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Matériels de terrain

Matériels de terrain

Depuis plus de 20 ans, les services techniques du Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement, puis plus récemment le C2FN-glaciologie, a développé toute une gamme d’ensemble de carottage glaciaire permettant de réaliser des trous de quelques mètres à 4000 mètres. Les membres de cette équipe ont été fortement impliqués dans le développement des ensembles de forage grande profondeur dans le cadre des projets européens EPICA (forage de 3200 mètres sur le plateau Antarctique), NEEM (forage en cours au Groenland -objectif 2500 mètre-) ou NorthGrip (forage de 2600 mètres au Groenland).

1) Principe de fonctionnement d’un ensemble de forage glaciaire

Un ensemble de forage polaire est constitué d’un carottier avec son treuil, son câble et sa tour. Le carottier est suspendu dans le trou de forage par un câble électroporteur. Le câble électroporteur est constitué d’une âme contenant plusieurs conducteurs électriques servant à alimenter le moteur du carottier et de conducteurs permettant le transfert de données entre l’engin de forage et la surface.

Ce câble est fixé au carottier au niveau de la partie appelée suspension où sont montées trois lames anti-couple destinées à empêcher le carottier de tourner sur lui même (sous l’effet de la rotation de la tête de forage). La partie supérieure du carottier est ensuite constituée d’un compartiment moteur et (suivant la solution retenue) d’un compartiment électronique qui mesure les paramètres de forage et qui les transmet à la surface sur un pupitre de commande.

Dans le cas des forages à des profondeurs supérieures à 500 mètres, le trou de forage est rempli par un fluide afin de maintenir la pression hydrostatique de la glace. Si la densité du fluide est égale ou légèrement supérieure à celle de la glace, le trou ne peut théoriquement plus se refermer.

La partie centrale est constituée d’un réservoir servant à stocker les copeaux de glace (Chip chamber). Sous ce réservoir se trouve le tube qui va recevoir la carotte. La tête porte-outils est fixée à l’extrémité de ce tube. La glace est coupée par des couteaux situés dans un plan horizontal en partie basse de cette tête.

Le moteur électrique va entraîner en rotation l’arbre creux (hollow shaft) sur lequel est monté un « booster » ou une pompe volumétrique. Sous l’effet de cette rotation, la pompe ou le « booster » permettront de créer une circulation du mélange fluide/copeaux. Le tube carottier (core barrel) et la tête de forages sont mécaniquement liés à cette pompe et sont donc entraînés avec la même vitesse de rotation. C’est la rotation de la tête et des outils qui y sont fixés qui permet l’usinage d’une carotte de glace.

Schéma de principe d’un carottier électromécanique :

Il faut porter une attention particulière à la récupération des copeaux de glace générés par l’usinage de la carotte. Leur récupération est indispensable. Sans cela, ils risqueraient de rester en suspension dans le fluide ou de s’accumuler dans le fond du trou, ce qui, dans les deux cas, peut perturber les passes ultérieures ou provoquer un coincement du carottier. Plusieurs techniques peuvent être envisagées pour récupérer ces copeaux. Elles reposent toutes sur le principe d’aspiration du mélange fluide copeaux. Dans tous les cas, le mélange est ensuite filtré et les copeaux sont stockés dans la partie appelée « réservoir à copeaux » pour être remontés à la surface.

Il faudra enfin veiller à ce que la circulation du fluide se fasse correctement jusqu’aux outils de coupe afin d’éviter l’apparition de zones mortes dans la partie basse de la tête du carottier. De telles zones où la circulation du mélange fluide copeaux ne se fait pas, ou en tout cas pas correctement, sont dangereuses et peuvent nuire au bon fonctionnement du carottier.

Photos de tête de carottier :

On appelle « une passe » la succession des opérations suivantes :

  • La descente du carottier au fond du trou
  • Le forage non destructif du trou et la récupération de la carotte de glace
  • La remontée à la surface du carottier et de la carotte
  • La sortie de la carotte et la préparation du carottier pour la passe suivante.

La longueur d’une carotte est environ de deux mètres. Il est donc nécessaire de réaliser plusieurs centaines de passes pour réaliser un forage de 1000 à 4000 mètres. L’usinage d’une carotte ne prend qu’une quinzaine de minutes (vitesse de forage de 4 mm par minute). L’essentiel du temps nécessaire pour réaliser une passe réside dans les temps de descente et de remontée du carottier ainsi que dans le temps de maintenance en surface. Ainsi, à la profondeur de 1000 mètres, une passe nécessite plus d’une heure et demie.

  • Vitesse de descente/montée comprise entre 0,6 et 0.8 mètre par seconde
  • Temps de maintenance à la surface = 20 à 30 minutes.

2) Ensembles de forages ou de logging disponible au C2FN-glaciologie

Nom de l’ensemble Caractéristiques Situation actuelle, localisation
Carottier VANISH Carottier ultra léger pouvant forer jusqu’à 20 mètres de profondeur. Utilisable sur traverse, nécessitant peu de moyens logistiques. Maintenance au LGGE avant utilisation sur la traverse scientifique entre Dôme C et Vostok en 2010/2011.
Carottier 200 mètres Carottier léger pouvant forer jusqu’à 200 mètres. Ensemble disponible avec treuil. Sur site à Dôme C. Doit être utilisé en 2010/2011 sur le site de Dôme C pour réaliser 5/6 forages jusqu’à 120 mètres.
Nouveau carottier 200 mètres Nouvel ensemble réalisé en 2007. Ensemble léger pouvant forer jusqu’à 200 mètres. Ensemble disponible avec treuil. Sur site à Dôme C. Doit être utilisé en 2010/2011 sur le site de Dôme C pour réaliser 5/6 forages jusqu’à 120 mètres. Doit être renvoyé à Grenoble en fin de saison 2011 pour maintenance.
Carottier James Ross Ensemble de forage intermédiaire pouvant forer jusqu’à 400/500 mètre. Ensemble pouvant forer à sec ou immergé. Ce carottier ne possède pas de treuil propre mais peut être utilisé avec les treuils des carottiers EXPLORE ou BERKNER. En cours de maintenance à Grenoble. Doit être envoyé en Antarctique en fin d’année 2010 pour une utilisation en péninsule Antarctique (en collaboration avec le British Antarctic Survey) en 2011/2012.
Carottier EXPLORE Ensemble de forage intermédiaire pouvant forer jusqu’à 400/500 mètre. Ensemble pouvant forer à sec ou immergé. Ce carottier a un treuil propre (avec 450 mètres de câble sur le touret) mais peut aussi être utilisé avec les treuils du carottier BERKNER. A été envoyé en Antarctique cet hiver. Doit être utilisé dans le cadre du projet franco-russe Explore (forage de 400 mètres à 200 km de la station russe VOSTOK).
Carottier BERKNER Carottier profond, pouvant forer jusqu’à 1500 mètres. Carottier ayant son propre treuil (avec 1200 mètres de câble sur le touret). Stocké dans les locaux de l’ENEA en Italie, en cours de rapatriement à Grenoble pour maintenance.
Sonde de forage à eau chaude Sonde de forage destructif rapide à eau chaude sous pression. Sonde avec treuil et flexible dédiés (300 mètres sur le touret) Sur le bateau, retour d’Antarctique. Maintenance prévue à Grenoble en mai pour utilisation dans les Alpes cet été.
Sonde de mesure de températures Sonde de mesure de température dans les trous de forage. Précision du 1/10ème de degré en absolue (1/100ème en relatif). Sonde avec treuil dédié (4000 mètres de câble sur le touret) Sur le site de Dôme C.