Lernzettel: Techniques de forage pour l'eau souterraine

📋 Plan du Cours

1. Prospection des ressources en eau souterraine
2. Forage d’eau : définition et objectifs
3. Sondage de reconnaissance : données et essais
4. Implantation d’un forage : critères et cartes
5. Télédétection et méthodes géophysiques de surface
6. Diagraphies en forage : PS, résistivité, gamma
7. Sondage à l’air : principe, avantages, limites
8. Forage à l’air en circulation inverse
9. Forage au rotary : matériel et étapes
10. Boue de forage : rôles et propriétés

📖 1. Prospection des ressources en eau souterraine

🔑 Notions clés & Définitions

• Forage d’eau : Un forage d’eau est un puits de petit diamètre creusé mécaniquement par une foreuse, en terrain consolidé ou non consolidé.
• Sondage de reconnaissance : Un sondage de reconnaissance est une étape préalable qui collecte des données pour caractériser quantitativement l’aquifère avant d’implanter des forages d’exploitation.
• Forage d’exploitation : Un forage d’exploitation est l’ouvrage réalisé pour prélever l’eau d’un aquifère identifié et caractérisé par les reconnaissances.
• Aquifère : Un aquifère est une formation géologique capable de fournir de l’eau, caractérisée par ses propriétés hydrauliques et géologiques.
• Piézomètre : Un piézomètre est une installation servant au contrôle des variations de niveau liées au fonctionnement de l’aquifère.

📝 Points essentiels

• Un forage d’eau est coûteux, donc il doit viser la meilleure performance, le maximum de prélèvement et la plus longue durée de vie possible.
• La prospection inclut des études géologiques et géophysiques, ainsi que la télédétection et les SIG pour aider à localiser les aquifères.
• La prospection par sondages et forages sert à définir quantitativement les caractéristiques de l’aquifère et à faciliter l’implantation des forages d’exploitation.
• Un sondage de reconnaissance fournit des informations sur la coupe géologique, le potentiel hydraulique (débit fourni) et la cartographie des ressources dans des zones mal connues.
• Les résultats de reconnaissance permettent de confirmer l’existence et l’importance de l’aquifère et de produire une cartographie de sa position.
• En reconnaissance, les méthodes les plus utilisées sont le forage à l’air et le rotary à la boue (dans un cas bien précis).

💡 Astuce mémo

Reconnaissance d’abord : SR = coupe + débit + carto, puis FE = exploitation ; piézomètre = suivi.

📖 2. Forage d’eau : définition et objectifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Analyse granulométrique : Analyse de la taille des grains d’un matériau rocheux pour caractériser la texture du milieu aquifère.
• Porosité : Propriété d’un aquifère qui mesure la part de volume occupée par les vides interconnectés.
• Perméabilité : Propriété qui décrit la facilité avec laquelle l’eau circule dans un milieu poreux ou fissuré.
• Piézomètre : Ouvrage de mesure installé dans l’aquifère pour suivre les variations du niveau piézométrique.
• Diagraphies : Mesures réalisées dans le forage pour décrire les caractéristiques du sous-sol le long de la profondeur.

📝 Points essentiels

• Les objectifs du forage incluent des prélèvements de roches pour l’analyse granulométrique, la porosité et la perméabilité.
• Le forage vise aussi des observations géologiques directes pour préciser la structure de l’aquifère, sa géométrie et sa lithologie.
• Des prélèvements d’eau sont réalisés pour des analyses chimiques, bactériologiques et isotopiques.
• Des piézomètres sont installés pour contrôler les fluctuations de la nappe.
• Des essais de perméabilité sont menés en cours et en fin de foration afin d’obtenir les caractéristiques hydrodynamiques de l’aquifère.
• Des points d’injection ou de collecte de traceurs servent à caractériser le comportement de l’eau dans le système souterrain.

💡 Astuce mémo

Roches→granulométrie/porosité/perméabilité ; Eau→chimie/bactéries/isotopes ; Nappe→piézomètres ; Forage→diagraphies ; Hydrodynamique→essais + traceurs.

📖 3. Sondage de reconnaissance : données et essais

🔑 Notions clés & Définitions

• Gravimétrie : Méthode géophysique de surface qui infère la structure des terrains en mesurant des anomalies de densité du sous-sol.
• Sismique : Méthode géophysique de surface qui déduit la nature et la structure des terrains à partir de la propagation des ondes dans le sous-sol.
• Diagraphies en forage : Enregistrements réalisés en fonction de la profondeur pour caractériser les terrains rencontrés et les aquifères à équiper.
• Polarisation spontanée PS : Mesure de diagraphie qui enregistre un signal électrique lié aux conditions du sous-sol et aide à interpréter les terrains.
• Marteau Fond de Trou MFT : Outil de forage qui frappe un taillant pour détruire le rocher, avec des pointes en carbure de tungstène.

📝 Points essentiels

• Les méthodes géophysiques de surface déduisent la nature et la structure des terrains en mesurant une caractéristique physique du sous-sol.
• Les méthodes de surface les plus utilisées sont la gravimétrie, la sismique, l’électrique et l’électromagnétisme (VLF).
• Les diagraphies en forage servent à préciser les cotes des terrains rencontrés et la nature des terrains aquifères pour optimiser l’équipement.
• Les diagraphies enregistrent en fonction de la profondeur la polarisation spontanée (PS), la résistivité et les rayons gamma (GR).
• Pour un aquifère connu, l’implantation d’un forage tient compte des zones de productivité maximum, de la qualité de l’eau, des interférences, de la distance d’utilisation, de l’altitude de la zone à alimenter et des Fl u
• La méthode MFT repose sur un marteau fond de trou frappant un taillant muni de pointes en carbure de tungstène pour détruire le rocher.

💡 Astuce mémo

MFT = Marteau frappe, Taillant coupe, Air souffle les débris : PS–Résistivité–GR = lecture en profondeur.

📖 4. Implantation d’un forage : critères et cartes

🔑 Notions clés & Définitions

• Sondage à l’air : Méthode de foration où l’air comprimé alimente le marteau et remonte les déblais via le taillant et l’espace annulaire.
• Marteau fond de trou : Équipement entraîné par le train de tiges, qui réalise l’attaque et reçoit l’air comprimé pour son fonctionnement.
• Train de tiges : Ensemble de tiges transmettant le mouvement au marteau et assurant aussi la circulation de l’air nécessaire au fonctionnement.
• Cuttings : Débris rocheux produits par l’attaque, évacués vers la surface par le flux d’air (et l’eau rencontrée suit le même trajet).
• Tubage protecteur : Revêtement installé pour protéger le forage pendant le sondage, notamment lors de la réalisation avec tubage protecteur.

📝 Points essentiels

• L’air comprimé arrive par le train de tiges et sert au fonctionnement du marteau, puis s’évacue au travers du taillant pour souffler les débris vers la surface.
• L’eau rencontrée pendant la foration est évacuée à la surface de la même manière que les déblais.
• Le marteau est lubrifié par injection d’huile dans le circuit d’air comprimé.
• Le cycle de fonctionnement combine lubrification/refroidissement, remontée des cuttings, mouvement vertical va-et-vient et rotation du train de tiges.
• Avantage clé du sondage à l’air : exécution rapide, avec exemple de 100 m réalisé en une journée.
• Avantage clé du sondage à l’air : petit diamètre (150 mm) permettant d’atteindre environ 300 m de profondeur dans le cas cité.

💡 Astuce mémo

Air = Attaque + Évacuation : l’air alimente le marteau et remonte les cuttings.

📖 5. Télédétection et méthodes géophysiques de surface

🔑 Notions clés & Définitions

• Sondages de reconnaissance : Les sondages de reconnaissance sont des forages préliminaires utilisés pour caractériser le site avant de décider d’un forage d’exploitation.
• Perte de circulation : La perte de circulation correspond à l’arrêt ou au défaut de remontée du fluide (ici l’air) dans l’espace annulaire pendant le forage.
• Formation de bourrage : La formation de bourrage est l’accumulation de cuttings au fond du trou qui gêne l’évacuation et peut envelopper l’outil.
• Forage à l’air en circulation inverse au marteau fond de tr : Le forage à l’air en circulation inverse au marteau fond de trou est une technique où l’air injecté dans les tiges à double parois ressort près du marteau puis remonte les cuttings par le tube intérieur.
• Tiges à double parois : Les tiges à double parois sont des tiges coaxiales qui possèdent un tube extérieur et un tube intérieur pour organiser un circuit descendant et un circuit ascendant.

📝 Points essentiels

• En chantier, des incidents possibles incluent perte de circulation, perte d’outils au fond du trou et formation de bourrage.
• En cas de perte de circulation, l’air comprimé ne remonte plus dans l’espace annulaire.
• Quand la circulation d’air s’arrête, les gros cuttings peuvent retomber et envelopper le marteau, avec risque de retombée sur l’outil.
• Une insuffisance de débit d’air maintient les gros cuttings en suspension au-dessus de l’outil tandis que seuls les cuttings fins sont évacués en surface.
• La formation de bourrage est favorisée par la retombée des gros cuttings au fond du trou lors d’une interruption de circulation d’air.
• Le forage à l’air en circulation inverse injecte l’air sous pression dans l’espace annulaire des tiges à double parois, le fait sortir à hauteur du marteau, puis remonte les cuttings par le tube intérieur.

💡 Astuce mémo

Circulation inverse = Air sort près du marteau, cuttings remontent par le tube intérieur (gros cuttings = danger si l’air s’arrête).

📖 6. Diagraphies en forage : PS, résistivité, gamma

🔑 Notions clés & Définitions

• Diagraphie PS : Une diagraphie PS mesure les variations du potentiel spontané le long du trou pour aider à identifier les formations et leurs propriétés hydrogéologiques.
• Diagraphie résistivité : Une diagraphie de résistivité quantifie la résistance électrique des terrains afin d’inférer la nature des roches et la présence d’eau ou d’hydrocarbures.
• Diagraphie gamma : Une diagraphie gamma enregistre le rayonnement naturel des formations pour distinguer des lithologies et estimer leur teneur en éléments radioactifs.
• Circulation inverse : La circulation inverse est un mode de forage où l’air et les cuttings remontent par le circuit ascendant, améliorant la qualité et la vitesse d’information géologique.

📝 Points essentiels

• La circulation inverse réduit fortement le débit d’air nécessaire à la remontée des cuttings, avec un ordre de grandeur 5 à 6 fois plus élevé en circulation directe.
• La circulation inverse permet le forage d’ouvrages en gros diamètre avec des dépenses d’exploitation réduites.
• En circulation inverse, les cuttings sont complets, peu contaminés et recueillis quasi instantanément en surface à grande vitesse.
• Les arrivées successives de fluides sont individualisées et leurs caractéristiques physico-chimiques peuvent être identifiées.
• La circulation inverse est applicable à tous terrains du silt au rocher et constitue une solution en roches dures ou fracturées avec perte totale du fluide.

💡 Astuce mémo

PS = Potentiel Spontané, Résistivité = “ça résiste”, Gamma = “rayonnement naturel”.

📖 7. Sondage à l’air : principe, avantages, limites

🔑 Notions clés & Définitions

• Forage au Rotary : Technique de forage où un outil rotatif est entraîné par une table de rotation et où un fluide circule dans le forage pour remonter les déblais.
• Tricône : Outil de forage à molettes, aussi appelé tricônes, utilisé pour broyer et écraser la formation pendant la rotation.
• Carottier à couronnes diamantées : Outil de forage muni de couronnes diamantées, utilisé pour réaliser des carottes dans la formation.
• Boue benthonique : Fluide de circulation injecté dans le forage, dont la viscosité et la densité aident à évacuer les déblais par l’espace annulaire.
• Circulation normale : Mode de circulation où la boue arrive vers l’outil par l’intérieur des tiges et remonte les déblais par l’espace annulaire.

📝 Points essentiels

• La méthode est principalement utilisée dans les terrains sableux.
• Le matériel comprend un appareil de forage avec moteur de rotation, une table de rotation, un compresseur (air), 1 à 2 pompes à boue selon le diamètre, et un groupe électrogène.
• La garniture associe des tiges et des tiges-masses, ces dernières servent à fournir le poids sur le tricône.
• Le traitement de boue sur chantier inclut un dessableur et un tamis vibrant pour éliminer sables et déblais remontés.
• L’outil principal est un tricône entraîné en rotation par le train de tige fixé à la table de rotation.
• La boue arrive à l’outil par l’intérieur des tiges, puis les déblais sont évacués par l’espace annulaire grâce à la viscosité et à la densité du fluide.

💡 Astuce mémo

Tricône = broie, boue = remonte : intérieur des tiges → outil → annulaire.

📖 8. Forage à l’air en circulation inverse

🔑 Notions clés & Définitions

• Circulation inverse : Technique où le fluide remonte par l’espace annulaire, ce qui permet d’évacuer les déblais autrement que par une circulation directe.
• Boue benthonique : Boue de forage à base de bentonite injectée par pompes à boue, utilisée pour transporter les déblais vers l’extérieur.
• Cake de boue : Dépôt de boue sur les parois du forage qui colmate la porosité naturelle du terrain et peut masquer les venues d’eau.
• Développement du forage : Ensemble d’opérations après le forage visant à nettoyer et remettre l’aquifère en état de produire de l’eau.
• Diagraphies : Techniques de mesure en forage qui renseignent sur la présence d’eau et la porosité des aquifères recherchés.

📝 Points essentiels

• La boue arrive à l’outil par l’intérieur des tiges de foration puis évacue les déblais par l’espace annulaire.
• La viscosité et la densité de la boue permettent de maintenir l’évacuation des déblais pendant le forage.
• Quand les terrains ont une tenue correcte, la boue peut être remplacée par de l’air, plus facile à utiliser.
• La boue exerce une pression sur les parois et aide à résoudre de nombreux problèmes de forage, notamment en terrains sableux très éboulants.
• Le principal inconvénient pour l’hydrogéologue est le cake qui bouche la porosité et masque les venues d’eau.
• Le forage Rotary nécessite un atelier lourd, donc un investissement important et une main-d’œuvre qualifiée.

💡 Astuce mémo

Boue = pression + déblais, mais cake = porosité bouchée (venues d’eau masquées).

📖 9. Forage au rotary : matériel et étapes

🔑 Notions clés & Définitions

• Boues de forage : Suspensions d’argiles dans l’eau, pouvant recevoir des poudres et des produits chimiques liquides pour adapter leurs propriétés.
• Kaolinite : Minéral argileux dont un fort pourcentage rend les cakes de boue très épais.
• Bentonite : Argile gonflante vendue dans le commerce, dont le prix impose un mélange avec des boues ordinaires à faible pourcentage.
• Cake de boue : Dépôt formé sur les parois par la boue, qui contribue à la consolidation du trou de forage.
• Viscosité Marsh : Mesure de la viscosité obtenue via le temps de remplissage d’un récipient de 0,95 L après remplissage d’un entonnoir de 1,5 L.

📝 Points essentiels

• Les boues sont des suspensions d’argiles dans l’eau, avec ajouts possibles de poudres et de produits chimiques liquides.
• Quand la proportion de kaolinite augmente, l’épaisseur du cake devient très importante.
• Les argiles kaolino-illitiques sont utilisables, mais nécessitent l’ajout de carbonate ou de phosphate de soude.
• La bentonite est mélangée aux boues ordinaires à raison de 1% à 2% à cause de son prix élevé.
• Les rôles de la boue incluent maintien/consolidation des parois par le cake, remontée des cuttings, lubrification et refroidissement, et équilibre des pressions hydrostatiques pour limiter les jaillissements artésiens.
• La viscosité doit rester suffisante pour maintenir les petites particules en suspension et permettre l’application de la boue aux parois; elle conditionne aussi l’évacuation des déblais et la consolidation du trou.

💡 Astuce mémo

Cake épais = kaolinite haut; Trop visqueux = pompe difficile; Trop léger = consolidation faible.

📖 10. Boue de forage : rôles et propriétés

🔑 Notions clés & Définitions

• Densité de boue : La densité de la boue correspond à sa masse pour un volume donné et dépend de la concentration de la suspension.
• Composés métalliques alourdissants : Les composés métalliques ajoutés à la boue augmentent sa densité et modifient sa capacité à soutenir la pression.
• Balance BAROID : La balance BAROID est un appareil qui mesure la densité de la boue en comparant un échantillon de volume constant à un fléau gradué.
• Filtre presse BAROID : Le filtre presse BAROID sépare la boue en filtrat liquide et cake solide retenu par le filtre.
• pH de la boue : Le pH de la boue mesure le degré de contamination par le ciment ou par l’eau provenant des horizons aquifères.

📝 Points essentiels

• La densité de la boue dépend de la concentration de la suspension.
• On augmente la densité en ajoutant des composés métalliques comme hématite, pyrite, galène ou barytine.
• Une boue plus dense favorise l’ascension des sédiments dans l’espace annulaire et aide à équilibrer la pression d’un aquifère artésien.
• La densité se mesure avec la balance BAROID en pesant un échantillon de volume constant dans une coupelle cylindrique puis en lisant la valeur sur le fléau gradué après équilibrage.
• Le filtrat est la partie liquide libre et il influence le comportement des parois de l’ouvrage.
• Le cake est la partie solide retenue par le filtre et il joue un rôle inverse du filtrat en retenant le terrain sur le filtre presse.

💡 Astuce mémo

Densité = concentration + “métaux lourds” ; BAROID mesure ; filtre presse sépare : filtrat (parois) vs cake (terrain).

📊 Tableaux de synthèse

Méthodes de sondage de reconnaissance (air vs rotary à la boue)

Méthode	Fluide/circulation	Points clés
Sondage à l’air	Air comprimé (air évacué au travers du taillant)	Rapidité (100 m en une journée), petit diamètre (150 mm) ~300 m; limité en terrains de faible cohérence (faible maintien des parois) et près d’une contre-pression liée à une colonne d’eau.
Rotary à la boue (cas bien précis)	Boue benthonique (pompes à boue)	Boue résout de nombreux problèmes de forage et permet la foration de tout types de terrains (notamment sableux très éboulants); principal inconvénient: cake qui bouche la porosité et masque les venues d’eau.

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre sondage de reconnaissance (SR) et forage d’exploitation (FE): le SR sert à recueillir des données (coupe, potentiel hydraulique, cartographie) avant l’implantation du FE.
2. Croire que les diagraphies servent uniquement à trouver l’eau: elles précisent aussi les cotes des terrains et la nature des terrains aquifères pour optimiser l’équipement.
3. Mélanger PS, résistivité et gamma: PS correspond au potentiel spontané, la résistivité à la résistance électrique, et le gamma au rayonnement naturel.
4. Penser que la circulation inverse est “plus simple” sans risque: si l’air s’arrête en circulation directe, les gros cuttings retombent et peuvent envelopper le marteau; en circulation inverse, le principe de remontée par
5. Oublier que le cake de boue masque les venues d’eau: en rotary, le cake consolide mais bouche la porosité naturelle, ce qui est un problème majeur pour l’hydrogéologue.
6. Confondre viscosité Marsh et densité: la viscosité (35–40 s pour une bonne boue) conditionne la suspension/évacuation, tandis que la densité (balance BAROID) conditionne l’équilibrage des pressions et le maintien du trou
7. Croire que la télédétection remplace les études géologiques: elle aide (zones sèches/humides, végétation, linéaments/accidents tectoniques) mais ne remplace pas la reconnaissance par sondages/forages.

✅ Checklist Examen

1. Définir un forage d’eau (puits de petit diamètre creusé mécaniquement par foreuse, terrain consolidé ou non) et expliquer pourquoi il doit être performant, prélever au maximum et durer le plus longtemps possible.
2. Expliquer la logique SR → FE: ce que le sondage de reconnaissance (SR) collecte (coupe géologique, potentiel hydraulique/débit, cartographie) et ce que permettent les résultats (existence/importance de l’aquifère, carto,
3. Lister les données de reconnaissance à partir du cours: prélèvements de roches (granulométrie, porosité, perméabilité), observations géologiques directes (structure, géométrie, lithologie), prélèvements d’eau (chimie, bi
4. Citer les moyens de contrôle/essais en reconnaissance: installation de piézomètres, essais de perméabilité en cours et en fin de foration, points d’injection/collecte de traceurs, et diagraphies.
5. Donner les critères d’implantation d’un forage dans le cas d’un aquifère connu: zones de productivité maximum, qualité de l’eau, interférences, distance d’utilisation, altitude de la zone à alimenter, fluctuations du
6. Décrire l’apport des cartes piézométriques (zones de faibles gradient hydraulique, zones de drainage) et l’apport de la photo-interprétation (fracturation en milieu fissuré, réseau hydrographique et perméabilité).
7. Expliquer la télédétection telle que définie au cours (recueil par satellites, distinction zones sèches/humides et végétation, recherche de structures/contacts anormaux/accidents tectoniques, exemple Landsat linéaments).
8. Décrire les méthodes géophysiques de surface et leur principe général (mesurer une caractéristique physique du sous-sol pour déduire nature/structure) et citer les plus utilisées: gravimétrie, sismique, électrique, VLF.
9. Lister les diagraphies en forage et leur but: PS, résistivité, rayons gamma, en précisant que l’objectif est de préciser les cotes et la nature des terrains aquifères pour optimiser l’équipement.
10. Expliquer le principe du sondage à l’air avec MFT: marteau fond de trou frappant un taillant avec pointes en carbure de tungstène, air fourni par le train de tiges, évacuation des déblais par le taillant, eau évacuée de
11. Donner les avantages et limites du sondage à l’air: rapidité (100 m/jour), petit diamètre (150 mm) ~300 m, et limites (terrains de faible cohérence, éboulements au-dessus du marteau, contre-pression liée à une colonne d’
12. Expliquer les incidents de chantier en forage à l’air (perte de circulation, perte d’outils, formation de bourrage) et relier perte de circulation/arrêt d’air à la retombée des gros cuttings et au risque d’enveloppement.