages sont quips de pompes manuelles pour alimenter en eau potable des populations rurales (hydraulique villageoise), et/ou dplaces. Au del des standards nationaux de certains pays, qui imposent des forages par rapport aux puits (qualit de leau souterraine), la ralisation de forage deau doit tre particulirement tudie lorsque : Il nexiste pas de ressources superficielles intressantes (mares, cours deau, puits peu profonds), La nappe phratique superficielle est pollue, leau de mauvaise qualit bactriologique ou physico-chimique La ralisation de puits serait trop longue ou onreuse pour rpondre aux besoins des populations (camps de dplacs). Le contexte gologique ne permet pas de creuser des puits car les formations sont trop dures (rocher) ou la profondeur de louvrage trop importante (nappe situ au del de 20 mtres) Lentretien dune station de traitement deau install en urgence au del de la prsence de lorganisation sur place parait illusoire (pas de rel prise en charge par la communaut). Lapprovisionnement en eau partir de point deau quip de pompe manuelle est plus adapte et approprie au contexte. Les forages permettent de rpondre de manire rapide aux besoins urgents. Toutefois, un certains nombre de facteurs, techniques, financiers et logistiques doivent tre tudis avant dengager une campagne de forage afin de sassurer de la faisabilit du programme : Le potentiel hydrogologique de la zone : Une tude de faisabilit doit tre faite pour sassurer de la possibilit de forer, quelle profondeur et avec quelle machine. Un certain nombre dhypothse seront leves, tel que la possibilit de forer, le type de machine ncessaire, les dbits

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Le forage

dexploitation et les chances de succs. Elles peuvent tre faibles et il faut donc le prvoir ds le plan daction. Le choix de la pompe (manuelle ou immerge) installer en fonction du dbit dexploitation souhait et du potentiel hydrogologique. Les possibilits de trouver une machine en tat de marche sur place ou de limporter (transport arien, maritime et/ou terrestre). Les comptences techniques locale (foreur, mcanicien, gologue). La formation dun foreur au technique de forage est loin dtre impossible mais peut prendre du temps au dmarrage du programme. Lutilisation dune PAT 201 est basique et ne pose aucun problme gnralement. Les dlais dimportation et de dmarrage (un mois minimum) Les moyens de transport locaux de latelier de forage de site en site

Exemples et cots de forage (matriel uniquement)AcF ralis depuis 1991, plus de 1700 forages dexploitation quips de pompes manuelles en Asie (Cambodge, Birmanie), et en Afrique, (Liberia, Sierra Leone, Cte dIvoire, Guine, sud Soudan, Ouganda, Mozambique) avec des machines PAT 201 et 301. Le cot dun forage quip dune pompe manuelle (pompe aspirante type VN6, niveau > 7 mtres) au Cambodge est de 300 USD. Le cot dun forage quip en Guine de profondeur moyenne de 40 mtres, avec une pompe main Kardia (2500 USD) revient 4000 USD. Le Cot d'une campagne de 30 forages, en comptant lamortissement d'une machine PAT 301, pour une profondeur dinvestigation moyenne de 40 mtres avec un taux de forages positifs de 80 %, revient un cot unitaire par forage de 7000 USD. A titre de comparaison, un forage sous trait, sans pompe revient : - En Hati, pour une profondeur de 35 mtres, diamtre de 8", 8500 USD - Au Mali, pour une profondeur de 120 mtres, diamtre de 6", 12000 USD - En Angola, pour une campagne minimum de 10 forages, 60 mtres, le forage cote 8000 USD avec une machine au battage et 13 000 USD avec une machine Rotary. - Au sud Soudan/Ouganda, pour une profondeur de 50 mtres, diamtre de 6", 12 15000 USD.

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2. LES TECHNIQUES DE FORAGESPlusieurs techniques de forages deau ont t dveloppes en fonction du type douvrage recherch et du contexte gologique. Nous retiendrons ici 3 techniques courante de forage deau, le forage au battage, le forage Rotary et le forage percussion Marteau Fond de Trou (MFT). Le forage au battage est la technique la plus ancienne, simple de conception, elle prsentent un intrt surtout dans les terrains sdimentaires grossiers (graviers, galets) qui sont dexcellents rservoirs. Nous n'aborderons pas en dtail cette technique dans ce manuel. Le terrain est remont mcaniquement la surface laide dune benne cylindrique ou dune cuillre (type de machines Beneto). Les techniques Rotary et Marteau fond de Trou sont les plus rpandues et adaptes aux forages deau. Certaines machines Rotary sont de taille trs importante et peuvent forer jusqu plusieurs centaines de mtres. Les machines lgres utilises par Action contre la Faim fonctionnent en rotary seul pour ce qui est du modle PAT 201 et aussi en percussion (MFT) pour le modle PAT 301 et 401. Le principe de fonctionnement de ces 2 techniques est expliqu ci-dessous.

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Le forage

2.1 Principe du forage Rotary

Boue passant dans les tiges de forage

Evacuation des cutting par l'espace annulaire

Formation d'un cake sur la parois du forage

Sortie de la boue (lubrification de loutil) trilame en pression sur le terrain

Figure 1: le principe rotary

La technique rotary est exclusivement utilise dans les terrains sdimentaires y compris les terrains durs pour les machines de fortes puissances. Un outil appel trilame ou tricne est mis en rotation depuis la surface du sol par lintermdiaire dun train de tiges. L'avancement de l'outil s'effectue par abrasion du terrain, sans choc, uniquement par rotation et pousse. Celle ci est fourni par la puissance de la machine mais surtout par le poids des tiges au dessus de loutil. Il existe sur les ateliers de forages consquents des tiges spcialement lourdes pour cela (masse-tiges). L'outil dtache dans le fond du trou des copeaux de terrain (appels cutting). La circulation d'un liquide, la boue de forage, permet de les remonter la surface. La boue de forage est injecte l'intrieur des tiges, ressort au niveau de l'outil et remonte la surface par l'espace annulaire entre le train de tiges et les parois du trou for. Lors de sa remont, la boue de forage tapisse les parois du trou (cake) pour les stabiliser. La "boue de forage" est faite partir dune argile (la bentonite) ou dun polymre usuellement appel polycol. Elle circule en circulation ferme, arrive la surface du sol elle est canalise dans une srie de fosses qui permettent aux-7-


cutting de dcanter, puis pompe et injecte sous pression dans le train de tige.

2.2 Principe du forage percussion (MFT)Cette technique permet de traverser des terrains durs comme le rocher (granites) ou sdimentaires consolides (grs, calcaires). Un taillant boutons en carbure de tungstne fix directement sur un marteau pneumatique, est mis en rotation et percussion pour casser et broyer la roche du terrain for. Le marteau fonctionne comme un marteau piqueur, lair comprim qui est dlivr par un compresseur en plus de la machine de forage. Le flux dair permet de remonter les cutting du terrain. On distingue 2 phases, la percussion et le soufflage.forage en percussion : l'air comprim sert au fonctionnement du piston du marteau qui frappe sur le taillant en appui sur la roche, l'air s'chappe ensuite dans l'espace annulaire entranant les cuttingair comprim passant dans les tiges

soufflage vacuation des cutting le taillant n'tant plus en appui, la totalit du flux d'air s'coule au travers du marteau sans le faire fonctionner et s'chappe dans l'espace annulairesoufflage des cutting par lespace annulaire

vacuation des cutting par l'air dtendu marteau hors circuit passage libre de l'air fonctionnement du marteau avec l'air comprim taillant soulev taillant en appui sur la roche

Figure 2: principe de fonctionnement du Marteau Fond de Trou

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Le forage

2.3 Les paramtres de la forationLes paramtres qui contrlent lavancement du forage sont spcifiques la technique utilise (rotary ou MFT) : rotation et pousse sur loutils Cf. Box 1, vitesse ascensionnelle et pression du fluide (boue ou air) Cf. Box 2. Ils influent de manire diffrente en technique rotary ou marteau fond de trou sur lavancement. Le contrle de ces paramtres est essentiel pour travailler dans de bonnes conditions : avancement, vacuation rgulire des cutting, stabilisation des parois. En forage Rotary, pour une vitesse de rotation donne le paramtre essentiel davancement dun forage est le poids appliqu sur loutil. La vitesse de rotation est la plus rgulire possible et en fonction du diamtre de loutil dune part et de la nature des terrains dautre part. En rgle gnrale la vitesse de rotation doit tre plus lente pour les terrains durs. En forage MFT, la pousse nest plus le facteur dterminant mais la percussion du taillant sur la roche donne par la pression de lair comprim injecte dans le marteau. Toutefois, un dfaut de pousse peut induire des frappes vides qui sont trs nfastes pour le matriel (marteau et tte de forage). Une pousse trop forte endommage les boutons du taillant. En pratique, avec l'exprience la pousse est rgle l'oreille (son de la frappe lourde = marteau travaillant correctement) de faon obtenir une vitesse de rotation rgulire et viter les vibrations excessives du bti de la machine.

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pousse trop forte

rotation ingale

vitesse de rotation trop faible

rotation ingale, puissance de forage rduite

rglage correct

usure accrue du taillant

vitesse de rotation trop leve

vibrations puissance de forage rduite

pousse trop faibleFigure 3: schma de principe - rglage de la pousse/rotation

2.3.1 Rotation, pousse et force de levage La rotation est transmise soit de manire hydraulique (circuit hydraulique), soit directement (moteur, boite, embrayage ou tige carre sur les grosses machines) au train de tige par la tte de rotation qui entrane les tiges mcaniquement. Elle se calcule simplement en comptant le nombre de tour par minute. Le couple de la machine sexprime en Newton-mtre et joue un rle fondamental pour les machines rotary travaillant dans des formations sdimentaires dures et pour les grandes profondeurs. Pour les machines lgres, il joue un rle secondaire car la technique rotary est limit dans les terrains dures. Nous verrons que les valeurs exprimes sont trs en de des normes conseilles.

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Le forage

La pousse est fonction de la puissance propre de la machine et du poids du train de tige au dessus de loutil. De suite, il est clair que plus le forage est profond, plus le poids sur loutil induit par le poids des tiges est important. Par consquence, en dbut de forage la pousse sur loutil est parfois faible, ceci est particulirement vrai pour les machines lgres, et inversement pour les profondeurs importantes, le train de tige doit tre retenu pour ne pas appliquer une pousse excessive loutil Cf.Figure 4. La pousse appliquer sur un tricne (rotary) est beaucoup plus importante que pour un taillant (MFT). Par contre la vitesse de rotation est rduite Cf.Box 1. La force de levage est fournie par la puissance de la machine, sa valeur est donne par le constructeur et sexprime gnralement en tonne. Elle permet videmment de relever le train de tige mais aussi de dbloquer loutil en cas de blocage de celui ci suite un effondrement des parois.Le taillant est de 150 mm, la pousse recherche sur le marteau est de 800 kg environ. Les poids des tiges standards est de 7- 8 kg par mtres. On voit que la pousse de la machine (en plus du train de tiges) doit tre leve en dbut de forage alors qu' partir d'une certaine profondeur il faudra plutt "retenir" le train de tiges (poids important).pousse sur l'outil en kg force734 kg

350 kg

50 kg

0

50 profondeur en m

100

Figure 4: pousse appliquer en fonction de la profondeur et du poids des tiges.

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Box 1: calcul de la pousse et de la vitesse de rotation en rotary et MFT2 Pousse sur loutils Pour un Rotary, la pousse thorique minimum sur un tricne est de lordre de 450 kg par pouce du diamtre de loutils et de 225 kg pour un trilame. Soit pour un trilame de 6 (150 mm), une pousse minimum de 1350 kg et de 2700 kg pour un tricne de mme taille. Pour un marteau fond de trou, la pousse usuelle est de 100 200 kg par pouce doutils en gnral. Soit pour un taillant de 6 (150 mm) une pousse comprise entre 600 et 1200 kg. Vitesse de rotation La vitesse que nous calculons, cest la vitesse dun point situ sur la priphrie de loutils (vitesse tangentielle), cest dire le temps que met ce point parcourir une certaine distance. Pour calculer le nombre de tours par minute la formule est la suivante: distance par minute = rotation par minutes (tours/mn) Pi x d avec Pi = 3,14 et d = diamtre de loutils en mtres En forage rotary, la vitesse tangentielle minimum doit tre de 60 mtres par minutes et de 10 mtres par minute pour le Marteau Fond de Trou soit pour un outil de 150 mm: - en rotary, 127 tours/minutes - au MFT, 21 tours/minutes Couple Pour un forage Rotary et MFT, le couple minimum conseill est de 2000 N-m par pouce de diamtre doutil utilis. Un coefficient de scurit de 1,33 est appliqu. Soit pour un outil de 150 mm (6) un couple de 16 kN-mtre.

2.3.2 Lair et la boue de forage Les fluides de forage sont soit de lair lubrifi (avec ou sans mousse) pour le forage au marteau fond de trou soit de leau plus ou moins charge en boue pour le forage rotary. Ceux ci jouent plusieurs rles qui sont rsums dans le tableau ci-dessous.2

Raymond Rowles : A drilling for water, a pratical manuel; Edition Avebury/Cranfield University Ray.

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Le forage

Technique de forage forage Rotary

Type de fluide Boue de forage : - Bentonite. - Polycol.

Rle du fluide

forage MFT

Remonte des cutting. Colmatage et stabilisation des parois (formation dun cake). Lubrification et refroidissement du train de tiges et de l'outil. - Air comprim lubrifi. Fonctionnement du marteau. - Air comprim lubrifi + Remont des cutting (soufflage). mousse (agent moussant).

Le forage rotary peut tre ralis lair seul, sans boue de forage. Cette technique est surtout applique en dbut de forage pour les premiers mtres (10-20 mtres) et vite de prparer une boue de forage, dans loptique de forer au Marteau Fond de Trou (socle proche de la surface). Toutefois, les terrains superficiels ntant pas stabiliss par le cake les risques deffondrement sont plus importants (rosion des parois par le flux dair). De plus, les cutting humides ont tendances sagglomrer entre eux, trop lourds pour remonter la surface par le flux dair, ils restent en suspension dans le trou jusqu raliser un bouchon dans lespace annulaire. 2.3.3 La boue de forage au forage rotary Nous voyons donc que la boue joue un rle essentiel dans la mise en oeuvre du forage : remonte des cutting, stabilisation des parois, lubrification de loutil. Les caractristiques intrinsques de cette boue (densit, viscosit) sont contrles rgulirement et modifies si besoin (allgement ou paississement de la boue par exemple) en cours de forage : - La densit de la boue, influe sur la remonte des cutting et la stabilisation des parois. Une boue lourde a une meilleure portance et les cutting flotteront mieux. - La temprature de la boue permet de refroidir loutil de forage - La viscosit influe sur la lubrification de loutil Les paramtres hydrodynamiques de ce fluide (dbit, pression) jouent aussi un rle fondamental : - Le dbit de la pompe influe sur la vitesse de circulation de la boue (vitesse ascensionnelle) et directement sur la remonte des cutting Cf.Box 2. En effet pour que ces cutting remontent dans lespace annulaire il sagit- 13 -


de conserver une vitesse minime adapte la densit du fluide. A dbit constant la vitesse du fluide (m/s) diminue si l'espace annulaire augmente. - La pression de la boue permet de faire face aux pertes de charges dans le train de tige car le circuit est quilibr (circuit en U ouvert lair libre) et donc aucune pression n'est ncessaire thoriquement pour assurer la remonte de la boue. Une forte pression est nanmoins trs utile en cas de bouchon dans l'espace annulaire.Box 2: Calcul de la vitesse ascensionnelle du fluide Pour calculer la vitesse annulaire (cas de leau, densit 1), il suffit de prendre le dbit de la pompe divis par la section de lespace. soit pour une pompe dbitant 19 l/s, un trou de 150 mm et des tiges de 76 mm: Q/ (Pid2/4 - PiD2/4) = V (m/s) 0,019/(3,14x0,1502- 3,14x0,0762/4) = 1,4 m/s. Raymond Bowles dans son manuel dfini les vitesses annulaires minimales requises en fonction de la nature du fluide : 0,6 m/s pour de leau, 0,35 m/s pour une boue de forage (eau + bentonite), et de 15 m/s pour de lair pure (sans mousse). Il dfini aussi des vitesses maximales ne pas dpasser qui sont de 1,5 m/s pour de leau et de 25 m/s pour de lair. Au del, des phnomnes drosion des parois du forage risquent dapparatre, au risque de perdre le forage.

2.3.4 Lair au forage MFT Lair a deux fonctions distinctes, faire fonctionner le marteau et remonter les cutting la surface. Les paramtres essentiels contrler sont donc : - Le dbit dair minimal pour le fonctionnement du marteau (quelques litres par secondes) et surtout celui disponible pour crer un flux dair dune vitesse suffisante permettant de faire remonter les cutting de tailles moyennes (quelques millimtres) Cf. Figure 5.v it e s s e d e l'a ir d a n s a n n u la ir em /s

l'e s p a c e

4 2 3 0 1 2 5 1 0 5 d ia m m /s 1 7 5

9

m

/s

1 3

m

/s

1 5 2 t r e d e l'o u t il e n m m

Figure 5: Vitesse de lair fonction du dbit du compresseur (125 et 175l/s) et du diamtre de loutil - 14 -

Le forage

Le tableau ci-dessous donne la vitesse annulaire ncessaire pour remonter des cutting sphriques de densit 2.8 en forage MFT l'air sans ajout de mousse. des cutting en mm 0.1 0.5 1 5 10 vitesse de l'air en m/s 1 5 8 18 24

Lajout de mousse permet de crer une mulsion air/mousse qui augmente le phnomne de portance, et donc permet de remonter des cutting de diamtres de lordre du centimtre pour des vitesses ascensionnelles faibles de lordre de 10 15 m/s. - La pression de lair inject : Elle a un rle direct sur la puissance du marteau pour craser la roche et donc sur la vitesse davancement du forage Cf. tableau 1. - La lubrification de lair doit tre permanente car elle lubrifie la chemise du piston du marteau.Compresseur 8 bars - 175 l/s Numro de forage 10825 10823 10829 44 52 69 Temps moyen par tige de 2 mtres (mm.) Compresseur 12 bars - 125 l/s 10828 10832 10836 23 18 36

tableau 1: vitesse davancement des forages raliss au Nord de lOuganda dans des formations de Gneiss avec une PAT 301 quip dun taillant de 150 mm avec un compresseur de 8 bars et de 12 bars.

2.3.5 Rsum des paramtres de forage. Ces valeurs ne sont quindicatives et correspondent aux normes conseilles pour les foreuses classiques, elles sont donc beaucoup plus importantes que les valeurs utilises par rapport nos foreuses lgres. Nous verrons que les caractristiques des foreuses PAT sont en de des normes ci dessous (pousse, couple) en technique rotary mais cela ne veut pas dire quil est impossible de forer avec. Il est par contre trs clair que ces foreuses ont des limites dutilisation prcises et quil faudra adapter la- 15 -


technique (rotary ou marteau fond de trou) en fonction du terrain. Ds que le terrain est dur, la technique rotary nest plus applicable avec les machines de forage lgres mais il est par contre possible de travailler au marteau fond de trou.Paramtres de forage Valeurs guides Rotary par pouce de doutil 225 kg min. 450 kg min. 10-150 rpm 2000 N-m par pouce de doutil coefficient de 1,33 en plus appliquer boue de forage 0,35 m/s 1,5 m/s boue 1 bar fonction du MFT

Pousse sur loutil trilame tricne taillant Rotation (en rotation/minute) Couple

100-200 kg 25-50 rpm

Vitesse du fluide min. max. Pression du fluide (en bars) min. pour un forage de 4 max.

air (pure) 15 m/s 25 m/s air 12 bars fonction du

3. LES MACHINES LEGERES DE FORAGENous prsentons ici les 2 machines dveloppes par lentreprise PAT, base en Thalande. Action contre la Faim a adapts ces machines originalement conues pour travailler dans des contextes Asiatiques de terrains sdimentaires, aux contextes Africains, en particulier pour travailler dans les zones de socle. 2 kits de forage ont t labors; le kit AcF PAT 201 et kit AcF PAT 301. Suite aux premiers rsultats concluants de la foreuse PAT 401, plus puissante, un nouveau kit de forage est en cours dlaboration.

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Le forage

3.1 Le kit AcF PAT 201La machine trs simple de conception est une foreuse rotary compose dun bti et dun moteur mont sur ce bti Cf.Figure 6, dune pompe boue et dun petit compresseur lger pour le dveloppement du forage. Les principaux avantages de cette machine sont sa conception lgre et mobile, qui permet daller forer dans des zones isoles sans avoir dplacer un atelier de forage complet trs lourd. Un Pick-up classique ou petit camion plateau suffit pour la transporter avec lensemble de lquipement de site en site. Lensemble du kit est transportable par avion lger, ce qui est un atout pour intervenir sur les terrains de crise humanitaires de plus en plus complexes. La mise en oeuvre trs simple de ce type de forage permet aux quipes locales dacqurir une autonomie technique trs rapidement. Les forages sont quips de pompes manuelles ou parfois immerge de 4 en fonction des besoins et du dbit. La profondeur d'investigation est environ de 45 60 mtres dans toutes les formations non consolides type sable, argile et petits graviers. Pour les profondeurs au del de 60 mtres, la machine est limite par la configuration de son train de tige dans sa version standard (60 mtres), par son systme de treuil manuel de relevage et le dbit de la pompe boue. Il est conseill de rester dans cette gamme de profondeur dutilisation de la machine (Option quipement 80 mtres possible). La puissance de foration tant donne par le poids de tiges au dessus de loutil, elle est limite par les terrains de surface indurs comme la carapace latritique par exemple. Sa configuration et son cot, en fait aussi une trs bonne petite machine de prospection pour optimiser limplantation dune campagne de puits et ainsi viter des ouvrages secs onreux. De nombreux programmes de forages ont t dvelopps avec cette machine sur lAsie du Sud Est par les Organisations Humanitaires, en Afrique par Action contre la Faim, sur des zones trs isoles tel que le Sud Soudan, le Liberia, la Sierra Leone, le Mozambique ou lAngola. La rapidit de mise en oeuvre dpend essentiellement du contexte gologique et des conditions daccs du site. Dans un contexte trs favorable (nappe phratique peu profonde), il est possible de forer un forage par jour. Toutefois, pendant une campagne de forage il ne faut pas ngliger les temps de transport, d'installation et de replis, de choix de sites,- 17 -


dimplantation des forages, et de maintenance. En moyenne, dans un contexte difficile, il est possible de raliser un forage par semaine.

Photo de la PAT 201Cble de suspension

Support du moteur moteur

Boite de vitesse embrayage Treuil manuel Tte dinjection Tuyau de refoulement de la boue Tige de forage

Guide tige Ancrage Base

Figure 6: Bti de la PAT 201

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Le forage

3.1.1 Les spcificits techniques du kit AcF PAT 2013Bti portique de 2,20 m. de course utile, poids kg treuil manuel de relevage quip de 5 poulies (longueur de cable 11,5 m, rapport 4/1) Chassi dinstallation pour un pick-up Tte de rotation moteur Honda GXV-140 essence 5 HP, 3600 rpm + boite de vitesse + embrayage vitesse de rotation 80- 120 rpm Tige de forage longueur 1,5m 40 units - pas de vis 23/8 API reg. Outils standards et extrieur des tiges 54 mm - ep 4 mm - poids 16 kg - total 45 accessoires m Trilames : 1 pcs 8 (200 mm) - 2 pcs 61/2 (165 mm) - 2 pcs 31/2, 6 (150 mm) - 1 Trilame pour la boue 165 mm Adaptateur : 2 pcs 201 A - 2 3/8 API rg femelle 2 pcs 201 A - 31/2 API reg femelle Caisse outils complte Pousse treuil manuel couple 196 N/m force de levage treuil manuel max.: 400 kg Pompe boue Pompe Taki - HMT 40 m - Dbit 19l/s Moteur Honda GX 390 - 13 HPessence Tuyau daspiration 3 x 4 m. Tuyau de refoulement 1 x 6 m. Compresseur de Moteur Honda GX 390 - 13 HP - 3600 tours/mn dveloppement Compresseur FUSHENG model TA 80, 3 cylindre de compression : dbit max. : 125 m3/h - HMT max. : 10O mCE Flexible dair de 80 mtres sur toupie

3.2 Le kit AcF PAT 301La machine PAT 301 est une foreuse rotary et percussion (MFT). Elle a t dveloppe pour forer dans les formations dures sdimentaires et Action contre le Faim a adapt cette machine aux terrains beaucoup plus durs comme ceux du socle. En rotary, elle permet de raliser des forages plus profonds que la PAT 201 et dans les formations lgrement indures. Sa configuration peut alors se limiter au rotary. La profondeur d'investigation est de l'ordre de 100 mtres en 6" et jusqu' 150 mtres en 4" (Birmanie 96).3

Version 1998

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En percussion, elle permet de raliser des forages de 40 60 mtres de profondeur dans le rocher et les altrites pour capter les aquifres de fractures ou situs dans les altrations du rocher. Cette machine garde dans une certaine mesure les avantages de la machine lgre avec un domaine dutilisation beaucoup plus large que celui de la PAT 201. Elle se trouve sous forme de kit transportable par avion et est donc mobilisable en urgence sur les terrains de crise, sa technologie est relativement simple et accessible une quipe locale forme. Latelier peut tre fix sur un pick-up, un plateau de camion, ou pos directement au sol. Le bti peut tre tract en tant mont sur 2 roues (dconseill sur les pistes). Le kit AcF comprend un chssis adapt au dimension d'un plateau de pickup Land Cruiser permettant de fixer la machine. Il est important d'installer des vrins sur l'arrire du pick-up ou du camion pour rgler la verticale du forage et stabiliser le vhicule pendant la foration. Linstallation de la machine au sol est la technique la plus simple qui permet de dmarrer trs rapidement, ventuellement en attendant le montage sur un vhicule.Contexte Caractristiques Configuration de latelier Machine au sol ou sur pick-up Compresseur tract Machine et compresseur sur camion Machine sur pick-up Machine au sol des contextes

Forage sur des camps en zone Pas de grandes distances urbaine ou proche de la base entre les diffrents points de forage Forage villageois sur une zone Grandes distances, pistes tendue (type Sahel) trs mauvaises Forage rotary seul tableau 2: configuration dintervention de latelier en

fonction

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Le forage

3.2.1 Spcificits techniques La Machine est compose dun bti, dune tte de rotation hydraulique, dune unit hydraulique, et dune unit de pompage. A cela, sajoute un compresseur dair pour travailler en marteau fond de trou. Les spcificits techniques du kit standard sont donnes dans le tableau suivant. Le domaine dutilisation de la PAT en rotary est en dca des normes conseilles donc l'utilisation du tricne qui demande une forte pousse est proscrite. En pratique ds que l'on se trouve dans des terrains sdimentaires un peu durs, le MFT est mieux adapt car il ncessite une pousse bien moindre. Les vitesses ascensionnelles de lair sont limites au dbit du compresseur utilis.Bti hauteur 3 m avec portique de 2,20 m. de course utile, quip de 2 roues - poids 320 kg diamtre de la table de forage 200 mm Tte de rotation moteur hydraulique vitesse de rotation 0 - 40 rpm couple 120 kg force.m (soit 1160 N.m) Tige de forage longueur des tiges 2m 50 units - extrieur 76 mm et outils standards paisseur: 4 mm - poids 16 kg Pas de vis : 23/8 API reg trilames : 2 pcs 9 (245 mm) - 1 pcs 8 (200mm) - 2 pcs 6 (165mm) - 2 pcs 4 (100mm) - 1 trilame 6 pour la boue 3 adaptateurs 23/8 x 23/8 API reg (femelle - femelle) 2 adaptateurs 23/8 x 31/2 API reg (femelle - femelle) Marteau Stennuick Chalenger 5 Taillants : 1 x 150 mm - 2 x 165 mm Unit hydraulique moteur essence Honda 13 HP - 3600 tours/mn (chssis portable) rservoir huile hydraulique 40 litres pompe hydraulique 210 bars - 3 circuits dhuile spars pour la rotation, la pousse, et la monte Pompe boue R Moteur Honda GX 390 - 13 HP - 3600 tours/mn - essence standard pompe Taki 65-25 (168 kg) dbit max. : 19 l/s - HMT max. : 42 mCE - Idem 201 Pompe boue moteur Honda GX 390 - 13 HP - 3600 tours/mn - essence option H pompe Kato (127 kg) dbit max. : 34 l/s - HMT max. : 10 mCE kit pour forer en rotary diamtre 216 mm dans le cas de lutilisation de tubage dfinitif 167-180 mm ou dun prtubage 180 mm systmatique avant de forer au marteau 150 mm.o

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Compresseur vis ATLAS COPCO XAH 12 bars -175 l/s - poids 1,5 tonnes - 2 pour la foration roues. moteur Diesel DEUTZ 115 HP Compresseur de Moteur GX 390 HONDA 13 HP - 3600 rpm dveloppement Compresseur FUSHENG TA 80 (3 cylindre)- pression 10 bars max - dbit max 7.5 l/s toupie de flexible dair de 80 mtres Pompe mousse Moteur essence Honda GX 120 - 3,8 HP 3600 t/mn (karcher) pompe piston 3 cylindres (Triplex piston pump) pression max. 35 bars - dbit 20 l/mn Tuyau de refoulement de 25 mm x 6 m. Tuyau daspiration 25 mm x 2 m.

3.2.2 Principe de fonctionnement de la PAT 301 La foreuse fonctionne grce un circuit hydraulique qui alimente un moteur hydraulique pour la rotation du train de tiges; un vrin hydraulique pour la monte/descente des tiges et dlivre la pousse sur l'outil. Ce vrin agit sur la tte de rotation (mobile le long du portique) par l'intermdiaire d'une chane. La machine est pilote par un panneau de commandes. Cf. Figure 8. Le Marteau pneumatique est aliment par le compresseur Atlas, 175 l/s, 12 bars. Lair comprim utilis pour le marteau doit tre en permanence charge en huile (lubrificateur plac entre le compresseur et la vanne dadmission dair). Une pompe mousse permet dinjecter en plus de lair un agent moussant pour une meilleur remont de cutting.partie hydraulique moteur hydraulique de la tte de rotation est branch sur le panneau de contrle le vrin hydraulique est branch sur le panneau de contrle le panneau de contrle est reli lunit hydraulique (power pack) partie fluide forage tte de rotation connecte avec l'arrive d'air ou de boue

injection de mousse sous pression(MFT) compresseur (MFT) ou pompe boue (Rotary)

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Le forage

Figure 7: principe de fonctionnementfeeder = pousse (F1) monte descente (B1) Pression air comprim (A1) ou boue pression hydraulique (P2) pression du feeder (F2) rglage du feeder (F3) rglage vitesse rotation (R2) sortie huile hydraulique vers Power Pack

rotation (R1)

vis 6 pan (P1) rglage pression hydraulique

rglage pression feeder (F4) entre huile hydraulique

La pression hydraulique donne par le "power pack" est de 210 - 220 bars (P2) maximum, et est rgl lentre du panneau de contrle par la vis de rglage 6 pans P1. Une chane qui casse trop souvent peut signifier que cette vis est mal rgle. Pression du feeder F3 : ce rglage permet d'obtenir une rotation correcte en marche automatique et de pouvoir bien utiliser la plage de rglage de la vis F3. - tourner la vis de rglage du feeder F3 au minimum - ajuster l'aide de la vanne F4 la pression hydraulique 400 PSI (mano F2)

Figure 8: fonctionnement du panneau de commande4

3.3 Les autres machines de Forages lgresIl existe sur le march dautres machines de forages similaires aux machines PAT. Vous trouverez ci suivant un tableau comparatif des caractristiques des principales machines lgres utilises dans les programmes dapprovisionnement en eau potable. Les machines Eurka et Dando sont dorigine anglaise. Les machines Stennuick (BB) sont peu utilises pour le forage deau mais prsentent des caractristiques intressantes pour le forage marteau fond de trou et leur particularit est dtre entirement pneumatique ce qui simplifie la maintenance.

4

Modle 1996

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Le forage

Poids du Force de vitesse de Vitesse de Couple bti seul levage (Kg) levage en rotation en en N-m ou du kit mtres par tours minutes /minutes

pompe boue Q: dbit dair P: pression de service

compresseur remarques (MFT) Q: dbit dair P: pression de service Non

Eurka drill System Rotary Dando Buffalo 3000 machine au battage Stennuick 5BB Rotary+MFT pneumatique Kit AcF 201 Rotary Kit AcF 301 rotary+MFT Kit AcF 401 rotary+MFT 401 Dyna PTO rotary + MFT

1500 kg

750

40-75

1 000

1850 kg moteur : 1710 kg

7000 moteur 20 hp + treuil 3000 2600 70 1800

Non

Non

options: - rotary - MFT

Q: 250 l/s P:12 bars Q :19 l/s P :4,2 bars Q : 19 l/s P : 4,2 bars Non Q:125 175 l/s P:12 bars Q:125 175 l/sP:12 bars Q:125 175 l/s P:12 bars Kit kit Puis. 13 CV Finalisation du kit 12/99 Puis. 40 CV Puis. 90 CV

900 kg

400 manuel 3,5 tonnes 1590 intermittents 4,5 tonnes 4389 intermittents 3,5 tonnes 4389

manuel max. :15 nor: 10 max. :19 nor: 13 max. :19 min.: 13

80-120 0-40 0-40

196 1320 1519

0-40

1862

5

Foreuse BB, quip dun moteur pneumatique F624 pour la rotation et de 2 moteurs F575 pour la monte et descente.

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4. DIMENSIONNEMENT DES FORAGES

4.1 Principe de dimensionnement4.1.1 Choix du diamtre des tubes Le plan du forage (profondeur, diamtre des tubes et place des crpines) dpend du contexte hydrogologique (profondeur de la nappe, dbit dexploitation) et de son utilisation (pompe manuelle ou immerge). Le choix du diamtre de la colonne est conditionn par lencombrement de la pompe immerge (son diamtre) qui dpend du dbit quelle peut fournir. Cf tableau ci dessous. La hauteur de refoulement est fonction du nombre dtage de roue que la pompe immerge comporte.Diamtres ext. des pompes (pouces) 3 4 6 8 Gamme de dbits prvu (m3/h) 1 - 3 m3/h 3 - 10 m3/h 10 - 50 m3/h 50 - 150 m3/h

Une pompe de 4 passe normalement dans un tube de 100 mm de diamtre. Toutefois, il est recommand de laisser un pouce de jeu entre pompe et tubage pour limiter les pertes de charge (surtout pour les dbits importants) et pour le refroidissement de la pompe. Pour une pompe immerge de 4, il est donc recommand dutiliser un tubage de 112 mm intrieur. En toute logique, le diamtre extrieur (paisseur) dpend des contraintes mcaniques (pression horizontale des terrains et poids des tubes en suspension). Nous verrons plus loin le cas de figure du tubage PVC le plus utilis pour les forages deau de profondeur moyenne (pas de corrosion, facilit de mise en oeuvre etc..).- 26 -

Le forage

Le diamtre de foration choisi doit permettre de passer le tubage librement sans forcer et de laisser un espace pour le gravier filtre autour des crpines. La qualit dun forage (prennit, qualit et turbidit de leau, dbit dexploitation) dpend pour beaucoup de la mise en place de lquipement, du positionnement des crpines en face des venues deau ou niveaux de la mise en place du gravier filtre de la cimentation de lespace annulaire pour viter les infiltrations de surface. Ci dessous, voici les correspondances pratiques entre les diamtres de tubes PVC courants et les diamtres des outils pour travailler dans de bonnes conditions.Diamtre ext. du tubage (pouce - mm) 4 - 110 mm 41/2 - 125 mm 6 - 165 mm 61/2 - 180 mm 7 - 195 mm Diamtre minimal doutil utiliser 6- 150 mm 61/2 - 165 mm 8 - 200 mm 81/2 - 215 mm 95/8 - 245 mm

4.1.2 Prtubage Le prtubage nest pas systmatique mais dpend de la stabilit des parois du forage. Les terrains de surface tant souvent peu consolids, il est souvent ncessaire dinstaller un prtubage pour les stabiliser pour la suite du forage. Il est recommand de cimenter la base du prtubage par un coulis de ciment lorsquil y a des problmes importants drosion et dboulement (le flux dair peut au fur et mesure creuser une cavit la base du prtubage dans les arnes granitiques par exemple) ou dinfiltration de pollution de surface (nappe superficielle pollue que lon veut isoler). Au rotary, mme pour des profondeurs importantes (50 80 mtres) les risques drosion des parois et deffondrements sont rduits car la boue en formant un cake stabilise les parois et lrosion est bien moindre (vitesse de circulation faible de la boue). Les terrains de surface peuvent tre boulants (sables, sols) et ncessiter un prtubage sur quelques mtres. Un prtubage PVC peut tre temporaire et retir lorsque sa profondeur dinstallation est infrieure 20 m et bien sr pas ciment. Au del il- 27 -


devient impossible de le retirer sans risquer de le casser. Lutilisation dun prtubage en acier peut permettre de le retirer quelque soit la profondeur mais dpend de la force de levage de la machine (poids des tubes plus frottements). Les machines de forage lgres telle que les PAT ne sont pas assez puissantes, (forces de levage limites) pour effectuer ce genre dopration au del de 20 mtres. Le diamtre intrieur du prtubage doit tre suprieur de quelques millimtres au diamtre de loutil utilis pour forer les terrains sousjacents. Le prtubage est donc choisi en fonction de loutil que lon dsire faire passer dedans. Par exemple, pour passer un taillant de 165 mm (61/2) afin dquiper avec un tubage dfinitif de 125 mm, le prtubage choisi sera de 178 intrieur. Le prtubage de 167 mm intrieur parfois disponible sur le march ne laisse aucun jeu et les prcautions de mises en oeuvre sont alors dautant plus importantes pour passer le taillant sans le faire percuter ou frotter et risquer de casser le prtubage.

4.2 Exemples de design courantsCes exemples sont issus des forages destins recevoir des pompes manuelles ou lectriques immerges de 4 Cf. Figure 9 Figure 10. En rgle gnrale, les pompes manuelles passent dans des tubes de 100 mm intrieur. Attention toutefois au pompe Kardia K 65 dont le cylindre fait 96 mm et les centreurs 96 mm (prvoir un tubage de 112 mm intrieur). Pour les pompes lectriques immerges de 4, afin de rduire les pertes de charge il est conseill dquiper en tubage de 112 mm intrieur mme si dans la majorit des cas elle passe dans des tubes de 100 mm intrieur. Le prtubage sera alors de 178-195 mm ou de 167-180 mm si ncessite. Il est fortement conseill dquiper les forages sur toute leur hauteur pour assurer une longvit au niveau du captage et un filtrage des fines du terrain au niveau du gravier filtre. Il arrive parfois de rencontrer des forages dans le socle qui ne sont pas tubs dans leur partie infrieure (surtout pour des forages quips de- 28 -

Le forage

pompes manuelles). Le forage est alors quip uniquement dun tubage protgeant la partie haute moins consolide en diamtre de 125 mm ou plus. La partie basse, fracture nest pas tube et laisse telle quelle. Cette technique nest pas conseiller car elle porte prjudice la prennit de louvrage mme si les fractures sont propres et leau pompe apparemment claire dans limmdiat. Exceptionnellement avec les foreuses lgres dans des formations trs dures (temps de forage trs long), la seule solution est parfois de forer en diamtre plus petit (100 mm) et de laisser le trou nu.Contexte gologique sdimentaire sdimentaire consolid consolid Technique Rotary Rotary MFT MFT Prtubage (mm) 167 - 180 178 - 195 167 - 180 178 - 195 Trilame (mm) 215 244 215 244 Tubage (mm) 112 - 125 101 -125 101 - 110 112 - 125 Trilame Taillant (mm) (mm) 165 165 150 165

tube PVC 100-125 mm

terrain de surface socle altr for au MFT 150-165 mm

terrain de bonne tenu la boue trilame 165 mm

decanteur et bouchon de fond

crpines installe en face des venues d'eau

Figure 9: forage rotary et

marteau fond de trou

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terrain non consolid rotary 215 ou 245 mm sans prtubage ou prtubage si besoin 167-180 mm ou 178-195 mm terrain dur for au marteau 150/165 mm mini tube et crpines 101-110 mm ou 112-125 mm

Figure 10: forage mixte Rotary et Marteau Fond de trou

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Le forage

5. LA REALISATION DES FORAGESDe nombreux exemples et astuces concernent plus particulirement la ralisation de forages avec les machines PAT 301 mais la technique est applicable dautres machines ayant des caractristiques similaires.

5.1 Le choix de la technique

nonrocher affleurant

oui

rotary l'air

non

boulement ou mauvaise remonte des cutting

oui

rotary l'air

rotary la boue

socle ou formation dures

oui

Marteau fond de trou

Figure 11: organigramme de choix pour les forages dans le socle

Le comportement des terrains la foration dpendra bien sr de leur nature, mais aussi de leur teneur en eau. Lexprience seule permet dvaluer correctement la remonte de cutting et lavancement du forage en fonction de la mthode utilise.- 31 -


Au del dune certaine profondeur le rotary lair est exclu car difficile matriser (remonte des cutting). Dans les terrains sdimentaires peu consolids, la technique valabe est celle du rotary la boue.

5.2 La prparation du chantier5.2.1 Linstallation du chantier

compresseur

rtelier de tiges pompe boue pompe mousse accs

foreuse unit hydraulique chantillonnage rdaction du Log de forage

fosses boue ou vacuation MFT

dblais cutting

rserve d'eau citerne, bladder

zone de travail bien dlimite, ventuellement avec une clture Figure 12: organisation du chantier

Lorganisation du chantier doit permettre au foreur den visualiser la totalit et donc dintervenir rapidement en cas de problmes. Les prcautions pratiques prendre sont les suivantes: - dterminer un primtre de scurit autour du chantier. - prvoir un accs au chantier pour les vhicules et lapprovisionnement en eau (citernes deau). - prvoir un accs facile pour le remplissage des fosses.- 32 -

Le forage

- prvoir un endroit sec pour la rdaction. - prvoir une zone de dblais (cutting). - aplanir le terrain pour faciliter le calage de la machine. - prvoir le creusage des fosses boue et son emplacement. - positionner le compresseur de faon ce quil ne reoive pas la poussire de forage (pas sous le vent de la machine). - installer toutes les units de pompage, de pression hydraulique et les moteurs sur un plan horizontal.

Recommandations pratiquesPour assurer une meilleure stabilit la machine lorsque celle-ci est au sol, il est conseill d'installer les haubans (cbles acier de 6 mm) fixs aux angles suprieurs du bti du mt et des piquets solidement plants dans le sol, ainsi que de disposer des sacs de sable sur les bras dancrage de la machine si besoin. Lunit de pression hydraulique (power pack) sera protge du soleil et place dans une zone are afin dviter des chauffements trop importants qui entranent une perte de puissance (temprature critique de lhuile 60C). La PAT 301 et lunit de pression hydraulique sont relies par deux tuyaux dhuile hydraulique. Les embouts (mles et femelles) de ces tuyaux ne permettent aucune erreur de branchement sur lunit de pression ou sur le panneau de contrle. Lunit hydraulique ne doit pas tre dmarre avant davoir effectu les branchements car il provoque une mise sous pression des raccords qui bloquent la circulation. Lors dun stockage prolong, il faut laisser les tuyaux connects (un tuyau en circuit ferm sur lunit hydraulique et un sur le panneau de contrle). Le rtelier pour les tiges permet de rpartir celles-ci en deux groupes, ce qui permet dviter les erreurs de comptage et donc de profondeur fore. Il est toujours bon de les numroter afin de les diffrencier les unes des autres. Les filetages doivent tre protgs par des bouchons. Les filetages (tiges et tte de rotation) seront systmatiquement graisss pour chaque utilisation la graisse au cuivre (hydraulique) qui assure ltanchit du train de tige et sert danti-grippant. Si la machine est fixe sur un vhicule, lorganisation se fera suivant le mme plan. Sur un vhicule lger type Land Cruiser 4x4, lunit de pression hydraulique et les tiges seront sur le plateau du 4x4. Le- 33 -


compresseur est alors tract par un autre vhicule qui transporte le reste du matriel. Sur les camions de 5 tonnes, il sera possible de monter en plus le compresseur. La mise en route dun chantier avec une machine fixe sur un vhicule, est plus rapide. Les vrins doivent permettre de stabiliser la foreuse la verticale, et de soulever le camion. Des madriers seront poss sous les vrins afin de rpartir la pression sur une plus grande surface au sol. 5.2.2 La prparation des fosses boue Les fosses boue constituent une rserve de fluide de forage, et permettent le recyclage de la boue par dcantation. Pour des forages peu profonds (20/30 mtres) dans des terrains non consolids, les dimensions suivantes peuvent tre utilises. Un premier canal de 2 mtres de longueur et de 0.20 X 0.20 m. de section est creus partir de l'emplacement choisi pour le forage. Il se jette dans la premire fosse. Il doit tre assez long pour que la fosse soit en dehors du trottoir du futur point deau pour viter un tassement diffrentiel sous la dalle. La premire fosse (fosse de dcantation) facilite la sdimentation amorce dans le canal. Son volume est de 0.20 m3. (0.60 x 0.60 x 0.60 m). Le second canal doit tre dcal de l'axe du premier afin de former une chicane qui ralenti le flux et favorise la dcantation. La seconde fosse (fosse de pompage) est une rserve o est pompe la boue pour tre injecte dans le train de tige. Son volume est environ de 1 m3. Les fosses et canaux sont rgulirement curs et nettoys des sdiments dposs en cours de forage.

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Le forage injection de la boue dans le train de tigesO F

pompe boue et by pass

rserve de boue

dpt de cuttingremonte de la boue dans lespace annulaire

Figure 13: circulation de la boue Box 3: Dimensionnement des fosses Le dimensionnement des fosses boue se fait en fonction de la profondeur du forage raliser : idalement, le volume total des fosses doit tre gal 3 fois le volume du forage avec : le volume de la fosse de dcantation gal : Largeur = racine cubique (volume du forage en gallon x 2/ (2.125 x 7.5)) Longueur = 2.5 x largeur Profondeur = 0.85 x largeur et celle de la fosse de pompage gale : Largeur = idem celle de la fosse de dcantation Longueur = 1.25 x largeur Profondeur = 0.85 x largeur

5.2.3 Prparation de la boue de forage Dans les terrains argileux il est prfrable de forer l'eau simple sans bentonite pour viter de colmater laquifre. Leau se chargera au fur mesure dargile du terrain. En labsence d'informations fiables sur la nature des terrains, on mlange l'eau de forage de la bentonite ou de la polycol, pour augmenter la densit

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de leau et prparer une boue que lon pourra paissir ou allger par la suite. La polycol : c'est un produit polymre trs rpandu en forage rotary, qu'il faut doser entre 2.5 et 5 kg par m3 d'eau. Le mlange eau + polycol est plus homogne que le mlange eau + bentonite et son utilisation demande moins d'attention. Il existe de nombreux type de polycol avec des caractristiques diffrentes en fonction des contextes ou lon fore (milieu salin, anti-colodes, climat, polycol biodgradable etc.). La bentonite : c'est une argile en poudre qu'il faut doser entre 15 et 30 kg par m3 d'eau. Son risque majeur de colmatage de laquifre en fait aussi son avantage dans des terrains trs permables (aquifres, graviers, sables, silts) o les pertes de boue peuvent tre importantes ainsi que les risques deffondrement.

Recommandations pratiquesL'eau utilise sera propre. Il est indispensable de prvoir une rserve deau sur site de 1 2 m3 (rservoir souple, ou tonne eau) pour compenser rapidement une perte de boue. La densit de la boue doit tre ajuste au fur et mesure de l'avancement de la foration. Avec un peu d'exprience et en fonction des terrains traverss le foreur ajuste la densit au "touch". Les terrains argileux traverss ont pour effet dpaissir la boue de forage. Il faut donc diluer cette boue par ajout deau claire pour obtenir une boue plus lgre. Dans les terrains boulants ou sableux, il est ncessaire de forer avec une boue assez dense. Une venue d'eau souterraine peut allger excessivement la boue. Pour obtenir un mlange homogne, la polycol ou la bentonite doivent tre saupoudrs au dessus du jet d'eau pendant le remplissage de la fosse. Un mlangeur l'aide de quelques fitting peut tre fabriqu : il s'agit de faire un venturi que l'on branche au refoulement du by pass. La boue est mise en circulation de fosse fosse pour quelle reste homogne avant le dmarrage effectif du forage. Cf.Figure 13 Figure 15.

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Le forage

5.2.4 Evacuation des cutting au Marteau Fond-de-Trou La remonte violente des cutting et de leau (soufflage de lair comprim) sera canalise pour permettre un chantillonnage et une estimation du dbit. Lorsque la machine est installe sur un vhicule, le mlange eau/cutting vient heurter le dessous de son plateau. Il faut prendre soin de dfinir au sol un plan circulaire orientant lcoulement vers une rigole. En pratique le moyen le plus efficace de canaliser les cutting et d'viter les projections est de placer un tube de 1 2 m. de hauteur, sous la table de forage. Les cutting sont rcuprs dans un seau plac sous la pluie de cuttingtte de rotation et train de tige

table de forage

tube comportant une ouverture latrale pour lvacuation des cutting

Figure 14: vacuation des cutting

polycol

branchement sur la sortie de pompe venturi (diamtre 25 mm) retour vers les fosses

Figure 15: mlangeur venturi fabriqu avec des fitting PVC

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5.3 Mise en oeuvre du forage Rotary5.3.1 Dmarrage du forage au rotary

1 Positionner la tige sur la tte de rotation 2 Engager la tige la main dans le pas de vis de la tte de rotation 3 Enclencher la rotation (vissage) partir du panneau de contrle

Ne dmarrer le forage qu'une fois le guide tige install et viss. Il sera dmont de la table pour les passages doutils.

Creuser la pioche pour positionner le trilame de diamtre > 250 mm par dessous la table. Figure 16: installation de la premire tige

5.3.2 lavancement - lajout d'une tige Cf. Figure 18 Lavancement est rgl partir du couple rotation/pression sur loutil contrl par le panneau de contrle. Plus loin, nous verrons plus spcifiquement les solutions possibles aux problmes davancement et de foration. Il faut forer jusquau bout de course de la tige afin de permettre, lors du changement de tige, de garder un espace entre le fond du trou et loutil. En fin de tige, remonter et descendre une fois sur la hauteur de la tige, afin de contrler le trou et de nettoyer les parois puis laisser le trou se nettoyer avec la circulation de boue. Lorsque la boue est exsangue de cutting, lajout dune tige peut tre effectu.

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Le forage

Basculer alors le refoulement de la pompe boue en circulation de fosse fosse (ralentir le rgime moteur) et procder au changement de tige. Larrt et la reprise de la circulation doivent se faire le plus souplement possible pour viter toute dstabilisation des parois. Le sabot de blocage sert a bloquer les tiges en suspension dans le forage pour toute les manipulations dajout ou de retrait de tiges en l'enclenchant au niveau du plat des tiges.

2. Dvissage brusque (rotation gauche) l'aide du panneau de contrle Si la tige ne se dvisse pas taper sur le manchon de la tige l'aide d'un marteau de charpentier.

1. Blocage de la tige avec le sabot.

Figure 17: blocage des tiges en suspension

1. Visser la tige avec la tte de rotation aprs l'avoir positionne la main

2. Guider le pas de vis de la tige sur le manchon de la tige infrieure la main tout en actionnant la descente de la tte de rotation 3. Visser et retirer le sabot

Figure 18: lajout dune tige - 39 -


5.3.3 Le retrait d'une tige La tte de rotation est mise en position haute et le sabot enclench sur le plat de la tige infrieure. Le retrait de la tige se fait dans lordre, dabord en dvissant le filetage haut avec la tte de rotation, puis avec la cl et le filetage du bas.

1. Dvissage au moteur de la tige au besoin en frappant avec un marteau de charpentier

2. Dvissage complet de la tige manuellement avec la cl tiges ; retirer la tige, redescendre la tte de rotation et passer la tige suivante Le sabot est toujours positionn sur le plat de la tige infrieure La cl peut tre utilise comme levier en mme temps que le moteur; Il faut prendre garde quune rotation brusque de la clef ne blesse personne.

Figure 19: le retrait dune tige

5.3.4 Difficults au rotary et solutions prconises De nombreuses difficults apparaissent en cours de forage, la majorit sont simples rgler avec un peu dexprience. La cl du succs repose sur un suivi constant de tout phnomne pouvant influer sur la suite des oprations sur une observation prcise des cutting et sur lcoute de la machine. Les foreurs dexpriences sont trs attentifs pendant les phases cls du forage et apportent beaucoup de solutions judicieuses. Ci-dessous sont rsums les problmes frquents et les solutions prconises.Difficults - observations Solutions prconises Pertes importantes et/ou dilution de la Augmentation de la densit de la boue boue Utilisation de bentonite prfrentiellement Terrains sableux la polycol Installation dun prtubage Epaississement de la boue Vidange et nettoyage des fosses Ajout deau clair - 40 -

Le forage

Parois de forage non effondrements Erosion des parois du trou

et Augmentation de la densit de la boue Rduction de la vitesse de circulation du fluide Rduction des temps de nettoyage et de circulation Mise en place de l'quipement immdiatement Effondrement des parois, arrt de la Augmentation de la pression et du dbit de circulation; boue Blocage de la rotation Remonte du train de tiges jusqu la reprise normal de la circulation Installation dun prtubage Colmatage de laquifre Nettoyage leau claire pour casser le cake Utilisation de la polycol

stabilis

5.3.5 Analyse des cutting et signes deau

Analyse des cuttingLes "copeaux" de terrain qui remontent avec la boue sont la source d'information essentielle : leurs analyses gologiques permettent didentifier les formations traverses, de connatre leur nature sils sont permables (notion de rservoir) et susceptibles de fournir de leau. Des chantillons sont prlevs chaque changement de tige et de terrain. Ils sont prlevs la main, juste la sortie du forage et sont placs dans une boite compartimente pour visualiser la coupe gologique. Ils seront conservs par la suite dans des sacs plastiques identifis (nom du forage, profondeur de lchantillon). La bentonite rend difficile la "lecture" des cutting car tous les chantillons sont noys dans une matrice argileuse. Ils doivent tre lgrement nettoys. La coupe gologique du terrain est tabli par lhydrogologue, ou son assistant, au fur et mesure du forage et dcrite dans le rapport de forage de faon prcise.

Les signes d'eauxEn forage rotary, rien ne permet d'infirmer ou daffirmer la prsence d'eau pendant la foration : seuls des tests deau (soufflage direct) et des essais de pompage raliss une fois le forage quip permettent de confirmer la prsence deau et dvaluer le dbit dexploitation.

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En cours de forage, les indices suivants sont des signes deau qui permettent de localiser une zone aquifre. L'analyse des cutting, comme discut prcdemment, permet de suspecter un aquifre en identifiant les couches de terrains permables (sables, graviers), et en recoupant les informations recueillies sur d'autres forages excuts dans la mme zone et qui se sont avrs positifs. Les pertes de boue, qui correspondent une infiltration de boue dans le terrain se manifestent par une baisse rapide des niveaux dans les fosses pendant la circulation, ou par une baisse du niveau de la boue dans le forage aprs arrt de la circulation (pendant un changement de tige par exemple). Ces phnomnes indiquent que le forage traverse des horizons permables. Les traces d'oxydation et d'altrations visibles sur les grains de quartz et de feldspath (aspect ocre/rouille) sont signes d'une circulation d'eau souterraine. Celle ci peut tre ancienne et ne plus correspondre aujourdhui une circulation deau (baisse du niveau statique par exemple). L'allgement de la boue, c'est dire sa dilution, indique une venue d'eau souterraine artsienne. Mais ce phnomne est rarement visible car la pression de la boue est souvent suprieure la pression de la nappe et l'aquifre est souvent colmat par le cake.

5.4 Mise en oeuvre du forage percussion MFT5.4.1 Le marteau fond de trou

Lubrification du marteauLe marteau est un outil de prcision, compos dun piston qui coulisse dans une chemise par un jeu de lumires dans lequel circule l'air comprim. Le piston frappe le taillant en phase de percussion et laisse passer l'air comprim en phase de soufflage Cf. Figure 20. La lubrification du marteau (piston) est primordiale et lair inject dans celui ci est lubrifi tout au long du forage grce un lubrificateur qui se place entre le compresseur et la vanne d'admission d'air de la foreuse. (huile de forage biodgradable). Il est impratif de vrifier chaque changement de tige la prsence darrive dhuile avec lair la sortie de la tte de forage (soufflage lger et rapide sur une planchette place sur le haut du train de tiges - traces dhuile sur la planchette).- 42 -

Le forage

Lors du dmontage complet du marteau on prendra soin de le huiler en introduisant de l'huile hydraulique directement et de bien graisser la graisse au cuivre tout les filetages.soupape anti-reflux

rondelles amortisseurs

un jeu de lumires l'intrieur du piston (frappeur ) permet l'air comprim d'assurer le fonctionnement du marteau

le piston n'est plus en appui sur le taillant il est au repos et l'air s'coule librement au travers

la busette permet l'vacuation de l'air consomm et de l'air de soufflage le piston vient frapper sur le taillant qui broie la roche

la busette permet l'coulement de l'air

le taillant est en position basse de soufflage

Figure 20: fonctionnement du marteau

Rglage de la lubrification de l'air comprim Le rglage s'effectue avec la circulation dair ouverte et en observant lhuile pulvrise sur la planchette place sous une tige en suspension. Le dbit est optimal (0.2 litre par heure) lorsque limprgnation de la planche est lgre et rgulire. Le rglage seffectue avec la vis situe sur le lubrificateur (elle est visse fond droite puis tourne successivement dun quart de tour). La quantit dhuile utilise avec lajout de mousse doit tre plus importante.

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5.4.2 Installation du marteau Cf. Figure 21 Dans les contextes gologiques de socle, les altrites sont fores au rotary lair ou la boue jusquau toit de rocher ou la poursuite du forage sffectuera au marteau. Cf. Figure 11: organigramme de choix pour les forages dans le socle. Certaines prcautions sont prendre pour linstallation et la descente du marteau au fond du trou de forage. - Tous les tuyaux et tiges doivent tre purgs lair avec le compresseur pour enlever tous les rsidus de boue avant la connexion au train de tiges (endommagement du marteau), - les tiges utilises lors du forage au rotary sont nettoyes avec la pompe mousse en position Karcher, leau claire avant dtre stockes (rsidus de boue sche), - avant de descendre le MFT, la profondeur du forage est contrle (sonde pizomtrique) afin de reprer un ventuel effondrement, - a chaque ajout de tige, celle ci est purge une fois quelle est visse la tte de rotation avant dtre connecte au train de tiges (disposer une planchette sur la tige bloque dans le sabot et donner un coup de chasse lair pour vacuer toutes les impurets dans la nouvelle tige), - la boue contenue dans le forage est chasse rgulirement (soufflage lair) au fur mesure de la descente du marteau. Si le trou est prtub et le jeu entre le tube et le taillant faible (quelques mm), il y a toujours un risque de mettre le marteau en percussion sil frotte contre les parois (dtrioration du prtubage). La descente du train est contrle.1 Installer le marteau avec une tige dun mtre prvu pour cela. 2. Passer le guide tige autour de la tige et le visser sur la table ds que le marteau est engag dans le forage 3. Positionner la tige dun mtre la main sous la tte de rotation et visser (rotation droite) 4. Tester la percussion du marteau sur une planche en bois en appuyant lgrement et en ouvrant ladmission dair. Vrifier que la lubrification de lair est correcte (imprgnation de la planchette) - 44 -

Le forage

Figure 21: installation du marteau

5.4.3 Droulement de la foration Avant la mise en percussion, la rotation droite est dmarre puis maintenue pour la monte ou la descente du train de tige. Elle ne sera stoppe que si toutes les autres oprations sont arrtes. Toutes les rotations gauche peuvent entraner un dvissage complet du train de tiges ou du marteau et provoquer sa chute au fond du forage. Le repchage dun outil ou dune partie du train de tige ncessite des outils spcialiss de repchage et est une opration dlicate. Ce phnomne est aggrav par les vibrations dues la percussion. La rotation gauche pendant la percussion est exclure. Amorage du trou au marteau La circulation dair ferme, le taillant est approch quelques centimtres du terrain forer, puis la rotation droite engage. Larrive dair est ouverte et le marteau progressivement mis en appui sur le sol pour quil rentre en percussion. Au dmarrage, la circulation dair est ouverte mi course, la percussion relativement faible et la rotation lente jusqu ce que le taillant pntre dans le terrain. Les vannes dair sont progressivement ouvertes fond pour augmenter la percussion. La pousse et la rotation sont alors rgles de manire obtenir un avancement rgulier. Avancement Une bonne foration correspond un quilibre pousse/rotation offrant une vitesse de pntration constante et une rotation rgulire sans -coup Cf. Figure 3. Rgulirement (tout les 50 cm) le trou est nettoy par soufflage afin dvacuer les cutting et dviter tout bourrage. Les gros cutting ont tendance rester en suspension au-dessus du MFT pendant la foration. A larrt de la circulation dair, ils retombent sur le MFT et peuvent le bloquer. Pour nettoyer le trou, le MFT est relev lgrement (arrt de la percussion) et mis en position de soufflage. La totalit du dbit dair fourni par le compresseur doit permettre de nettoyer le forage de tous les cutting. Si ncessaire, on peut ramoner sur la hauteur de la tige pour bien nettoyer le trou.- 45 -


Lajout et le retrait des tiges (Cf Forage Rotary)Avant de dvisser les tiges, la pression rsiduelle dans le train de tiges est contrle au manomtre. Cette pression reste leve sil y a un bouchon de cutting dans lespace annulaire qui se forme. Nous verrons les solutions qui sont prconises dans ce cas. Si la pression reste leve, il faut dvisser doucement les tiges entre elles pour une dcompression progressive. La lubrification de lair est vrifie chaque ajout de tige. 5.4.4 Difficults au MFT et solutions possibles Tout forage lair, dun terrain meuble ou dur surmont dun terrain meuble non prtub, peut de par la circulation dair prsenter des difficults : - Au dmarrage dun forage, lair de soufflage peut roder et miner le sol autour du trou for et mettre en danger la stabilit de la machine, - en cours de forage, la remonte des cutting rode les parois du trou, ce qui peut entraner des effondrements susceptibles de bloquer le train de tige, - les pertes dair dans les terrains trs meubles entranent une diminution de la vitesse ascensionnelle des cutting. Si le terrain de surface ne possde pas un minimum de tenue et les cutting ne remontent pas correctement (bouchon), il faut opter pour la technique rotary la boue plutt qu lair. Si les terrains de surface seffondrent, la mise en place dun prtubage est indispensable avant de continuer le forage au marteau. Pour les problmes courants rencontrs en cours de forage, il existe un certain nombre de solutions prconises dans le tableau ci dessous. Ladjonction de mousse (polymre) permet de modifier sensiblement les caractristiques de lair en circulation et de rpondre un certain nombre de problmes (de remonte des cutting, de colmatage, et de pertes dair dans le terrain).Observations - Difficults Mauvaise remonte des cutting Solutions prconises Temps de soufflage plus long Injection de mousse + eau Diminution du dbit dair la sortie du Injection de mousse + eau forage - bourrage des cutting Prcaution au dvissage des tiges - 46 -

Le forage

Pression rsiduelle leve dans les tiges Pertes dair dans le terrain superficiel Bourrage par des cutting secs ou lgrement humides Formation de boulettes Erosion des parois due au flux dair et la remonte des cutting. Forte arrive deau et mauvaise remonte des cutting Formation dune cavit importante Blocage de loutil par la chute de dbris important au dessus de celui ci

Blocage de la rotation

Foration dans une cavit - Terrains karstiques Pertes de circulation Avancement anormal et rotation rapide

Rotary la boue si cela persiste Injection de mousse Prtubage si ncessaire Injection deau + mousse si ncessaire Soufflages brusques et frquents Remonte du train de tiges Diminution du dbit dair Utilisation de la mousse Prtubage ncessaire Augmentation du temps de soufflage Equipement du forage en eau Arrt du forage - quipement ou prtubage Rotation, monte, descente saccades pour craser les dbris Possibilit de forer juste ct pour casser les dbris tombs Percussion et reprise brutale de la rotation Dvissage lger gauche pour augmenter lamplitude des -coups. A lapprciation des foreurs Risque de casse et de perte du train de tiges Dviation probable du forage

5.4.5 Analyse des cutting, et estimation du dbit Analyse des cutting Le fluide utilis tant de lair les cutting sont propres et non mlangs une boue. Leur analyse en est donc facilite. En rgle gnrale, plus ils sont gros plus le terrain travers est friable et plus ils sont fins (poussire), plus la roche fore est dure. Signes deau et estimation de dbit En forage lair, les venues deau sont dans la majorit des cas visibles et quantifiables (remont dun mlange eau + cutting au soufflage). Toutefois, des venues deau peuvent tre ignores car colmates par les cutting qui forment un cake sur les parois du forage. Il est facile destimer le dbit en cours de forage, pour dcider de son arrt et de son quipement. Une mesure de dbit est prise chaque venue deau importante et sur un temps assez long (soufflage). Toute leau sortie du

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forage est canalise vers un exutoire quip par un bout de tube de forage pour faciliter la mesure prise au seau. La venue deau doit tre rgulire et ne pas spuiser. Le dbit mesur est minimis puisque les cutting colmatent certaines zones dalimentation et le forage nest pas encore dvelopp correctement. Les venues deau sont en gnral progressives, elles apparaissent sous forme de traces dhumidit puis au fur mesure de lavancement du forage par un dbit cumul provenant des divers fissures ou fractures. Dans certains cas, la traverse dune fracture majeure bien alimente entrane laugmentation radicale du dbit.

PHOTOS DE FORAGE

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Le forage

6. LEQUIPEMENT DU FORAGELa mise en place de l'quipement, des tubes et du captage (crpine et gravier filtre) est une tape essentielle de la ralisation du forage deau. Le plan de captage et la position des crpines influera de faon trs importante sur le dbit dexploitation de louvrage. La nappe capte doit tre isole des pollutions superficielles pouvant sinfiltrer le long du tubage (rle de lamnagement de surface et du bouchon de ciment). Cf Figure 22

PHOTOS D AMENAGEMENT DE SURFACE

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2.2 M 1.9 M m c 5 1 slope 1 : 50 ground level

45 cm

Top soil

15 cm cement concrete mix 1 : 2 : 4 60 cm

Overburden: Clay Dry unconsolidated formation

foundation stones, broken rocks

iron bars 8 mm or wire mesh

PVC head casing : 6"1/2

PVC plain casing : 4"

Aquifer: Weathered gneiss Layer of sand Fractured bedrock

PVC screen casing : 4"

PVC decantation casing : 4" Gravel pack

Dry formation: Bedrock (gneiss) ClayBottom plug

Action contre la Faim - Kampala 1997

Figure 22: Forage quip dune pompe manuelle et amnagement de surface.

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Le forage

6.1 Le tubage dfinitif6.1.1 Choix des tubes et crpines Le matriau le mieux adapt aux forages deau peu profond est le PVC. Il est prfrable d'utiliser du vrai tubage de forage renforc visser. La rsistance mcanique des tubes peut tre calcul. Cf. Box 4. En absence d'information sur la granulomtrie de l'aquifre, louverture des crpines sera choisie entre 0.8 et 2 mm. En toute rigueur, louverture dpend de la granulomtrie de la formation aquifre capte. Le gravier filtre est choisi par rapport lanalyse granulomtrique de l'aquifre et deux paramtres sont retenus dans le choix du gravier: sa granulomtrie et son indice d'uniformit. Louverture des crpines ne doit pas laisser passer les plus petit grains du massif filtrant.Box 4: Rsistance des tubes lcrasement Dans le domaine du forage deau, la principale caractristique mcanique considrer pour un tubage est la rsistance lcrasement. Elle est parfois donne par les fournisseurs sinon il faut la calculer. Le calcul des contraintes exerces sur un tubage mis en place dans un forage est beaucoup plus approximatif. La formule simplifie pour calculer la rsistance du tube lcrasement est sous la forme: Re = K.E.(e/D)3 Re = Rsistance en bars K = coefficient sans unit, pour le PVC K=2,43 (Tubafor) et pour les aciers K=2,2 E = Module dlasticit du matriaux 20 en bar, pour le PVC 3.104 et les aciers 2.106 e = paisseur du tube D = diamtre extrieur Pour les tubes crpins, il faut multiplier les valeurs calcules par ces formules par le coefficient 1-F avec F = pourcentage des vides. Pour les cas particuliers, il faut se rfrer au fournisseur (crpines Johnson etc..). Le calcul des contraintes, cest dire la pression latrale exerce sur le tubage est estime gnralement par: - le poids spcifique des terrains, avec une composante horizontale du tenseur des forces gale la moiti de la composante verticale qui est gale au poids des

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terrains meubles, secs ou saturs (poids spcifique de 2 2,5). On considre alors que les terrains durs nexercent pas de pression latrale. - la pression due la prsence deau ou de boue dans le forage (la pression hydrostatique en bar est gale P = H d/10). Par exemple, si le niveau statique est proche du sol, et les formations meubles la contrainte horizontale serait alors de 20 bars pour 100 mtres de profondeur (poids des sols divis par 2 + 10 bars de pression hydrostatique). Mais compte tenu de la faible section des forages, lquilibre des parois est difficile tudier car il faudrait faire intervenir leffet de vote. En rgle pratique, seul la pression hydrostatique statique et dynamique sera prise en compte : laitier de ciment, descente de tubage ferme, fort rabattement au dveloppement. Pour les forages faible profondeur dans les terrains durs du socle, lexprience montre quil suffit de considrer une contrainte horizontale de 0,75 bars par tranche de 10 mtres. Un tubage de rsistance de 7,5 bars peut tre mis en place dans un forage de 100 mtres.

6.1.2 Mise en place du tubage Les risques deffondrement pouvant tre 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 crpins) est tabli en fonction de la coupe gologique du forage ou sont notes les diffrentes "couches" de terrain et les venues deau, ainsi quen observant de visu la coupe gologique grce aux chantillons. Des essais de diagraphie (rsistivit lectrique, gamma ray, neutron) peuvent tre effectus avant lquipement pour amliorer le plan de captage, spcialement dans les formations sdimentaires (forage rotary) o il est parfois difficile didentifier les horizons argileux. Les crpines sont places en face des niveaux aquifres ou des venues deau. Par ailleurs, le plan respectera les points suivants : - le bas du tubage doit tre constitu d'un tube plein denviron 0.5 mtre bouch sa base (tube dcanteur). - le tubage ne descend pas toujours jusquau fond du forage (dpts des cutting en suspension dans la boue lors de larrt de la circulation ou- 52 -

Le forage

parfois effondrement), il faut donc en tenir compte en rduisant la longueur du tubage de 0.5 1 mtres par rapport la profondeur relle fore. - le dernier tube doit dpasser d'environ 0.5 mtres au dessus de la surface du sol. Les longueurs de tube pouvant varier avec le filetage, il est conseill de mesurer chaque longueur de tube pour tablir un plan prcis avec un captage correcte de laquifre. Le tubage doit descendre librement sous son propre poids dans le trou. Si le forage n'est pas vertical (frquent au del de 20 mtres), il est frquent que les frottements le long du tube bloquent la mise en place du tubage. Ceci peut tre rsolu en appuyant lgrement sur le tubage pour quil descende. Dans le cas contraire, il faut le remonter et ralser le trou. Une mthode alternative consiste descendre le tube sans bouchon de fond pour quil puisse rip le long des parois. Il sera recommand de boucher le fond du forage en faisant descendre du ciment depuis la surface.

6.2 Le gravier filtre, et la cimentation6.2.1 Mise en place du massif filtrant Le gravier filtre doit tre assez uniforme, calibr, propre, rond et siliceux de prfrence. Il ne doit pas tre calcaire, latritique ni concass. Dans la pratique, la granulomtrie du gravier filtre est dfinie par l'ouverture de la crpine : le gravier doit tre le plus fin possible sans pour autant passer au travers de la crpine. A titre dexemple, pour une ouverture de crpine de 0.8 mm, la taille des plus petits graviers doit tre de 1 mm et celle des plus gros 3 mm. Le gravier descend dans lespace annulaire le long du tubage. L'emploi d'un tablier (tle ou bche plastique) facilite son introduction. Le gravier peut rester bloqu et former un pont qui obstrue lespace annulaire. Dans ce cas, la mise en route dune circulation deau ou de boue peut permettre de faire descendre le gravier. Une remonte de boue par le tube de forage indique que le gravier descend correctement. Lorsque le niveau du gravier atteint le haut des crpines, la- 53 -


boue ne remonte plus par le tube de forage mais continue remonter par lespace annulaire. Le massif de gravier doit dpasser le haut des crpines sur quelques mtres. Son niveau peut tre contrl laide dune sonde pizomtrique pour les forages peu profonds. Le volume ncessaire de gravier peut tre dfini thoriquement (volume du trou for moins volume du tubage) ou de manire empirique Cf. Box, mais est toujours infrieur au volume rel mis en place (trou non rectiligne, cavitation). La table ci dessous donne les volumes indicatifs en fonction du diamtre.VOLUME DE GRAVIER (en litre par mtre linaire) DIAMETRE DE DIAMETRE DU THEORIQUE PREVISIBLE FORAGE TUBAGE (formule empirique) 3"3/4 1"1/2 9.45 16 3"3/4 2" 8.05 15 5"3/4 4" 13.65 20 6"1/2 4" 21 30 6"1/2 4"1/2 17.6 25 Box 5: volume du gravier Calcul du volume du massif de gravier, daprs la formule empirique: V = h x 0.8 x (D2 - d2) avec : V = Volume de gravier, en litres h = hauteur du massif de gravier, en mtres D = Diamtre du trou, en pouces d = diamtre des tubes, en pouces

6.2.2 La cimentation La cimentation est une opration indispensable qui permet de protger le forage des pollutions extrieures; mme si une dalle est par la suite construite autour du tube de forage, seule une cimentation correcte peut prvenir les coulements prfrentiels d'eau d'infiltration qui peuvent se dvelopper le long du tubage. Un bouchon dargile doit tre mis entre le gravier filtre et le ciment, afin dviter que le laitier de ciment colmate le massif filtrant.

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Le forage

Prparation du lait de cimentCette opration consiste remplir avec un mlange eau + ciment (laitier de ciment) l'espace annulaire au dessus du massif de gravier jusqu' la surface du sol. Le dosage est d'environ 50 litres d'eau pour 100 kg de ciment, ce qui donne 75 litres de laitier. Si vous disposez de bentonite, utiliser le mlange suivant : 70 litres d'eau, 4 kg de bentonite et 100 kg de ciment; ce mlange vitera l'eau de filtrer hors du ciment, mais le temps de prise sera lgrement suprieur.

Mise en placeProcder de la mme faon que pour la mise en place du gravier filtre. Remplir l'espace annulaire jusqu'au niveau du sol, et laisser scher un minimum de 12 heures avant d'effectuer les oprations de dveloppement. La cimentation doit tre faite en rgle gnrale avant les essais de pompage. Cependant, lorsquil nest pas possible d'attendre 12 heures, il est toujours possible de faire une cimentation aprs les oprations de dveloppement et d'essais de pompage, dans la mesure o un bouchon dargile a t dpos au dessus du gravier filtre.

7. LE DEVELOPPEMENT

7.1 Le nettoyage du forageAu rotary la boue, il sagit de laver les parois du forage leau claire pour liminer le "cake". Lidal est dallger la boue autant que possible sans pour autant risquer deffondrer le forage juste avant la mise en place de lquipement. Une fois tub, linjection deau propre depuis la surface permet de rincer abondamment les crpines et le gravier filtre qui sont colmats avec la boue de forage. On alternera les phase de rinage et les phases de pompage par air lift dans le forage pour sortir de leau claire.

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Au MFT, la technique utilise na pas colmat laquifre, au contraire le forage a t dvelopp par les soufflages successifs au cours de son fonage. Une fois tub et nettoy, le forage pourrait tre exploit comme a, mais nous risquerions daspirer beaucoup de sable et d'endommager le matriel de pompage, voir de provoquer des affaissement de sols autour des crpines et nous ne tirerions pas toute leau que laquifre est susceptible de fournir. Il sagit donc de procder au dveloppement de louvrage.

7.2 Le dveloppementLe dveloppement dun forage est une tape trs importante qui permet d'liminer la plupart des particules fines du terrain et du gravier filtre qui pourraient pntrer dans le forage ainsi que le reste du cake de boue et d'arranger le terrain autour de la crpine afin d'en augmenter la permabilit. Cette opration permet d'augmenter de faon significative le dbit du forage initialement estim. La nappe est en effet progressivement mise en production, l'aquifre est libr de ses fines, la permabilit et le dbit instantan augmentent.Box 6: gradient et permabilit Le gradient hydraulique i, est proportionnel la vitesse la vitesse du flux et inversement proportionnel la comme la permabilit. Le gradient diminue si la permabilit augmente. daprs la loi de Darcy : K = Q/Si avec K = coefficient de permabilit Q = dbit S = section traverse i = gradient hydraulique et i = h/d, avec h rabattement et d distance par rapport au forage. Le gradient croit lorsque lon se rapproche du forage et cest donc sur la zone qui entoure le forage que le dveloppement doit agir.

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Le forage

7.2.1 Lauto-developpement Une formation aquifre mise en production par un forage se dveloppe automatiquement en pompage. Le rabattement est maximum dans le forage et dcrot au fur et mesure que lon sloigne. Cest le cne de dpression. La dimension de ce cne dpend de la nature du terrain, de lalimentation de la nappe ou de ses limites, ainsi que du temps et du dbit de pompage. Nous pourrions dmontrer que la vitesse de leau dcrot au fur et mesure que lon sloigne du forage daprs la loi de Darcy, et donc quil va seffectuer un classement des matriaux autour du forage sous linfluence du pompage. Les matriaux les plus gros se placeront autour de la crpine et les plus fins la limite de la zone dinfluence. Les fines seront donc aspires dans la crpine, au fil du temps mais ce processus est long et dtriore les pompes. De plus, il se forme des ponts de sable, matriaux fins qui saccumulent entre eux sous leffet du flux et se consolident. Pour les casser il faut inverser le flux, dou l'intrt de provoquer des effets de dpression (aspiration) suivi de pression (arrt brusque) et cela est lobjet mme de lopration de dveloppement. 7.2.2 Les procds de dveloppement Il existe plusieurs moyens qui soffrent nous pour oprer un dveloppement, notons: - le surpompage - le pompage altern - le dveloppement pneumatique. Le dveloppement par surpompage, consiste mettre provisoirement le forage en production par un pompage un dbit suprieur celui de lexploitation future. Lensemble des fines et des sables de la zone de pompage sera entran par ce surpompage et le forage pourra tre exploit un rgime infrieur. Cest donc un moyen de nettoyer le forage de ces fines, mais la capacit de laquifre na pas forcment t exploite en totalit. Les ponts de sable nont pas t dtruits.

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Le pompage altern, consiste aussi mettre le forage en production, avec en plus des arrts brusques de la pompe qui provoquent la chute de la colonne deau agissant sur laquifre par des variations de pression qui ont pour effet de dvelopper laquifre. Le dveloppement pneumatique (lair lift) est le plus efficace et le plus rpandu. Lavantage est que le matriel de pompage ne subit pas de dtrioration (pompage de sable). Il sagit de faire subir au captage des contraintes assez fortes dans toutes les directions, pression et dpression en introduisant dimportant volumes dair et de mettre en production louvrage par air lift. Lopration consiste alterner les phases de pompage lair lift et les phases de soufflage direct dair au niveau des crpines. Pratiquement, cela consiste introduire deux tuyaux dans le forage : - un tuyau galvanis ou PVC 1"1/2 appel tuyau d'eau, par lequel l'eau pompe remontera la surface, - un tuyau polythylne mont sur une toupie appel tuyau d'air qui est introduit dans le tuyau d'eau et qui injecte de l'air comprim. En fonction de sa position l'intrieur du tuyau d'eau, il permettra de pomper l'eau du forage ou de souffler l'infrieur du tubage.

pompage- descendre le pied du tube d'eau 0.60 m environ du fond du forage; - descendre le tube d'air dans le tube d'eau, en le bloquant environ 0.30 m au dessus du tube d'eau (position de pompage) avec une pince tau; - installer un t la sortie du tube d'eau pour canaliser le jet. Pour assurer l'tanchit tube d'air / tube d'eau , bourrer un chiffon ou utiliser une pice en caoutchouc (tongue) mise en compression par le poids du tube d'air; - Ouvrir l'air et laisser s'couler l'eau pompe, jusqu' ce qu'elle soit claire.

Soufflage :- fermer l'air; et descendre le pied du tube d'air environ 0.30 m en dessous du tube d'eau, soit 0.60 m plus bas que prcdemment (position de chasse d'air); - ouvrir la vanne d'air : l'eau contenue dans le casing est pulse; - refermer et rouvrir brusquement la vanne dair plusieurs fois.

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Le forage

Pompage- remonter ensuite le tube d'air de 0.3 m l'intrieur du tube d'eau : l'eau jecte est trs trouble (renversement de flux donc turbulence dans la formation autour de la crpine).

Renouveler l'opration sur toute la hauteur de la crpine- quand l'eau est redevenue claire, remonter le tube d'eau de 1 m et recommencer les oprations (alternance pompage et soufflage) sur toute la hauteur de la crpine; - recommencer ensuite en repartant du bas, et continuer le processus jusqu' ce que l'eau sorte claire.

Terminer par un nettoyage du casingLorsque vous tes arrivs au dessus de la crpine, redescendre le dispositif en fond de forage et pomper pour sortir le sable dpos dans le fond. Si votre forage est colmat par de l'argile, la bentonite, vous devez rincer le forage de la faon suivante: placer vos tubes en fond de forage, en position de soufflage (tube d'air en dessous du tube d'eau); connecter le refoulement de la pompe boue sur le tube d'eau refouler de cette manire de l'eau propre dans le forage en mme temps que vous soufflez de l'air. Une circulation qui va rincer le forage se cre ainsi : l'eau descend par le tube d'eau et remonte par le casing. Pour des forages de petits diamtres, 1"1/2 ou 2", un test de soufflage simple permet nanmoins de confirmer ou d'infirmer la prsence d'eau. La mthode consiste souffler partir du bas du forage par phases successives jusqu'au dessus de la crpine. Le dveloppement n'est termin que lorsque l'eau qui sort du forage est parfaitement claire, lopration peut durer plusieurs heures. Pour vrifier si leau est claire, la recueillir dans un seau et observer les ventuelles matires en suspension.

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Acti

acf le forage 2004

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