technique forage eau

8/18/2019 Technique Forage Eau

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B.BOUSELSAL………………………………………………………….………………………………………………..TECHNIQUES DE FORAGE

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1- LES METHODES DE FORAGE

1.1. Introduction :

Il existe de nombreuses méthodes de foration dont la mise en œuvre dépend de paramètres trèsdivers. Le chapitre présente les méthodes de forages en tant que telles avec leurs avantages et

inconvénients relatifs. Le chapitre suivant précisera les modalités de sélection de ces méthodesselon les critères usuels pour le domaine de léau minérale.

1.2. Forage au marteau fond de trou (MFT)

Principe : Cette méthode de forage utilise la percussion assortie dúne poussée sur lóutil qui setrouve lui même en rotation. L´énergie utilisée pour actionner cet outillage est láir comprimé àhaute pression (10-25 bars). Cést un procédé très intéressant en recherche hydrogéologique et

principalement en terrains durs. Un marteau pneumatique équipé de taillant est fixé à la base dúntrain de tiges et animé en percussion par envoi dáir comprimé dans la ligne de sonde, dóù le nomde "marteau fond de trou".

Avantages

Avancement rapide et profondeur dínvestigations pouvant dépasser les 300 m de profondeur(fonction du diamètre et de la puissance du compresseur dáir). Bonne observation des cuttings (coupe géologique) et des zones productrices (suivi foration). Fluide de forage (air) bien adapté au forage déau en général de par lábsence de produit de

foration (pas dínterférence entre la ressource et des boues ou de léau).

Inconvénients

Le fluide "air" peut perturber en foration les observations relatives à la qualité du fluide dúnniveau producteur par oxydation d´éléments ou en occultant des venues de gaz. La confirmationde la qualité du fluide (eau et gaz) dún niveau producteur doit fréquemment être réalisée par

pompage associé. Interprétation délicate du niveau de production dún horizon reconnu (débit) par mesure en

soufflage (air lift) à láide de l´équipement de foration. Les données obtenues en foration MFT,quant aux débits des horizons traversés, doivent être prises en compte avec réserve. Il convient deconsidérer que les débits obtenus en fonction à láir sont toujours optimistes. Procédé peu adapté dans les terrains non consolidés ou plastiques. Risque de formation de bouchons de cuttings, nécessitant de fréquents nettoyages du trou par

soufflage. Ce phénomène néxiste pas lorsque lóuvrage est totalement sec ou lorsque le débit desniveaux producteurs est suffisant pour permettre un bon nettoyage par circulation. Nécessité dútilisation de compresseurs très puissants voire de suppresseurs en cas de foration

sous des hauteurs déau importantes. Mauvaise identification de chaque niveau producteur en cours de foration, le fluide recueilli en

tête dóuvrage intégrant lénsemble des horizons traversés.

Il convient de noter que la foration MFT à láir est parfois couplée à lémploi de mousse de forage(injectée dans le circuit dáir) pour favoriser la tenue des parois et/ou la remontée des cuttings.Ságissant dún contexte "eau minérale", le choix dúne mousse "inerte" doit être une

préoccupation pour lópération.


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1.3. Forage au marteau fond de trou avec tubage à lávancement

Principe : Identique à la technique MFT, exposée ci-avant, cette méthode concerne la mise en placedún tubage des parois du trou au fur et à mesure de sa foration. Elle met en œuvre un taillant piloteavec aléseur excentrique qui permet de forer des trous dún diamètre légèrement supérieur audiamètre extérieur des tubes. Le tubage est ainsi enfoncé progressivement à la suite de láléseur

sous léffet de son propre poids et de l´énergie de percussion du marteau. Les tubes sont solidarisésentre eux soit par soudure, soit par filetage. Le taillant excentrique se déploie par rotation dans lesens des aiguilles dúne montre, une rotation en sens inverse en fin de foration permet son repli et laremontée de la garniture. Comme en foration au marteau fond de trou classique, l´évacuation descuttings est là aussi assurée par la remontée de láir, ici entre tiges et tube.

Avantages

Possibilité dútiliser une foration air dans un contexte géologique peu stable. Bonne observation des cuttings et zones productrices. Meilleure individualisation des niveaux producteurs au moment de la foration, sans mélange

avec des niveaux supérieurs partiellement obturés par le tubage mis en place.

Inconvénients : Identique au MFT classique à léxception de la foration dans les terrains nonconsolidés.

1.4. Forage rotary circulation directe

Principe : La méthode de foration rotary utilise un outil (trépan) monté au bout dúne ligne desonde (tiges vissées les unes aux autres), animé dún mouvement de rotation de vitesse variable etdún mouvement de translation verticale sous léffet dúne partie du poids de la ligne de sonde oudúne pression hydraulique. Le mouvement de rotation est imprimé au train de tiges et à lóutil parun moteur situé sur la machine de forage en tête de puits. Les tiges sont creuses et permettentlínjection de boue au fond du forage. Les outils utilisés en rotation sont des trépans de plusieurstypes en fonction de la dureté des terrains rencontrés (outils à lames, outils à pastilles, molettes outricône, outils diamantés ou à carbures métalliques). Au-dessus du trépan, on peut placer une ou

plusieurs masses-tiges très lourdes qui accentuent la pression verticale sur lóutil et favorisent la pénétration et la rectitude du trou. Le forage rotary nécessite lémploi dún fluide de forage préparésur le chantier. Dans le cas de la circulation directe, le fluide est injecté en continu sous pressiondans les tiges creuses de la ligne de sonde, il sort par les évents de lóutils et remonte à la surfacedans léspace annulaire (entre les tiges et les parois du trou).

Avantages

La profondeur du forage peut être très importante, la foration nést pas perturbée par les terrains peu stables ou plastiques, sous réserve de lútilisation dún fluide de forage adapté.

Ce système permet un bon contrôle des paramètres de forage (poids de lóutil, vitesse derotation, qualité de la boue, débit dínjection de la boue) en fonction des terrains à traverser. Le forage au rotary consolide les parois en terrains meubles par dépôt dún cake.

Inconvénients

Nécessité dún fluide de forage qui ne permet pas dóbservation directe de la qualité des eaux

des formations traversées. Colmatage possible des formations aquifères par utilisation de certaines boues (bentonite).


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Difficulté dóbservation des cuttings, la présence de tamis vibrants en circuit retour diminuesensiblement cet inconvénient.

1.5. Forage en circulation inverse

Principe: Cette méthode de foration diffère des méthodes précédentes par une circulation du fluide

(boue, eau ou air) dans léspace annulaire (entre la formation et les tiges) avec remontée descuttings par líntérieur du train de tiges. Il existe également des tiges à double parois qui assurentlínjection et la remontée du fluide par líntermédiaire des seules tiges.

Avantages

Information géologique plus précise et quasi instantanée. Les cuttings recueillis en surface proviennent du seul fond du trou sans mélange avec des cuttings provenant éventuellement del´érosion du trou au cours de la remontée. Information géologique continue. La traversée de zones fissurées, fracturées ou caverneuses, se

traduit assez souvent par des pertes partielles (ou totales) de fluide de circulation (air, eau, boue)dans les techniques de foration à circulation directe. La remontée des cuttings par le train de tigesdiminue fortement les risques de pertes de fluide et de cuttings ainsi que les éventuels colmatagesou contamination des aquifères traversés. Meilleure individualisation des arrivées successives de fluide en cours de foration. Seul le niveau

en cours de foration est testé au moment du passage de lóutil, les mélanges avec des niveauxsupérieurs sont très réduits.

Inconvénients

Présence dún fluide de forage et de risque de colmatage (idem circulation directe). Ságissant dúne reconnaissance de niveaux producteurs au moment de sa foration, le suivi dún

chantier en circulation inverse nécessite un contrôle continu et des prises de décision adéquates pour caractériser les différents niveaux (arrêt de foration et circulation ou pompage dèsobservation particulière). Il existe un risque dócculter des informations importantes sur un niveau

producteur d´épaisseur réduite par passage trop rapide.

1.6. Forage carotte

Principe : Cette méthode consiste en la réalisation dún ouvrage à láide dún outil spécial, lecarottier, destiné à récupérer la formation en place sans destruction.

Avantages

Observations géologiques de qualité optimale. Couplé à un dispositif dórientation de la carotte, l´échantillon recueilli en zones fracturées

permet une analyse des directions de fracturation.

Inconvénients

Coût élevé. Diamètre réduit. Pourcentage de récupération des formations fonction de la nature des terrains (faible en structure

non consolidée).


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1.7. Forage par battage

Principe : La méthode consiste à soulever un outil lourd (trépan) et à le laisser retomber sur leterrain à traverser. La hauteur et la fréquence de chute varient selon la dureté des formations. Ondistingue deux types de battages : le battage au treuil et le battage au câble. Cette dernière méthodeest la plus courante. Le trépan est suspendu à un câble qui est alternativement tendu et relâché. Les

mouvements sont rapides et le travail de lóutil se fait plus par un effet de martèlement dû àl´énergie cinétique que par un effet de poids comme pour le battage au treuil. Un émerillon permetau trépan de pivoter automatiquement sur lui-même à chaque coup. Le trou est nettoyé au fur et àmesure de lávancement par descente dúne soupape permettant de remonter les débris (cuttings).Ce procédé permet de réaliser des forages sans utilisation déau ou de boue.

Avantages

Cést un procédé simple et relativement peu coûteux (investissement généralement plus faibleque pour les autre procédés de foration). Il ný n’a pas de fluide de forage (boues) et pas de risques de pollution de la nappe. Le trépan peut être rechargé, reforgé et affûté sur le chantier. Cést une méthode bien adaptée pour les forages de moyenne profondeur. Les résultats sont très bons dans les terrains fissurés (pas de pertes).

Inconvénients

Vitesse dávancement assez faible induisant un coût "suivi travaux" en proportion. Méthode peu adaptée dans les terrains plastiques ou boulants dans lesquels le tubage à

lávancement est nécessaire. Difficultés pour équilibrer des venues déau artésiennes jaillissantes. Absence dínformation sur les niveaux producteurs (qualité - production) sinon par mise en place

de dispositif de pompage en parallèle à la foration.

1.8. Forage par havage

Principes: Le forage par havage est plus connu sous le nom de procédé Benoto : dans ce type deforage par curage ou havage, les tubages pénètrent dans la formation sous léffet de leur propre

poids ou sous láction de vérins hydrauliques. Une benne preneuse "vide" progressivementlíntérieur du tubage tant que celui-ci se trouve au-dessus du niveau statique. Au dessous du niveaustatique, lémploi dúne soupape est recommandé. En présence d´éléments grossiers ou de blocs,lútilisation dún trépan tombant en chute libre permet de briser lóbstacle. Il est également possible

dútiliser des vibreurs hydrauliques pour faciliter la descente ou lárrachage des tubages.

Avantages

Avancement rapide à faible profondeur dans des formations meubles, notamment alluvionnaires(en lábsence d´éléments grossiers). Réalisation dóuvrages en gros diamètre (peu répandus en eau minérale).

Inconvénients

Méthode inadaptée aux terrains durs. Frottement du tubage mis en place à lávancement ; profondeur réduite.


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Difficulté pour arracher les tubages de soutènement après la mise en place des crépines et dumassif filtrant.

1.9. Forage par Tarière

Les tarières hélicoïdales continues forent rapidement dans les argiles et les terrains non consolidés à

faible profondeur et à vitesse lente.

10. Les techniques de forage manuelPour forer à travers tous ces différents types de formations (sols), de nombreuses techniques deforage manuel ont été développées et sont utilisées de par le monde. Dans tous les cas, la techniquede forage doit (a) casser ou couper la formation, (b) dégager les matériaux coupés (le sol) du trou, et(c) si nécessaire, fournir un support aux parois du trou, pour éviter qu’il ne s’effondre pendant leforage. Voici une brève présentation des principales techniques :

10.1 Le forage a la tarièreLe forage à la tarière consiste à un ensemble d’allonges en acier qui est tourné par une poignée.

Différents types de tarières peuvent être fixées à l’extrémité des allonges. Les tarières sont tournéesdans le sol jusqu’à ce qu’elles se remplissent et sont ensuite sor ties du trou pour être vidées. Lemodèle des tarières varie en fonction du type de formation (type de sol) à forer.Généralement au- dessus du niveau statique, le trou du forage reste ouvert sans avoir besoin d’êtresoutenu. Une fois dans la nappe, un pré-tubage temporaire peut être utilisé pour empêcherl’effondrement des parois du trou du forage. Le fonçage se poursuit à l’intérieur de ce pré -tubage àl’aide d’une tarière de mise en eau jusqu’à ce que la profondeur désirée soit atteinte. Puis, le tubage

permanent est installé et le pré-tubage temporaire remonté à la surface. Le forage à la tarière peutêtre utilisé jusqu’à une profondeur d’environ 15 à 25 mètres, cela dépend de la géologie. Avantage : facile à utiliser au-dessus du niveau de la nappe. Equipements bons marchés.I nconvénient : il est parfois très difficile d’enlever le pré -tubage temporaire.Appl icati on géologique : sables, limons & argiles tendres.

10.2 Le forage a la boueLe forage a la boue (ou forage rotatif à boue lorsqu’un mouvement de rotation de l’outil de fonçageest actionné) utilise la circulation de l’eau pour faire remonter à la surface du sol les matériauxforés. Le train de tiges de forage est actionné de haut en bas. Pendant la descente des tiges, le choccréé par le trépan fixé au bout du train de tiges ameubli/fragmente les matériaux du sol et pendant lemouvement de remontée, l’extrémité du train de tiges est obturée avec la main (effet de soupape),créant ainsi une aspiration de l’eau et des débris qu’elle contient jusqu’à la surface. Au cours dumouvement de descente suivant, la main est retirée du train de tiges et l’eau gicle dans le bassin

préalablement creusé à coté du forage.Dans ce bassin de décantation, les débris se séparent de l’eau pour se déposer au fond du bassin alors que l’excédent d’eau redescend à nouveau dans le trou. La pression de l’eau sur les parois duforage évite l’effondrement de ces dernières. Le forage à boue (avec ou sans rotation) peut êtreutilisé jusqu’à une profondeur d’environ 35 mètres. Avantage : simple d’utilisation et pas besoin de pré -tubage.I nconvénient : le niveau d’eau dans le trou doit être maintenu tout au long de l’opération defonçage. Le niveau de la nappe n’est pas connu avec précision pendant le forage. Appl icati on géologique : sables, limons, argiles, argiles dures et.des formations légèrementconsolidées (latérite altérée).

10.3 Le lançage a l’eauLe lançage à l’eau est également basé sur la circulation et la pression de l’eau. A la différence duforage à boue, l’eau est désormais injectée à l’intérieur du train de tiges et la boue (eau et débris)


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remonte le long des parois du forage. Afi n d’obtenir une pression d’eau suffi sante, on utilise unemotopompe. On peut laisser l’extrémité inférieure du tuyau de forage simplement ouv erte, ou on

peut y rajouter un outil de fonçage (trépan). On peut également faire tourner totalement ou partiellement le train de tiges.Un fluide de forage (additif) peut être mélangé à l’eau pour éviter l’effondrement des parois du trouet la perte incon trôlée de l’eau par infiltration. La technique du lançage à l’eau (avec rotation) peut

être utilisée jusqu’à une profondeur d’environ 35 -45 mètres.Avantage : très rapide dans le sable.I nconvénient : nécessite beaucoup d’eau à la fois. Le niveau de la nappe d’eau n’est pas connu avec

précision pendant le forage.Appl icati on géologique : limitée aux sables et fines couches d’argile tendre.

10.4 Le forage a la percussionLe forage a la percussion utilise un lourd trépan (ou cuiller) attaché à une corde ou un câble, lequelest descendu dans le trou du forage ou à l’intérieur d’un pré -tubage. Un trépied (ou chèvre) est engénéral utilisé pour suspendre l’équipement. En actionnant la corde ou le câble de haut en bas, letrépan ameublie et fragmente le sol ou la roche consolidée dans le trou de forage, dont les débris

sont ensuite extraits grâce à la cuiller.Comme pour le forage à la tarière, un pré-tubage en métal ou PVC peut être utilisé pour éviterl’effondrement du trou. Une fois le tubage définitif (tuyaux et crépines en PVC) installé, le pré-tubage doit être enlevé. Le forage à percussion est généralement utilisé jusqu’à une profondeur de25 mètres.Avantage : permet de forer dans les formations dures.I nconvénient : l’équipement peut être très lourd et re lativement cher. Cette méthode est lente encomparaison aux autres méthodes.Appl ication géologique : sables, limons, argiles dures, calcaire tendre, latérite, les couchescontenant des graviers et des petits cailloux.


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2-LES COMPOSANTS D’UN AP PAREIL DE FORAGE ROTARY

2.1. Le mat de forage :Le mât de forage [mast] sert aux manœuvres des garnitures de forage ou des tubages. Il peutêtre du type qui ne se démonte pas pour le déménagement, ou de celui qui se démonte en un

petit nombre d'éléments.

2.2. La garniture de forageLe forage rotary exige l'utilisation d'un arbre de forage creux appelé garniture, qui a pour principales fonctions :

entraîner l’outil en rotation. appliquer un certain effort sur l’outil. apporter l’énergie hydraulique nécessai re à l'évacuation des déblais (canaliser la boue de forage).

Une garniture de forage est constituée de deux principaux éléments suivants :a. Les tiges

Les tiges de forage permettent la transmission de la rotation de la table à l’outil et le passage

du fl uide de forage jusqu’à ce dernier. b. Les masse-tiges

Les masse-tiges permettent de :

mettre du poids sur l'outil pour éviter de faire travailler les tiges de forage en compression. Le poids utilisable des masse-tiges ne devra pas excéder 80% de leur poids total dans la boue ;

jouer le rôle du plomb du fil à plomb pour forer un trou aussi droit et vertical que possible.

2.3. Equipements d’entrainement de la garniture de forage a. La table de rotation

En cours de forage, la table de rotation [rotary table] transmet le mouvement de rotation à lagarniture de forage, par l'intermédiaire de fourrures [bushings] et de la tige d'entraînement[kelly], et, en cours de manœuvre, supporte le poids de la garniture de forage, parl'intermédiaire de coins de retenue.

b. Le carré d'entraînement et les fourruresLe mouvement de rotation est transmis par la table à la tige d'entraînement par le biais d’uncarré d'entraînement [kelly bushing] rendu solidaire en rotation de la table par l'intermédiaired'une fourrure princip ale [master bushing]. Pendant les manœuvres, des fourruresintermédiaires [adapter bushings] sont mises en place à l'intérieur des fourrures principales

pour pouvoir caler la garniture de forage.c. La tige d'entraînement [kelly]

Elle assure la liaison entre la garniture de forage et la tête d'injection et communique lemouvement de rotation de la table à la garniture de forage par l'intermédiaire du carréd'entraînement.

2.4. La tète d'injection [swivell]La tête d'injection supporte la garniture de forage et permet d'y injecter la boue enrotation ou à l’arrêt.

2.5. Le top drive

Le top drive est une tête d’injection motorisée qui, en plus de l’injection, assure la rotation de lagarniture de forage. Ainsi, on n’a besoin ni de la tige d’entraînement ni de l a table de rotation pour faire tourner la

garniture, c’est le top drive qui s’en charge. En plus, pendant le forage, au lieu de faire les ajoutssimple par simple, on peut les faire longueur par longueur.


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2.6. Générateur du courant :Les moteurs de diesel, qui produit un courant continue ou alternative, assurent les fonctionslevage, rotation, pompage, éclairage et auxiliaires.

2.7. L’outil Les outils de forage ont évolué au cours du temps pour répondre aux problèmes techniques duforage qui deviennent de plus en plus complexes. Toutes ces évolutions ont eu pour but

d’augmenter la vitesse d'avancement et la durée de vie des outils, et donc de réduire le coût duforage.

Les outils se classent en trois catégories :

Les outils à lames : Ces outils travaillent comme une fraise dans le métal, ils font des copeauxdans les terrains, ils sont employer dans les terrains sédimentaires a structures fines, peu dure. Ilsya trois types des outils : outil à deux lames (queue de poisson), outil à trois lames et outil à

plusieurs lames (plusieurs étages de diamètres déférents). Les outils à molettes : ils sont constitués de trois cônes tournant de façon indépendante et montés

sur trois bras réunis entre eux par soudure constituant le corps de l’outil. Plusieurs types de

roulements sont utilisés (rouleaux avec ou sans étanchéité, paliers de friction, système delubrification, etc.). Ces outils travaillent principalement en compression. Les outils diamant (outils à éléments de coupe fixes) ils ne possèdent pas de pièces tournantes ;

ce sont des outils monobloc. Des diamants naturels et de synthèse sont utilisés pour leurfabrication. Les outils à diamant naturel travaillent à la façon d’une lime tandis que les outils àdiamants synthétiques travaillent à la façon d’un rabot.


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3. L’EQUIPEMENT DE FORAGE

3.1. Introduction:Un forage d’eau est destiné à permettre l’extraction de l’eau contenue dans une formationaquifère. C’est pourquoi, quelle que soit la méthode de forage retenue, l’équipement comportetoujours une colonne d ’exploitation maintenant le terrain dans la partie supérieure non aquifère

proprement dit.

Il ne faut pas perdre de vue que l’exploitation doit se faire dans les meilleures conditions possibles, tant du point de vue qualitatif :

Pas pollution de l’eau au droit de l’ouvrage. Pas d’entrainement des éléments solides

Que de point de vue qualitatif :

Obtention de plus forte débit compatible avec les caractéristiques de l’aquifère. Recherche de plus fort débit spécifique possible (débit par unité de rabattement).

Trois éléments essentiels constituent l’équipement de forage d’exploitation :

Les tubages pleins (ou aveugles). Les crépines ou tubages perforés. Le massif filtrant.

3.2. TubagesLe débit d’exploitation espéré et la profondeur finale à atteindre conduise nt à déterminer les

caractéristiques des outils de forage et le diamètre des tubages à utiliser (fig 01) . D’autre part,en fonction du débit souhaité, le choix de la pompe immergée imposera le diamètre destubages.

Quelques règles de base doivent être respectées :

Prévoir de laisser au moins un pouce (25.4 mm) de jeu entre la pompe et diamètre intérieure dutubage. Celui-ci sera donc 5 cm environ plus grande que diamètre intérieure de la pompe. Prévoir de laisser du jeu entre les parois nues du trou et le tubage plein, notamment en prévision

de cimentation de l’espace annulaire.

Le diamètre de tubage sera en fonction du débit espéré (fig02), le choix du type du tubage seraen fonction de la résistance aux diverses sollicitations : efforts de traction, effort s d’écrasement,efforts d’éclatement et efforts de flambage.

Il existe deux matériaux principaux de tubage lisse :

PVC (plastique) Acier, avec notamment :

o Acier noiro Acier noir galvaniséo Acier revêtu d’un film plastique o Acier au chrome aluminiumo Acier inoxydable


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Dans le tableau 01 on trouve les caractéristiques des principaux diamètres de tubages.

Les caractéristiques des tubages les plus courants sont les suivantes :

Longueur des éléments : 3 à 6m. Epaisseur : 2à 11mm (acier), 4 à 16 mm (PVC). Diamètre : 100 à 2500 mm (acier), 60 à 315 mm (PVC). Raccordement : manchon soudé, embouts filetés (acier), filetage (PVC).

* M ise en place du tubage

Les risques d’effondrement pouvant être importants, le tubage est mis en place le plusrapidement 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 crépinés) est établi en fonction de la coupe géologique du forage ou sontnotées les différentes "couches" de terrain et les venues d’ eau. Des essais de diagraphie


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3.3.1. Longueur et position des crépines :La longueur et la position de crépine est en fonction de la pression de l’eau dans la nappe etselon la nature et la granulométrie du terrain. Quatre cas peuvent se présenter :

3.3.1.1. Nappe artésienne en terrain homogène (non stratifié) : on crépinera 70% à 80% del’épaisseur aquifère, on commençant toujours de la base de formation.

Si la couche aquifère est très épaisse, il est recommandé, par raison d’économie et derésistance mécanique, de fractionner la crépine en t ronçons d’égale longueurs, séparés par desmorceaux de tube plein de même diamètre (fig 4).

3.3.1.2. Nappe artésienne en terrain hétérogène (stratifié) : on crépinera à 70% à 80% lacouche la plus perméable. On détermine la couche la plus perméable par l’un des méthodessuivantes : analyse des échantillons de ces diverses couches (courbes granulométriques), ouexamen visuel des cutting.

3.3.1.3. Nappe libre en terrain homogène : on crépinera seulement le tiers inférieur (au plus,la moitié) de l’épaisseur de la nappe. En outre, il est rappelé qu’il est préférable de ne pasrabattre le niveau au pompage au-dessous du sommet de la partie crépinée.

3.3.1.4. Nappe libre en terrain hétérogène (couche multiples) : on crépinera la couche la plus perméable (70% à 80 %), si cette couche est mince, il faudrait aussi crépiner d’autrescouches, mais avec des ouvertures différentes. Quatre cas peuvent se présenter (fig5) :

a -sables fin surmontant une épaisse couche de gros sable ou gravier ; crépiner seulement 70%à 80% de sable grossier (ou gravier).

b - forte couche de sable fin surmontant une mince couche de gros sable ou de gravier :crépiner toute la couche grossier et environ la moitié de la couche de sable fin mais avec desouvertures différentes.

c-sable grossier sur montant une couche d’égale épaisseur de sable fin : crépiner toute lacouche de sable fin et la moitié au moins de la sable grossier, avec des ouvertures différents.

d -sable fin, en sandwich entre deux couches de matériaux grossier : crépiner les deux couchesinférieures et le tiers ou la moitié de la couche supérieure, avec des ouvertures différents


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3.3.2. Ouverture (slot) des crépines : la dimension des ouvertures de crépine est définie parl’analyse des courbes granulométriques des terrains pen dant le forage de reconnaissance.

a-dans une formation homogène composée de sable fin uniforme, l’ouverture doit être telleque la crépine retienne, pendent le développement 40% à 50% des sables (l’ouverture de lacrépine est donnée par la valeur de l’abscisse correspondant à l’ordonnée choisie « 40% ou 50% » ).

b-dans une formation hétérogène stratifiée (plusieurs couches) : l’ouverture doit être telle que l escrépines retiennes, pendent le développement 40% à 50% des terrains. Cependant, l’onobservera deux règles suivantes :

*si les matériaux fins se situés au- dessus des gros, il convient de prolonger d’au moins 60cmvers le bas la section de crépine de matériaux fin (fig6).

* si les matériaux fins se situés au- dessous des gros, l’ouverture choisir pour l es élémentsgrossiers, ne doit pas être supérieure au double de celle adaptée aux matériaux fins (s’il yalieu on intercale entre les deux morceaux un tronçon intermédiaire de coté de matériaux gros)

3.3.3. Pose de crépine :

Après le tubage et la cimentation des parties supérieur non exploité par le forage, on poursuivre le forage jusqu’au mur de la couche aquifère.

Avant la mise en place de la crépine, il sera utile de racler les parois du forage à l’aide d’outilsaléseurs ou de « hérissons » travaillant au-dessous des colonnes de soutènement. Cette


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opération doit être rapide juste avant la mise en place de la crépine pour éviter l’éboulementde forage. On peut aussi traiter le cake, au moyen d’acide (fluorhydrique ou chlorhydrique15%), ou par l’empl oi de sels de soude (pyrophosphate, hexamétaphosphate.etc.). aprèsl’élimination de cake, la pose de crépine sera facile et son fonctionnement plus efficace.

*cône de suspension : c’est un dispositif d’attache à baïonnette pour la mise en place etéventuel lement l’extraction de la crépine, quatre fenêtres pour la mise en place du gravieradditionnel dans l’espace annulaire et un cercle extérieur qui viendra se poser sur la rondellede suspension insérée dans le tubage. Cette pièce permet de réaliser la meilleure solution de

pose d’une crépine, car elle présente les avenages suivant :

Suspension de la crépine par le haut (pas de risque de flambage). Facilité de la mise en place du gravier filtrant. Possibilité de rajoute de gravier filtrant. Facilité de la mi se en place et, ultérieurement, d’extraction de la crépine.

*obturateur : c’est un dispositif à baïonnette, isole l’intérieur de la crépine du massif engravier.

*crépine : c’est un tube perforé, servent comme filtre métallique entre le terrain et le forage ,leur rôle dans le forage est le drainage de la nappe.

*sabot : cette pièce avec le raccord droite-gauche peut servir à descendre la crépine etéventuellement son tube d’extension, si l’on n’utilise pas le dispositif à baïonnette. Si lacrépine se trouve arrêtée dans la descente, on injecte de l’eau sous pression ou de la boue pourfaciliter cette descente. Si le gravier additionnel est déjà introduit, l’injection de l’eau

provoque le creusement du gravier et permet à la crépine de descendre sous le poids du trainde tige.

3.4. Gravier filtrant (additionnel) :Ce sont des matériaux meubles formés d’éléments calibré (graviers, granulats), disposé dansl’espace annulaire entre la crépine et les parois de puits pour empêcher l’érosion souterraine et

prévenir l e colmatage et la réduction conséquente de l’efficacité de puits. Le gravier filtre doitêtre assez uniforme, calibré, propre, rond et siliceux de préférence. Il ne doit pas être calcaire,ni concassé.Par ailleurs, il faut savoir qu’un gravier additionne l de granulométrie surdimensionnée dansune formation sableuse fine, peut provoquer un ensablement de l’ouvrage. Par contre, unmassif filtrant de granulométrie trop fine peut conduire à une exploitation partielle de la nappeet rendre difficile l’éliminat ion de la boue de forage.

3.4.1. Slot (diamètre) de gravier additionnel :a-dans une formation du sable fin :La granulométrie de gravier additionnel utiliser dans les forages sera en fonction d’analysegranulométrique des terrains aquifères à capté, elle calcule par la méthode suivante :*on multiplie la valeur de l’abscisse à 70% par un nombre compris entre 4 et 6 (4 pourmatériaux uniformes « KU inf à 2 » et 6 pour matériaux hétérogènes « KU sup à 2 »).*nous avons le coefficient d’uniformité de gravier additionnelle (KU) qui varie entre 2 et 2,5.*on calcule BD=BC/(KU-1)=BC/1.5.*on trace la droite AD.*par projection sur la droite AD, le gravier sera défini comme suite ; 10% (E) d’éléments plus

fins (en poids) et 40% (F) d’éléments plus gros.


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Exemple (fi g7):*coefficient d’uniformité de terrain : KU= d 40/d 90=2,5* BD=BC/(2,5-1)=BC/1,5* F=1.65mm et E=0.65mm*Alor : le gravier sera défini comme suite ; 10% d’éléments plus fins (en poid) que0.65mm et40% d’éléments plus gros 1.65mm.

*sans gravier additi onnel l’ouverture de la crépine est d40% égale 0.30mm, mais avec legravier additionnel l’ouverture de la crépine est d90% sur la droite AD égale0.65mm.

b-dans une formation grossière et les terrains compacts :

dans cet cas le gravier additionnel jouera le rôle de stabilisateur de formation et préviendra leséboulement ou les déformations de la colonne de captage, la granulométrie de gravieradditionnel sera, Alor juste un peu plus forte que la moyenne de celle du terrain, et l’ouverturede la crépine ne change pas avec la mise en place de gravier additionnel ( a inverse du terr ain f in sou l’ouverture de crépine change avec l’ajoute de gravier additionnel ).

3.5. Cimentation :

Cette méthode consiste à remplir, par mélange à base de ciment, tout ou partie de la hauteurde l’espace annulaire entre un tubage et les parois du trou. La cimentation est utiliséenotamment dans les cas suivants :

Pour colmater une cavité ou des grosses fissures qui engendrent de fortes pertes de boue lors de forage.

Pour supprimer des problèmes liés à la géologie des terrains forer (les argiles, lesévaporites, terrains meubles.etc.).

Pour rendre étanche l’espace annulaire et empêcher la pollution par les eaux desurface, des nappes souterraines mises en exploitation.

Pour fixer les colonnes de tubage au terrain et protéger ainsi contre les attaquescorrosives de certaines eaux.

5.4.1. opération de cimentation :

* Préparation du lait de ciment

Cette opération consiste à remplir avec un mélange eau + ciment (laitier de ciment) l'espaceannulaire au dessus du massif de gravier jusqu'à la surface du sol. Le dosage est d'environ 50


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litres d'eau pour 100 kg de ciment, ce qui donne75 litres de laitier. Si vous disposez de bentonite, utiliser le mélange suivant : 75 litres d'eau, 4 kg de bentonite et 100 kg de ciment;ce mélange évitera à l'eau de filtrer hors du ciment, mais le temps de prise sera légèrementsupérieur.* Mise en placeRemplir l'espace annulaire jusqu'au niveau du sol, et laisser sécher un minimum de 12 heures

avant d'effectuer les opérations de développement.La cimentation doit être faite en règle générale avant les essais de pompage. Cependant,lorsqu’il n’est pas possible d'attendre 12 heures, il est toujours possible de faire unecimentation après les opérations de développement et d'essais de pompage, dans la mesure oùun bouchon d’argile a été déposé au dessus du gravier filtre.


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5. LES METHODES DE DEVELOPPEMENT DE PUITS

Le développement d’un forage consiste, entre autres, à améliorer la permé abilité de la formationaquifère située autour de la crépine et à stabiliser cette formation. Il faut savoir que la mise en

production immédiate d’un forage sans développement aurait des conséquences fâcheuses :

Elle ne permettrait pas de d’obtenir le débit optimal pouvant être fourni par l’aquifère. Elle entrainerait très certainement d’importantes venues de sables (risques de dommages à lacrépine et à la pompe, de colmatage, de tassement du massif de gravier).

Développement est donc destiné à parfaire le nettoyage du trou, de la crépine et de massif de gravier età améliorer les caractéristiques hydrodynamiques de l’aquifère autour de la crépine, dans le butd’augmenter le débit exploitable et de produire une eau propre. La perméabilité du terrain prés de crépine est ainsi améliorée, notamment par élimination dans cette zone du maximum d’éléments fins et

par restriction et stabilisation du massif de gravier.

Il existe plusieurs méthodes de développement de puits, les plus utilisés sont :

Développement par pompage et surpompage.

Développement par pompage alterné. Développement par pistonnage. Développement pneumatique. Lavage aux jets à grande vitesse.

5.1. DEVELEPPEMENT PAR POMPAGE

C’est la méthode la plus simple, elle est couramment utilisée, mai ce n’e st pas la plus efficace.

Le procédé consiste à mettre, provisoirement, le forage en production par un pompage à un régimesupérieur à celui fixé pour l’exploitation.

Son avantage réside surtout dans le fait qu’il permet d’obtenir une production régulière p lutôt que danscelui d’un développement absolu, même si ce surpompage a apparemment, débarrassé la zone critiquede la formation du sable fin qu’elle contenait.

Un forage qui aura été surpompé à un débit de 100m 3/h ne produira généralement pas de sable si on se borne à ne l’exploiter qu’à raison de 80m 3/h.

Cela ne saurait signifier que l’ouvrage a été convenablement développé, car, d’abord, rien ne prouvequ’il n’aurait pas débité plus de 100m 3/l s’il avait été traité par l’un des autre procédés ; d’autres part,si pour un raison quelconque, le débit était, même pour un temps très court, porté à 120m 3/h, le forage

produirait du sable.

En fait, le surpompage constitue un moyen de nettoyer le forage en provoquant un début dedéveloppement.

I l est sans effet sur les ponts de sable qui ne peuvent êtr e rompus que par un flux alterné.

Enfin, le procédéentraine une détérior ation rapi de de la pompe uti lisée.

5.2. DEVELOPPEMENT PAR POMPAGE ALTERNE

Comme dans le procèdent, on met le forage en production par pompage et on provoque, à plusieursreprises, des arrêts brusques de la pompe. On crée ainsi des variations brutales de pression qui ont

pour effet de développer la formation. On emploie de préférence une pompe centrifuge classique à axevertical, sans clapet de p ied, mai l’on doit prévoir une assez grande fatigue du matériel utilisé.


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Premier procédéOn utilise la pompe à sa capacité maximum jusqu’à obtenir le plus grand rabattement possible duniveau de l’eau. On arrête alors la pompe et toute l’eau de la colonne d’aspiration retombe dans leforage pendant que le niveau remonte à sa cote de départ. On recommence l’opération autant de foisque nécessaire.

Deuxième procédéMême précédemment, mais dés qu’on a obtenu le rabattement maximum et arrête la pompe, au lieud’attendre que le niveau remonte à sa cote de départ, on recommence le pompage presque aussitôt.Cela a pour effet d’agiter fortement l’eau au fond de la crépine. Il faut cependant prendre garde de ne

pas remettre la pompe en marche avant son arrêt complet pour ne pas risquer une rupture de l’arbre.

Troisième procédéSans chercher à obtenir le rabattement maximum, on pompe jusqu’à ce que l’eau se déverse à lasurface ; on arrête pompe, ce qui libère toute la colonne d’eau, et on recommence. Il s’en suit de b refset puissants chocs de pression sur la couche productrice, à une fréquence beaucoup plus grande quedans les autres procédés.

5.3. DEVELOPPEMENT PAR PISTONNAGE

Cette méthode exercée a l’aide d’un piston actionné verticalement dans les deux sens à l’intérieur d’unforage tubé et crépiné.

Dans son mouvement de remontée, le piston crée une dépression, au- dessous de lui, qui attire l’eau etle sable fin de la formation vers la crépine.

Ce sable traverse la crépine et s’accumule à l’intérieur. On l’extrai t ensuite par cuillérage. On peut prévenir, sous la crépine, un tronçon de tube plein de même diamètre, précisément pour recevoir lesable introduit par la course ascendante du piston.

Dans son mouvement de descente, le piston comprime la nappe, refoule, loin dans le terrain, les fines particules qui n’ont pas été entrainées par opération précédente.

Ils restent en ces points éloignés la vitesse de l’eau ne sera pas suffisante pour les en chasser.

Le classement des matériaux de la formation, tout autour et au voisinage immédiat de la crépine,s’opère progressivement dans cette zone sensible. Les plus gros touchent la crépine et les plus fins endemeurent les plus éloignés, mais chacun finit par rester à sa place et les ponts de sable ne peuvent se

produire à cause de l’alternance du flux.

Mode opératoire :

Descendre le piston dans le forage jusqu’à ce qu’il touche l’eau. Commencer à pistonner doucement, puis augmenter la cadence et la course, mais sans laisser

le câble mollir. Continuer ainsi pendant quelques minutes : le foreur sentira à la tension du câble et au bruit del’outil que le sable a pénétré dans la crépine.

Sortir alors le piston et descendre une cuiller à clapet ou une pompe à sable. Noter la cote du niveau du sable et l’extraire Recommencer à pistonner, puis à curer et comparer les niveaux et les volumes de sable

extraits aux divers cycles d’égale durée. Continuer ainsi jusqu’à ce qu’aucune venues de sable ne se produise. L’opération peut durer de quelque heure à plusieurs semaines.

5.4. DEVELOPPEMENT PNEUMATIQUE

Cette méthode est la plus efficace si elle est bien adaptée et bien conduite. Elle présente l’avantage den’entrainer aucune détérioration du matériel employé. Elle permet de combiner l’action de flux et de


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reflux provoquée par de grands volumes d’air introduit dans l’ouvrage avec celle de mise en production par air lift (éjecteur ou émulseur ).

Ils existent deux méthodes de son utilisation pour développement :

La méthode à forage ouvert :

La figure montre le montage à réaliser. L’opération consiste à alterner les phases de pompage à l’air -lift et de soufflage brusque. Cette dernière phase est réalisée en descendant le tube d’air à l’intérieur dela crépine. Pour faciliter la manœuvre, le robinet d’air doit être du type « à boisseau», à ouverture etfermeture rapides « au quart de tour ». On procède ainsi :

Descendre le pied du tube d’eau à 0.60m environ du sabot de la crépine. Descendre ensuite le tube d’air de façon que sa base soit à environ 0.30m au -dessus de celle

du tube d’eau. Fermer l ’air et laisser la pression s’écouler l’eau pulsée par l’air -lift, jusqu’à ce qu’elle ne

contienne plus de sable. Fermer l’air et laisser la pression monter au maximum au compresseur. Pendant ce temps, descendre le sabot du tube d’air à environ 0.30m au -dessous du sabot du

tube d’eau, soit 0.60m plus bas que précédemment, et à 0.30m du fond de la crépine. Ouvrir brusquement, le robinet d’air. L’eau sera violement projetée au -dehors par le tubed’eau et par le casing, mais pendant un temps très court.

Remonter ensuite le tube à sa première position, ce qui provoque un violent reversement deflux dans le tube d’eau et une grande turbulence dans la formation autour de la crépine. L’eauéjectée par air- lift s’écoule, très trouble, par le tube d’eau.

Quand l’eau est redevenue claire, remonter le tube d’eau 0.60m à 1m et recommencer lesopérations précédentes pour traiter la formation au nouveau niveau du sabot du tube d’eau, etainsi de suite, sur toute la hauteur de la crépine.

Il sera alors nécessaire de redesce ndre le tube d’eau à sa première position afin de sortir, parair- lift, le sable qui s’est déposé tout au fond de la crépine.

Lorsque l’eau, extraite à ce dernier stade, sort claire, sans sable, on peut considérer quel’opération est terminer.

La méthode à forage fermé

La figure montre le montage à réaliser. Le casing est hermétiquement fermé par un joint plein quetraverse le tube d’eau et qui comporte une ouverture raccordée à un robinet de décharge. Un robinet à3 voies à boisseau permet d’opérer les manœuvres indiquées ci -dessous.

Le procédé nécessite quelques précautions, car il peut entrainer un ébranlement du tubage en place,une détérioration de la cimentation et des éboulements dans la zone de production. Les opérations àréaliser sont les suivant :

Manœuvre le robinet 3 voies pour envoyer l’air dans la crépine, le robinet de la décharge étantouvert.

Laisser couler, comme la méthode à forage ouvert, jusqu’à ce que l’eau éjectée sorte claire. Laisser l’eau remonter à son niveau statique dans le forage, ce qu’on peut vérifier en écoutant

l’air sortir par le robinet de décharge. Fermer le robinet de décharge et manœuvre le robinet 3voies pour envoyer l’air, par le tube

supportant le robinet de décharge, à l’intérieur du forage, sous le couvercle du casing. L’eausera refoulée, hors du tube d’eau, au niveau du sol, ainsi que, à travers la crépine, dans laformation adjacente, en brisant les ponts de sable ou de gravier.

Lorsque le niveau de l’eau dans le forage aura été rabattu jusqu’à sabot du tube d’eau, l’airsortira, par tube, à la surface. A ce moment, ouvrir le robinet de décharge et laisser l’eauremonter à son niveau statique, le robinet d’air étant fermé.

Manœuvrer le robinet 3 voies et provoquer à nouveau, par air -lift, le pompage du forage.


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Ré péter ces opérations jusqu’à ce que le forage ne produise plus de sable. Il est alors rarement nécessaire de nettoyer le forage, car la grande vitesse de l’eau provoque

généralement l’expulsion des sables fins. Il n’en serait pas de même s’il s’agissait d e sabl es grossier s ou gr avi ers qui auraient pu pénétr er à tr avers une crépine tr op ouverte ou de construction peu soignée, dans ce cas, i l faudr ait extr air e à la soupape les matériaux qui s’y trouveraient.

On remarque que, dans ce procédé, le tube d’eau et le tube d’air restent fixes, ce qui n’était pas lecas dans la méthode àfor age ouvert.


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5.5. DEVELOPPEMENT PAR LAVAGE AU JET SOUS PRESSION

Le lavage au jet sous pression est une des plus récentes et des meilleures méthodes de développement.C’est aussi la plus simple et la moins couteuse.

Un outil à jet, très facile à construire, une pompe à haute pression, la tuyauterie, rigide ou souple, larobinetterie et la cuverie correspondantes constituent tout l’équipement.

Les puissan ts jets d’eau ou de solution chimique sont projetés, à travers la crépine, dans la formation,ou dans le massif de gravier additionnel qui l’entoure.

Par la lente rotation de cet outil, combinée avec un mouvement vertical de va-et-vient, la surfaceentière de la crépine est soumise à l’action vigoureuse des jets.

La turbulence ainsi criée déplace le sable fin, le limon ou l’argile, qui pénètrent dans la crépine, au -dessus et au- dessous du point où l’on opère. Ces éléments peuvent être retirés, soit par pomp age(pompe ou émulseur), soit par cuillère.

L’outil à jet comprend deux ou quatre buses horizontales de 6 à 12mm d’ouverture ; il est monté à la base d’une colonne rigide de tube de 2 pouces, de la ligne de sonde, ou, même, d’un flexible derefoulement.

Pour que l’énergie du jet soit utilisée au maximum sur la formation et ne soit pas perdue à l’intérieurde la crépine, il est bon que l’extrémité de chaque buse ne soit pas distante de plus de 20mm de lacrépine.

L’efficacité du procédé dépend beaucoup de la pression du jet. Les meilleurs résultats ont été obtenusavec des pressions de 50 à 70 kg/cm 2, ce pendant, on peut déjà commencer à opérer avec des pressionsde 7 à 8 kg/cm 2, surtout si on a pu éliminer le cake de la formation avant la pose de la crépine.

On comprend bien, aussi, que la forme des fentes de la crépine et son mode de construction jouent unrôle considérable dans l’opération de lavage au jet. En effet, la crépine se trouve placée entre le jet etle terrain à développer. Selon le mode de construction, elle peut constituer un obstacle ou, au contraire,améliorer l’action du jet.


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5.6. CONTROL DE LA FIN DEVELOPPEMENT

L’un des deux buts de développement est d’ empêcher les venues de sable ; on peut peser quel’opération sera achevé lorsque l’eau extraite de l’ouvrage ne contiendra plus d’éléments finsindésirables et sortira claire. Pourtant, cet indice n’est pas toujours suffisant pour juger de laterminaison de développement. En effet, une formation peut forte bien avoir été débarrassée de sonsable, sans que, pour autant, l’arrangement de ses éléments constitutifs restés en place, leur

classement, soit optimum.Le rappel du deuxième but du développement permet de bien situer le problème ; il s’agit par cetteopération d’ améliorer la capacité spécifique de l’ouvrage en augmentant la perméabilité de la zonesensible du forage, celle qui entoure la crépine.

Par conséquent, les mesures de perméabilité effectuées sur le forage lui-même permettront de jugerd’efficacité de développement et renseigneront sur le moment où celui-ci sera achevé. Ils plusieursméthodes pour mesurer la perméabilité (LUGEON, LEFRANC-MANDEL et M.BRILLANT).

Une méthode simple captable de fournir le renseignement cherche, il s’agit de tracer les courbesdonnant le t emps mis par la descente du niveau de l’eau (après pistonnage) de puis une cote deréférence, bord du tubage, par exemple. Jusqu’au niveau statique. Les courbes sont tracées après

plusieurs périodes de développement, elles doivent descendre de plus en plus si le développements’effectue normalement.

Lor sque les courbes se superposent, le développement est termi né, la perméabi li téayan t atteint sonmaximum.


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REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Banton, O., Bangoy, M. (1997) Hydrogéologie, multi science environnementale des eaux souterraines, AUPELF-UREF et Presses de l’Université du Québec.

BODELLE J., MARGAT J. L’EAU SOUTERRAINE EN France. Paris : Masson, 1980. 207p.

CASTANY Gilbert (1982). Principe et méthode de l’hydrogéologie. Dunod, 237p.

Detay, M. (1997). La gestion active des aquifères. Masson Paris, 416 p.

Detay, M. (1993). Le forage d’eau, réalisation, entretien et réhabilitation. Masson, 379 p.

Gilli E. Mangan C. Mudry J. (2004.) Hydrogéologie: objets, méthodes, applications. Dunod, Paris, 303 p.

MARGUAT.J (1972). Terminologie hydrogéologique. Edition BRGM. http://www.brgm.fr

MABILLOT Albert. LE FORAGE D’EAU, Guide pratique. Naintre : Crépines Johnson-France SA, 1971. 237p.

Marsily, G. de (1981). Hydrogéologie Quantitative. Masson, Paris, 214 p.

PERSON J. LE FORAGE D’EAU, GUIDE PRATIQUE DES MAITRES D’OUVRAGE . Bureau de recherchesgéologiques et minières. Orléans : BRGM, 1980. 40p.
http://www.brgm.fr/http://www.brgm.fr/http://www.brgm.fr/http://www.brgm.fr/

technique forage eau

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