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Matériels de terrain

Matériels de terrain

La gamme d’ensembles de carottage glaciaire, permettant des forages rapides de faible profondeur ( 100 m) comme l’extraction de carottes de près de 4000 m, est l’héritage d’une expérience technique et de terrain de plus de 30 ans. En particulier, les membres de cette équipe ont été fortement impliqués dans le développement et la mise en oeuvre des ensembles de forage grande profondeur dans le cadre des projets européens EPICA (forage de 3200 mètres sur le plateau Antarctique), NEEM (Groenland, 2500 mètres) ou NorthGrip (Groenland, 2600 m).


Principe de fonctionnement d’un ensemble de forage glaciaire


Un ensemble de carottage avec son carottier, son treuil et son câble :

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.


Schéma de principe d’un carottier :

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.


Maquette 3D de carottier :

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. L’ensemble de ces éléments est à l’intérieur d’un tube appelé tube extérieur (ou outer tube, noté 1 sur la figure ci-dessous).


Tube extérieur d’un carottier :

Le moteur électrique va entraîner en rotation l’arbre creux (hollow shaft, noté 4 sur la figure ci-dessous) sur lequel est monté un « booster » (noté 3) 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, noté 2) 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.


Parties intérieures d’un carottier :

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 (via une pompe ou via un booster). 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.


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 varie entre un et quatre mètres (en fonction du carottier utilisé). 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 1 mètre par seconde
  • Temps de maintenance à la surface = 15 à 20 minutes.


Ensembles de forages ou de logging disponible au C2FN-glaciologie

Carottiers
Item Description Capacité de forage - carottage Diamètre de carotte Localisation actuelle Statut
Carottier de surface (forpossum) Ensemble avec treuil et câble 20 mètres (sans fluide) 50 mm Dôme C Opérationnel
Carottier léger altitude Ensemble avec treuil et câble utilisé pour les forages dans les Alpes françaises, les Andes ou le Caucase 200 mètres (sans fluide de forage) 98 mm IGE Opérationnel
Carottier 200 mètres (Trapanelle) Utilisé à de très nombreuses reprises depuis 1996, disponible avec treuil et câble 200 mètres (sans fluide de forage) 101 mm Dôme C Opérationnel (maintenance prévue en 2019)
Carottier 200 mètres Disponible avec treuil et câble, utilisé depuis 2005 200 mètres (sans fluide de forage) 98 mm IGE En cours de maintenance (jusqu’à fin 2019)
Carottier James Ross Disponible avec treuil et câble, utilisé en Antarctique et dans les Alpes depuis 1998 350 mètres (immergé ou sans fluide de forage) 98 mm Dôme C Opérationnel
Carottier Berkner Disponible avec treuil et câble (ces deux derniers sont localisés à Cambridge), utilisé pour du carottage de moyenne profondeur 1500 mètres (immergé) 98 mm IGE / BAS (Cambridge) Opérationnel
Sondes de forage destructif rapide
Item Description Capacité de forage - carottage Diamètre de carotte Localisation actuelle Statut
Sonde à eau chaude Sonde avec treuil et flexible permettant de réaliser des forages glaciaires très rapides, essentiellement utilisée dans les Alpes 200 mètres (pas de carotte) IGE Opérationnel
Sonde SUBGLACIOR Ensemble permettant de forer dans la glace jusqu’à de grandes profondeurs tout en réalisant des mesures (concentration CH4 et isotopes de l’eau), en phase de mise au point 4000 mètres (immergé) Pas de carotte, donnée en temps réel Dôme C En phase de test
Loggers de mesures géophysiques
Item Description Capacité de forage - carottage Diamètre de carotte Localisation actuelle Statut
Logger de températures Ensemble (avec treuil et câble) permettant de mesurer la température des trous de forage avec une précision de 1/100ème de degré 4000 mètres (immergé) Dôme C En phase de test
Logger de mesures géophysiques Permet de mesurer pression, températures, diamètre, orientation et inclinaison dans les trous de forage 4000 mètres (immergé) Dôme C Opérationnel
Logger sonique Permet de faire des mesures de fabrique dans les trous de forage, en phase de test 2000 mètres (immergé – 200 bars) Dôme C En phase de test
Outils logistiques
Item Description Capacité de forage - carottage Diamètre de carotte Localisation actuelle Statut
Caravanes pour traverses scientifiques Permettent de carotter et d’effectuer certaines analyses et mesures géophysiques, dans le cadre de traverses scientifiques Dôme C Opérationnelles