LES SONDAGES
Ces notes sur les sondages ne sont que des jalons pour introduire des notions élémentaires pratiques sur les opérations de forage et sur l'utilisation des données. Le livre de Peters (p. 431-460) expose les notions importantes pour l'exploration, mais les données techniques se retrouvent dans les documents suivants:
Cumming, J.D. and Wicklund, A.P., 1985. Diamond Drill Handbook. Publié par J.K. Smit, Toronto (première ed. 1956). Reedmann, (op. cit.) ch. 7, p. 322-374.
Gagné, Simons, Lavoie, Cours de recyclage en forage au diamant. Préparé par Inspiration Drilling (date inconnue).
Ces documents s'adressent surtout aux foreurs, mais peuvent aussi être d'une grande utilité pour l'ingénieur ou le géologue qui a la responsabilité de commander le forage, décider du lieu d'implantation et de son orientation en fonction de l'attitude des formations, de faire la surveillance des travaux et l'analyse des résultats.
Une excellente référence portant plus spécifiquement sur le travail de l’ingénieur géologue en relation avec les sondages est le « Enginnering geology field manual » publié par le USGS et disponible gratuitement à l’adresse : http://www.usbr.gov/geo/fieldman.htm
OBJECTIFS
Les sondages d'exploration sont un outil indispensable pour la recherche des gisements, mais aussi pour une meilleure connaissance du socle rocheux en général.
Lorsqu'on lisait dans le Northern Miner en 1981 l'avancement des travaux de forage sur la propriété Ansil de Falconbridge, on avait l'impression que les recherches tournaient autour d'une cible bien identifiée. Quelles sont les étapes à suivre pour arriver à la détermination d'une telle cible?
ÉTAPES A SUIVRE
En réalité, les forages commencent bien avant qu'une cible soit en vue, les différentes étapes où des forages peuvent entrer en ligne de compte sont exposées dans Peters (p. 431).
a) Orientation des recherches: (premier indice) des forages ont pu avoir déjà été faits dans la région pour des minéraux, pétrole, eau... Si les carottes, logs ou coupes de sondage sont disponibles, c'est une première information pour orienter les travaux.
b) Reconnaissance: forages faits pour établir des coupes stratigraphiques ou des informations lithologiques. Spécialement dans des régions de gisements stratiformes.
c) Investigation de région cible: les informations souterraines renseignent sur la structure, la stratigraphie, le zonage et servent de points d'interprétation des données géophysiques.
d) Vérification des cibles: le forage montre la présence ou l'absence de minéralisation. Si des indices encourageants sont révélés, la cible devient un prospect.
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e) Évaluation: la minéralisation est délimitée et échantillonnée pour déterminer son tonnage, sa teneur et évaluer s'il s'agit d'un gisement.
f) Préproduction: Le prospect s'achemine vers l'étape de la mine. D'autres forages délimitent mieux le gisement. On procède au calcul des réserves, aux investigations géotechniques et métallurgiques et on planifie le cheminement du développement éventuel de la mine.
g) Mine: les forages se poursuivent pour délimiter des blocs supplémentaires (sous la direction de l'ingénieur minier et du géologue) et pour obtenir les informations pour planifier l'implantation de la mine.
h) Production ou cul-de-sac: Si les réserves délimitées sont insuffisantes pour les conditions du marché, on aboutit à un cul-de-sac.
Les premières informations peuvent être de vieux logging dans la région ou des carottes d'une autre compagnie qui sont revues en fonction d'un nouveau modèle.
Peters (p. 432) rapporte que le réexamen de carottes de forage par Lowell a conduit à la découverte d'un des plus importants gisements de cuivre en Amérique du Nord (Kalamazoo en Arizona). Les carottes de quatre forages passaient de la zone d'altération à propylite à la zone à quartz et séricite et un cinquième montrait une faible minéralisation en cuivre. Les forages avaient été arrêtés au seuil du gisement.
LE FORAGE AU DIAMANT
La figure suivante expose schématiquement le montage d'un équipement de forage. On y remarque les parties suivantes:
Le chevalement
La foreuse et son moteur
La pompe à eau
Le treuil pour remonter les tiges
Le tubage (casing) dans le mort-terrain
Description sommaire:
La foreuse au diamant est un instrument qui coupe une carotte par rotation et pression à l'aide d'une couronne diamantée.
a) La couronne (bit): accessoire serti de diamants individuels d'environ 1 mm dans un matériel résistant à l'érosion, ou de petit diamants synthétiques répartis dans une matrice qui s'use graduellement et dégage des diamants neufs. La couronne imprégnée est utilisée habituellement pour des roches dures et à grain fin.
Remarques :
i) Dans les deux cas (couronne de surface ou imprégnée), la taille des diamants et la nature de la matrice qui les retient sont choisis en fonction de la dureté de la roche. Plus la roche est dure et plus les diamants seront petits, et la matrice sera molle. Inversement, plus la roche est molle et plus les diamants seront gros et la matrice dure. En effet, dans une roche dure, les diamants s’usent plus rapidement et il faut en dégager de nouveaux rapidement (d’où matrice molle). Dans une roche molle, les diamants s’usent lentement et la matrice doit résister longtemps à l’abrasion causée par les fragments brisés de la roche avant de dégager de nouveaux diamants.
ii) Typiquement, dans une couronne imprégnée, 25% du volume est composé de diamants et 75% de la matrice. Les diamants ont un poids approximatif de 2*10-4 g à 2*10-3g (1/1000 à 1/100 de carat, 1 carat=0.2 g). Pour une couronne avec diamants sertis en surface, le poids varie de 2*10-3 g à 6*10-2 g.
iii) Une fois la vie utile de la couronne atteinte, les diamants restants peuvent être récupérés (dissolution à l’acide de la matrice). Pour l’essentiel, seules les couronnes avec diamants sertis sont récupérées. Les couronnes à diamants imprégnés sont utilisées jusqu’à usure complète.
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b) Manchon aléseur (reaming shell): plaquettes ou bagues diamantées qui stabilisent l'outil de forage et maintiennent la section du trou.
c) Le carottier: réceptacle de carottes vissé sur la couronne.
Carottier simple: tube (de 1.5m à 9m) qui prolonge le corps de la couronne et sert de réceptable
Carottier double: tube intérieur, monté sur roulements, sert de réceptacle immobile de la carotte. Le tube extérieur tourne en entraînant la couronne. Le carottier, qui a généralement 10' ou 3 m, doit être remonté lorsqu'il est rempli. Lorsque les trous sont profonds, la manoeuvre est longue.
Carottiers à câble (Wire-line): Ce carottier est comme un ascenseur dans la cage. La cage est une tige dont le diamètre intérieur est égal au diamètre extérieur du carottier. Pendant le forage, le tube intérieur du carottier est verrouillé dans le tube extérieur. Quand la passe est terminée, le tube est déverrouillé et remonté avec un grappin manoeuvré par un petit câble métallique, entraîné par un treuil rapide.
Dans les carottiers double et à câble, l’eau circule à l’extérieur du carottier interne. Lorsque le carottier interne est plein ou lorsque la carotte coince, une pression s’exerce sur le carottier interne qui empêche l’eau de circuler. L’augmentation de pression qui en résulte est immédiatement détectée en surface par les foreurs qui arrêtent alors le forage et remontent le carottier.
Le carottier à câble a les caractéristiques suivantes:
Procédé très rapide
Stabilité du trou pendant la récupération
Les carottes ont un diamètre plus petit (BQ 36=mm; BX=42 mm)
Des carottiers de 20' sont aussi disponibles
Plus dispendieux à l'achat et au fonctionnement, en particulier, les couronnes sont plus épaisses.
En terrain friable, on peut utiliser la série Q3 qui comporte un tube interne fendu supplémentaire en acier inoxydable. Dans ce cas, la carotte est encore réduite (BQ3=33,5 mm).
d) Nomenclature des couronnes
La figure 3.3 illustre la nomenclature et la dimension des carottes fournies par divers types de couronnes et les dimensions internes et externes des tubages correspondants. La signification des lettres utilisées est la suivante:
X = indique la série des tubes standards
Q ou W = indique la série des tubes de carottier à câble (Wire-line)
E, A, B = indique la grosseur du trou
EXT = T = thin, indique un tube carottier mince, léger qui offre une carotte d'un diamètre légèrement supérieur pour la même grosseur du trou.
e) Le Tubage (casing)
Si le trou de forage commence dans le mort-terrain, il faut placer un tubage (casing) qui protège le collet du trou, empêche le gravier ou le sol de tomber dans le trou et sert de sortie d'eau. Si le forage est dans le gravier, la pose du tubage est lente et dispendieuse. Il est donc important d'avoir au départ une idée de la profondeur du mort-terrain.
Si le tubage est mal scellé au socle rocheux, le sable qui glissera dans le trou usera les tiges et endommagera les couronnes diamantées. De plus, l'eau reviendra à l'extérieur du tubage augmentant la coulée du mort-terrain à l'intérieur du trou. Ces détails sont cependant la responsabilité du foreur.
2 techniques sont principalement utilisées dans le mort-terrain :
- Circulation inversée : L’eau circule entre le tubage et les tiges et remonte à l’intérieur du train de tiges en entraînant les fragments.
- Méthode Morissette (en-double) : Le tubage équipé d’un sabot diamenté suit en retrait (2cm) le train de tiges équipé d’une couronne. Une boue de forage est utilisée. Le roc atteint, le tubage est ancré sur 1m dans le roc sain puis les tiges poursuivent leur progression.
f) Approvisionnement en eau
Les coûts du forage sont reliés à la proximité des sources d'eau. Il faut donc s'assurer d'un point d'eau à proximité du forage capable de fournir environ 300 gallons d'eau à l'heure (20 litres/minute). Si l'eau est recirculée, on peut se contenter de 200 gallons (900 litres) par jour. Si l'eau est proche et abondante, on peut opérer une foreuse tout l'hiver. Quand la température est froide, on cahuffe l’eau au moyen de gaz propane pour éviter qu’elle ne gèle. Si la pompe arrête en hiver, il faut remonter immédiatement les tiges pour éviter de les figer dans le trou.
Le rôle de l'eau est d'empêcher les diamants de la couronne de brûler ou de se polir, permettre aux boues de sortir du trou et empêcher la carotte de coller dans le tube carottier.
- Quand le carottier est plein, l'eau est bloquée instantanément.
- Dans le roc fracturé, un fragment peut bloquer l'eau; il faut alors arrêter le forage, sinon on brûle la couronne.
- Dans les roches friables, comme dans les sulfures massifs, la progression doit être lente pour avoir une bonne récupération de la carotte.
Le manque d’eau a pour effet de :
-mauvaise évacuation des débris
-surchauffe de la couronne et usure prématurée
-mauvaise récupération
L’excès d’eau a pour effet de :
-éroder les parois du trou ce qui peut augmenter les déviations
-mauvaise récupération
Valeurs typiques :
Quantité d’eau
20 l/min
Pression d’eau
300 à 900 lb/po2 selon la profondeur
Vitesse de rotation des tiges
1000-1400 t/min
Pression exercée sur la couronne1
100-200lbs/po2 (idéalement 125)
Calibre des échantillons
BQ (36.5mm)
Type de couronne
À diamants imprégnés
Taux de récupération
100%
Type de foreuse
À câble, moteur diésel, hydraulique, sur traîneau, déplacement par chenillard
Taux d’avancement
80m/j (BQ, 0-400m)
Coût
50$/m (peut varier entre 30-100$/m)
1Cette pression correspond au poids des tiges pour un train de 400m. Au delà de cette profondeur, la foreuse retient les tiges, avant elle les pousse.
Déviations du trou de forage1
Les trous de forage peuvent dévier de leur position d'entrée en direction et en inclinaison. Pour les forages au diamant, généralement cette déviation s’effectue vers le haut et vers la droite. Singh, reconnaît 5 familles de causes pouvant expliquer les déviations pour les trous de sautage (l’essentiel de ses résultats s’applique également aux trous d’exploration au diamant) :
1- Paramètres de forages :
a) diamètre du trou (des trous plus larges dévient moins)
b) longueur du trou (des trous courts dévient moins)
c) inclinaison du trou (forages verticaux dévient moins)
2- L’équipement utilisé :
a) condition et type de foreuse
b) caractéristiques et conditions du train de tiges (par exemple, l’utilisation de tiges plus petites que le trou de forage favorise les déviations).
c) les raccords de tiges
d) type et condition de la couronne (une couronne usée augmente les déviations; ceci peut se produire en particulier pour les forages « wireline » où l’on utilise la couronne jusqu’à la limite)
3- Paramètres fixés par les opérateurs
a) poussée et torque (déviations augmentent avec la poussée dans des roches molles)
b) vitesse de rotation (déviations augmentent avec la vitesse de rotation, surtout dans des roches molles)
c) taux de pénétration (roches molles, voir a) et b); roches dures : déviation augmente avec l’écart par rapport au taux critique de pénétration pour la roche considérée).
d) fluide d’évacuation des débris
4- Caractéristiques de la roche
a) structure (joints, failles, surtout pour les roches dures).
b) résistance (les roches molles occasionnent de plus grandes déviations que les roches dures).
c) variations de résistance. À l’interface entre deux roches de résistance différentes, il se produit un phénomène analogue à la « réfraction » de la lumière entre deux milieux d’indices de réfraction différents. L’angle d’incidence (angle mesuré entre le plan et le forage) est plus fort dans la roche la plus dure. Ainsi, en passant d’une roche dure à une roche molle, l’angle d’incidence diminue. Inversement, en passant d’une roche molle à une roche dure, l’angle d’incidence augmente. Les déviations sont toutefois plus grandes lors du passage d’une roche molle à une roche dure que l’inverse. En effet, lors du passage d’une roche dure à une roche molle, la roche dure agit comme un frein à la déviation. Donc dans des roches stratifiées, présentant une alternance de roches dures et roches molles, le forage aura tendance à devenir normal à la stratification. Toutefois, lorsque l’angle d’incidence est très faible (5-10 degrés) le forage a tendance plutôt à devenir parallèle à la stratification.
d) anisotropie de la roche (des roches montrant des résistances anisotropes favorisent les déviations ex. schistes métamorphiques avec fortes foliations vs schistes. Dans le cas particulier des roches montrant une forte foliation, la pression exercée sur la roche par la foreuse tend à provoquer des fissures qui s’orientent perpendiculairement au plan des foliations. Ces fissures constituent une zone de faiblesse favorisant le passage de la couronne. Le forage aura donc tendance à devenir perpendiculaire à la foliation).
e) épaisseurs des lits (les déviations sont plus grandes pour des lits minces).
f) cohésion des lits entre eux (des lits moins cohésifs entraînent de plus grandes déviations).
g) ouverture et remplissage des joints.
5- Opérateurs de la foreuse
a) formation
b) expérience
c) habileté, soin, etc.
Singh (1998) classifie les déviations observées en 3 grands types :
1- Déviations graduelles : liées habituellement aux conditions géologiques.
2- Déviations brusques causées soit par le changement brusque des propriétés des roches ou de la poussée exercée.
3- Déviations aléatoires causées par des variations complexes de la géologie et des paramètres d’opération
Si un forage accuse une trop forte déviation qui risque de faire manquer la cible visée, le foreur peut placer un coin dans le trou pour corriger la trajectoire. Le coin peut aussi être utilisé pour viser plusieurs cibles à partir du même trou. Par exemple, le projet Ansil de Falconbridge visait à définir une zone minéralisée à 4,000' de profondeur. Il était alors plus économique de descendre le plus bas possible par le même trou, placer un coin pour dévier vers le nord, le sud, l'est ou l'ouest. La figure 3.5 montre la pose du coin (Thompson arc-cutter) et la figure 3.6 illustre diverses utilisations, comme le forage d'une anomalie, sous un lac, ou d'une veine verticale à différents niveaux.
Différents types de coins existent pour des fonctions particulières et certains coins recouvrables permettent de continuer le trou principal après que le trou dévié est terminé. Pour plus de détails, voir Cumming, p. 320-327 et Gagné et al., p. 9.17 - 9.19.
RÔLE DU GÉOLOGUE
Le géologue a d'abord le rôle de définir les cibles et de convaincre son employeur d'implanter les forages, mais quand la décision est prise, il doit planifier les aspects suivants :
- Obtenir les permis nécessaires (MRN et MENVIQ) (ou s’assurer que le contracteur assume cette responsabilité)
- Intervention en milieu forestier
- Coupe de bois
- Pose de ponceaux
- Campements temporaires
- Préparer les cartes de localisation comprenant :
- sondages
- points d’eau
- chemins d’accès
- ponceaux à faire
- campement
- aire d’entreposage
- Concevoir le plan d’exécution de façon à minimiser les impacts sur l’environnement
- Fournir les informations suivantes :
- Profondeur de chaque sondage
- Épaisseur de dépôts meubles à chaque site
- Fréquence et type de tests d’orientation
- Balisage des nouveaux chemins à faire
- Utilisation (ou non) de matériel de stabilisation des forages (manchon aléseur, tubes carottiers spéciaux, etc.)
- Consignes sur le retrait ou non des tubages
- Établissement de l’horaire de travail
- Lieu de livraison des boîtes de carottes
- Contrôle ou non de la vitesse de pénétration (déviations)
- Probabilité de cointage
- Probabilité de cimentation
- Probabilité de téléscopage (ex. passer de NQ à BQ)
- Coordonnées des intervenants (téléphones à la foreuse, au motel, au bureau, au domicile,...)
- Lors de l’exécution des sondages :
- Orienter le départ du trou
- Assurer une visite quotidienne au site de forage
- Prendre la décision d'arrêter ou de continuer un trou
- Relever l'orientation exacte du trou afin de faire les sections géologiques le plus précisément possible
- Faire la description et l'étude des carottes (logging)
- Couper les carottes et préparer des échantillons pour analyse
Détermination de l'orientation du trou
Si le trou est incliné, il faut indiquer l'axe de forage à l'aide de deux ou trois piquets et déterminer la position du collet et l'angle de forage pour atteindre la cible visée.
Si l'emplacement du collet peut varier de quelques pieds, sur le même axe, le choix du point de départ sera fait avec le contremaître ou le foreur qui, pour sa part, doit placer son équipement au niveau sur un terrain relativement stable. Sous terre, les visées avant et arrières sont peintes sur les murs.
L'inclinaison du trou peut être faite avec précision sur la tête de la foreuse à l'aide du clinomètre d'une boussole. La direction est mesurée à la boussole.
Récupération de la carotte
La carotte est l'image fidèle du terrain traversé, l'échantillon est donc très précieux et doit être traité avec beaucoup de soin. Il est donc recommandé de :
a) Embaucher des foreurs expérimentés.
b) Si les trous doivent être longs, ou la roche de mauvaise qualité, choisir un fort diamètre pour avoir la possibilité de diminuer en cours de forage. Plus le diamètre est gros, meilleure est la récupération.
c) Le foreur doit surveiller la pression exercée sur la foreuse, la vitesse de rotation, le débit et la nature du fluide.
d) A l'approche du minerai, il faut diminuer la longueur des passes pour éviter la perte de carottes par usure (fragments coincés).
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e) En cas de perte de carotte, demander au foreur de recueillir les boues du passage dans le minerai.
f) Dans les terrains difficiles (friables), utiliser une boue légère à la place de l'eau (eau + argile, bentonite, huile) qui assure la remontée des débris plus gros et dépose un film protecteur qui consolide les parois. On peut aussi utiliser un tube carottier à paroi triple qui empêche le contact de l’eau avec la carotte à la base du sondage.
Rangement des carottes
Les carottes sont placées par le foreur dans des boîtes rainurées spécialement conçues à cette fin. Chaque boîte, d'une longueur de 5' peut contenir cinq rangées, soit 25 pieds de carottes. Il est très important pour le géologue de bien s'entendre avec ses foreurs sur la façon de disposer les carottes dans les boîtes. La méthode la plus courante consiste à les disposer selon l’ordre naturel de lecture, i.e. :
0' >>>>> 5'
5' >>>>> 10'
Chaque passe de 10' de longueur occupe deux rangées de la boîte. Lorsque des sections de carottes ne sont pas récupérées, il faut placer des baguettes (préparées à l'avance) ou des bouts de branche à la place.
La lecture doit toujours donner la distance précise du collet du trou.
Ainsi, avec 80' de mort-terrain, les trois premières boîtes de 25' sont inexistantes puisque vous commencez à compter au collet du trou. La boîte n°4 doit porter à l'intérieur et à l'extérieur (dans le bout) une note indiquant la non-existence des trois premières boîtes
N.B. Le carottier à câble (Wireline) peut être ouvert par le haut (plus fréquent) ou par le bas. I1 faut donc disposer les carottes en conséquence .
Le rangement des carottes et l'étiquetage des boîtes est la responsabilité du foreur, mais le géologue doit s'assurer que les indications dans le bout des boîtes sont rigoureusement fidèles à la réalité. La moindre erreur de disposition des carottes ou d'identification des boîtes risque de compromettre la pertinence de l'information recherchée. L'étiquette doit porter le nom du projet, le n° du trou et la profondeur couverte à partir du collet.
ll y a quelques 600 millions d'années, d'innombrables végétaux, micro-organismes et espèces planctoniques, vivaient dans les océans. Lorsque les générations successives mouraient, leurs restes se déposaient au fond des océans. Pendant des millions d'années, ces restes s'accumulèrent et se mélangèrent dans des milieux confinés donc peu oxygénés, à une sorte de boue riche en sédiments (sable, argile, sel...), le limon. Des réactions réductrices transformèrent la matière organique en kérogène. 
