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WO 2022/167370 1
PCT/EP2022/052229
Description
Titre de l'invention : Trépan et outil de forage de hautes puissances
pulsées
Domaine technique
[0001] La présente invention se rapporte au domaine du forage
et concerne plus particu-
lièrement un outil de forage rotatif de hautes puissances pulsées.
Technique antérieure
[0002] Dans le domaine du forage, il est connu d'utiliser des
outils de forage rotatif pour
creuser la roche. Dans une solution connue, ce type d'outil comporte un trépan
comportant des dents qui creuse la terre ou la roche par rotation. Un tel
forage rotatif
purement mécanique peut s'avérer particulièrement chronophage en particulier
pour
les roches dures.
[0003] Une autre solution connue consiste à utiliser un outil
de hautes puissances pulsées
qui déclenche des arcs électriques dans la roche à partir d'une électrode
haute-tension
et d'une électrode de masse soumises à une différence de potentiel élevé, par
exemple
de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts à quelques centaines de
kilovolts.
Cependant, cette solution ne permet de briser la roche qu'au niveau du couple
d'électrodes, ce qui peut rendre le procédé là encore relativement
chronophage.
[0004] Le document US 8172006 B2 concerne un outil de forage
dont le trépan comporte
des électrodes d'électro-broyage. Dans une forme de réalisation décrite à la
figure 5 de
ce document, le trépan comporte à la fois des dents et une électrode haute-
tension
entourée par une électrode de masse annulaire. Les impulsions électriques ne
sont donc
concentrées qu'au centre de la tête de l'outil, ce qui peut en limiter
l'efficacité et
présente donc un inconvénient. En outre, les électrodes peuvent être
endommagées car
elles sont directement exposées à la roche lors de la rotation du trépan. Dans
une forme
de réalisation décrite à la figure 6 de ce document, le trépan comporte des
rangées de
dents, une électrode haute-tension et une électrode déportée disposée à la
place d'une
rangée de dents. Cependant, avec cette configuration, les impulsions
électriques ne
sont concentrées que sur un côté de l'outil, ce qui peut en limiter
l'efficacité et présente
donc là encore un inconvénient. En outre, les électrodes peuvent être
endommagées car
elles sont directement exposées à la roche lors de la rotation du trépan. Dans
les formes
de réalisation des figures 35 à 37 de cet art antérieur, l'outil est dépourvu
de dents et
n'est pas rotatif pour ne pas endommager les électrodes. Des électrodes haute-
tension
sont réparties au centre de la face avant du trépan et des électrodes de masse
sont
réparties autour des électrodes haute-tension, en périphérie de la face avant
du trépan.
Cette configuration présente l'inconvénient de nécessiter beaucoup d'énergie
pour
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générer des impulsions entre chacune des électrodes haute-tension et une
électrode de
masse. Ensuite, le forage peut s'avérer chronophage avec un tel outil dans la
mesure où
il n'est qu'électrique et non mécanique rotatif. En outre, il n'est pas
certain que les im-
pulsions électriques soient générées efficacement, car cela dépend du
caractère di-
électrique du milieu entre les électrodes haute-tension et les électrodes de
masse.
[0005] Il existe donc un besoin d'une solution simple et
efficace permettant de remédier au
moins en partie à ces inconvénients.
Exposé de l'invention
[0006] A cette fin, l'invention concerne tout d'abord un trépan
pour outil de forage, ledit
trépan comprenant un corps de trépan présentant une face de forage et une face
de
fixation du trépan à un ensemble de rotor de l'outil de forage, ledit corps de
trépan dé-
limitant un canal traversant de passage du flux de fluide reliant la face de
fixation à la
face de forage en débouchant au niveau d'une ouverture faciale centrale
circulaire de la
face de forage, la face de forage comprenant une surface externe reliant
l'ouverture
faciale centrale à la face de fixation et de laquelle s'étend une pluralité
d'organes de
forage répartis uniformément sur ladite surface externe, chaque organe de
forage
comprenant une ailette, s'étendant radialement depuis la surface externe
depuis la face
de fixation jusque dans l'ouverture faciale centrale, et une pluralité de
dents de forage
s'étendant depuis ladite ailette en étant disposées côte-à-côte entre une
première dent
de forage située au niveau de l'extrémité de la face de forage et une dernière
dent de
forage située du côté de la face de fixation, et comportant chacune une embase
et un
élément de coupe disposé à l'extrémité de ladite embase, le trépan comprenant
une
électrode haute-tension disposée dans le canal traversant, au centre de
l'ouverture
faciale centrale en retrait de la première dent de forage de chaque organe de
forage,
chaque organe de forage comprenant une électrode de masse placée à l'extrémité
de
l'ailette, au niveau de ladite électrode haute-tension, de sorte à s'étendre
au moins en
partie au droit de l'ouverture faciale centrale en retrait de la première dent
de forage
dudit organe de forage.
[0007] Chaque couple d'électrodes formé par l'électrode haute-
tension et une électrode de
masse est configuré pour déclencher un arc électrique lorsque ledit couple
reçoit une
tension délivrée à ses bornes par le générateur d'impulsions hautes-
puissances. Ainsi,
en traversant le corps de trépan pour déboucher au niveau de l'ouverture
faciale
centrale, le canal traversant permet d'acheminer le flux de fluide à travers
le trépan de
manière à ce que le fluide circule en continu autour de l'électrode haute-
tension,
formant ainsi un écran de fluide ayant une fonction d'élément diélectrique
permettant à
l'arc électrique de se former entre l'électrode haute-tension et l'une des
électrodes de
masse. Lorsque l'ensemble du rotor est entrainé en rotation par la turbine, le
trépan
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tourne sur lui-même afin de creuser mécaniquement la roche à l'aide des dents.
Ce
faisant, les électrodes de masse présentent une vitesse tangentielle
supérieure à la
vitesse tangentielle de l'électrode haute-tension, qui est proche de zéro
étant donné que
l'électrode haute-tension est située au centre de la face avant du corps de
trépan. Ainsi,
lorsqu'une tension est appliquée entre l'électrode haute-tension et les
électrodes de
masse, un arc électrique est généré entre l'électrode haute-tension et l'une
des
électrodes de masse et au travers de la roche alors que le trépan est en
rotation. Un tel
agencement et un tel fonctionnement permettent au trépan en rotation d'être au
plus
près de la zone fragilisée par la fragmentation électrique tout en protégeant
l'électrode
haute-tension et les électrodes de masse des frottements directs sur la roche.
Le fluide
circulant entre l'électrode haute-tension et les électrodes de masse présente
une double
fonction : une fonction d'élément diélectrique car, entre le fluide et la
roche, l'arc
électrique va privilégier le passage dans la roche et ainsi la fracturer et
une fonction de
boue de forage car la circulation du fluide permet d'évacuer les débris de
roche, en le
convoyant à la surface. En outre, le flux de fluide permet de nettoyer la zone
inter-
électrodes.
[0008] Selon un aspect de l'invention, les organes de forage
sont répartis de manière
uniforme sur la surface externe autour du corps de trépan afin d'améliorer
l'efficacité
du forage, notamment mécanique, tout en permettant l'écoulement des boues de
forages entre les organes de forage.
[0009] De manière préférée, le corps de trépan comprend au
moins trois organes de forage,
de préférence quatre, cinq ou six organes de forage pour améliorer
l'efficacité du
forage tout en permettant l'écoulement des boues de forages entre les organes
de
forage.
[0010] Selon une caractéristique de l'invention, les ailettes
sont issues de matière de la
surface externe du corps de trépan afin d'améliorer la solidité du trépan et
donc
l'efficacité du forage.
[0011] Selon une autre caractéristique de l'invention, les
embases de dents d'un organe de
forage sont issues de matière de l'ailette dudit organe de forage afin
d'améliorer la
solidité du trépan et donc l'efficacité du forage.
[0012] De préférence, les ailettes s'étendent sur la surface
externe de manière incurvée dans
le sens opposé à la rotation du trépan de forage dans un but d'efficacité du
forage.
[0013] De préférence encore, chaque organe de forage comprend
au moins trois dents de
forage, de préférence quatre, cinq ou six dents de forage afin d'améliorer
l'efficacité
du forage.
[0014] Selon une caractéristique de l'invention, l'embase est
de forme sensiblement cy-
lindrique en s'étendant dans une direction orthogonale à l'axe de rotation du
trépan
afin de rendre les dents solides et améliorer ainsi l'efficacité du forage et
la durée de
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vie de l'outil.
[0015] Avantageusement, les éléments de coupe sont réalisés en
un matériau de forage dur
et abrasif, par exemple à partir de particules de diamant polycristallin liées
entre elles,
notamment du type compact en diamant polycristallin (PDC).
[0016] De manière préférée, les électrodes de masse étant
identiques, l'électrode haute-
tension et les électrodes de masse présentent chacune au moins en partie une
forme
sphérique afin de ralentir l'érosion des électrodes. En variante, les
électrodes
pouffaient présenter une forme pointue, par exemple conique, ou toute autre
forme
adaptée.
[0017] Dans une forme de réalisation, les électrodes présentant
chacune au moins en partie
une forme sphérique, le diamètre de l'électrode haute-tension est au moins
égal au
double du diamètre de chaque électrode de masse afin de permettre la formation
d'un
arc électrique entre l'électrode haute-tension et n'importe laquelle des
électrodes de
masse.
[0018] Selon un aspect de l'invention, l'électrode haute-
tension et les six électrodes de
masse sont réalisées en un matériau électriquement conducteur, par exemple du
métal
tel que, de préférence, de l'acier.
[0019] L'invention concerne également un outil de forage
rotatif de hautes puissances
pulsées, ledit outil de forage comportant un ensemble de stator et un ensemble
de rotor,
ledit ensemble de stator comprenant un corps cylindrique creux comportant une
extrémité de fixation adaptée pour être reliée à une tige de forage et une
extrémité
libre, ledit ensemble de rotor comprenant une turbine, montée à l'intérieur du
corps au
niveau de l'extrémité de fixation et configurée pour être entrainée par un
flux de fluide
fourni par la tige de forage afin d'entrainer ledit ensemble de rotor en
rotation, un gé-
nérateur d'impulsions hautes-puissances monté à l'intérieur du corps et relié
soli-
dairement à la turbine et un trépan tel que présenté précédemment s'étendant
en dehors
du corps cylindrique au niveau de l'extrémité libre de l'ensemble de stator.
[0020] Dans une forme de réalisation, l'outil de forage
comprend en outre un générateur
d'électricité configure pour convertir l'énergie mécanique de la turbine en
rotation en
énergie électrique afin d'alimenter le générateur d'impulsions hautes-
puissances.
[0021] De préférence, le générateur est monté à l'intérieur de
l'ensemble de stator.
[0022] De manière avantageuse, l'outil de forage comprend en
outre un moteur de forage
monté à l'intérieur du corps, relié solidairement au générateur d'impulsions
hautes-
puissances et configure pour être entrainé par le flux de fluide ayant
traversé la turbine.
[0023] Avantageusement encore, l'outil de forage comprend en
outre un dispositif de
direction relié solidairement au trépan et se présentant sous la forme d'un
tube articulé
configuré pour recevoir la puissance fournie par la turbine ou la puissance
augmentée
fournie par le moteur de forage et transmettre ladite puissance au trépan,
pour orienter
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le trépan dans une direction donnée et pour transférer le flux de fluide
provenant de la
turbine vers le trépan.
Brève description des dessins
[0024] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront encore à la lecture
de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit
être lue en
regard des dessins annexés sur lesquels :
[0025] [Fig.1] La [Fig.1] est une vue de côté partielle en
transparence d'une forme de réa-
lisation d'un outil de forage selon l'invention.
[00261 [Fig.21 La [Fig.21 est une vue de côté partielle en
perspective du trépan et du
dispositif de direction de l'outil de la [Fig.1] .
[0027] [Fig.3] La [Fig.3] est une vue de face du trépan de
l'outil de la [Fig.1] .
[0028] [Fig.41 La [Fig.41 est une vue de côté partielle en
perspective du trépan de l'outil de
la [Fig.1] , montrant notamment certaines des dents.
Description des modes de réalisation
[0029] On a représenté sur les figures un exemple d'outil de
forage 1 selon l'invention.
L'outil de forage 1 est rotatif et de hautes puissances pulsées.
[0030] I) Outil de forage 1
[0031] En référence à la [Fig.1], l'outil de forage 1 comprend
un ensemble de stator 10 et un
ensemble de rotor 20.
[0032] 1) Ensemble de stator 10
[0033] L'ensemble de stator 10 comprend un corps 110
cylindrique creux comportant une
extrémité de fixation 110A, adaptée pour être reliée à une tige de forage 2,
et une
extrémité libre 110B.
[0034] 2) Ensemble de rotor 20
[0035] L'ensemble de rotor 20 comprend une turbine 210, un
générateur d'impulsions
hautes-puissances 220 et un trépan 230. Dans cet exemple préféré mais non
limitatif,
l'outil de forage 1 comprend en outre un générateur d'électricité 240, un
moteur de
forage 250 et un dispositif de direction 260.
[0036] a) Turbine 210
[0037] La turbine 210 est montée à l'intérieur du corps 110 de
l'ensemble de stator 10 au
niveau de l'extrémité de fixation 110A et est configurée pour être entrainée
par un flux
de fluide fourni par la tige de forage 2 afin d'entrainer ledit ensemble de
rotor 20 en
rotation.
[0038] h) Générateur d'électricité 240
[0039] Le générateur d'électricité 240 est configure pour
convertir l'énergie mécanique de la
turbine 210 en rotation en énergie électrique.
[0040] c) Générateur d'impulsions hautes-puissances 220
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[0041] Le générateur d'impulsions hautes-puissances 220 est
monté à l'intérieur du corps
110 de l'ensemble de stator 10 et est relié solidairement à la turbine 210.
[0042] d) Moteur de forage 250
[0043] Le moteur de forage 250 est de type moteur à boue (
mud motor en langue
anglaise). Le moteur de forage 250 est monté à l'intérieur du corps 110 de
l'ensemble
de stator 10 en étant relié solidairement au générateur d'impulsions hautes-
puissances
220 et est configuré pour être entrainé par le flux de fluide ayant traversé
la turbine 210
afin d'augmenter le couple généré par la turbine 210 et le fournir au trépan
230 via le
dispositif de direction 260.
[0044] e) Dispositif de direction 260
[0045] Le dispositif de direction 260 est relié solidairement
d'une part au moteur de forage
250 et d'autre part au trépan 230.
[0046] Le dispositif de direction 260 se présente sous la forme
d'un tube articulé configure à
la fois pour recevoir la puissance augmentée fournie par le moteur de forage
250 et
transmettre ladite puissance augmentée au trépan 230, pour orienter le trépan
230 dans
une direction donnée et pour transférer le flux de fluide provenant de la
turbine 210 via
le moteur de forage 250 vers le trépan 230.
[0047] f) Trépan 230
[0048] En référence à la [Fig.2], le trépan 230 est relié au
dispositif de direction 260 via une
portion de connexion tubulaire 270 de sorte à s'étendre en dehors du corps 110
cy-
lindrique creux de l'ensemble de stator 10 par l'extrémité libre 110B. Le
trépan 230 est
rotatif autour d'un axe de rotation X.
[0049] Le trépan 230 comprend un corps de trépan 231 présentant
une face de forage 231A
et une face de fixation 231B ([Fig.21). La face de forage 231A est destinée à
venir en
contact avec la roche afin de la broyer. La face de fixation 231B est
configurée pour
fixer le trépan 230 à la portion de connexion tubulaire 270 de sorte que le
corps de
trépan 231 et la portion de connexion tubulaire 270 soient reliés de manière
coaxiale.
[0050] Le corps de trépan 231 délimite un canal traversant 231C
de passage du flux de
fluide reliant la face de fixation 231B, au niveau de la connexion à la
portion de
connexion tubulaire 270, à la face de forage 231A en débouchant au niveau
d'une
ouverture faciale centrale 231A1 circulaire de la face de forage 231A
([Fig.31) pour
permettre au flux de fluide de circuler du trépan 230 vers la roche afin
notamment
d'évacuer les débris rocheux.
[0051] En référence aux figures 3 et 4, le trépan 230 comprend
une électrode haute-tension
232C disposée au centre de l'ouverture faciale centrale 231A1 et présentant
une forme
de demi-sphère dont l'axe est confondu avec l'axe de rotation X. L'axe de
rotation X
passe par le centre de l'ouverture faciale centrale 231A1 et le centre de
l'électrode
haute-tension 232C.
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[0052] Le corps de trépan 231 comprend une surface externe 232
s'étendant de l'ouverture
faciale centrale 231A1 à la face de fixation 231B et de laquelle s'étend une
pluralité
d'organes de forage (ou de coupe) 233 adaptés pour briser la roche.
[00531 Les organes de forage 233 sont de préférence issus de
matière du corps de trépan 231
et sont répartis de manière uniforme sur la surface externe 232, autour du
corps de
trépan 231. Dans l'exemple illustré, qui n'est aucunement limitatif, le trépan
230
comprend six organes de forage 233.
[0054] Chaque organe de forage 233 comprend une ailette 233A
issue de matière de la
surface externe 232 en s'étendant radialement de manière incurvée dans le sens
opposé
à la rotation du trépan 230 de forage dans un but d'efficacité du forage.
[0055] Chaque ailette 233A comprend une extrémité distale
s'étendant en partie dans
l'ouverture faciale centrale 231A1 et une extrémité proximale située au niveau
de la
jonction entre la surface externe 232 et la face de fixation 231B ([Fig.2]).
Chaque
couple d'ailettes 233A adjacentes délimite une rainure 234 permettant
notamment
l'évacuation des boues de forage.
[0056] Des dents de forage 233B sont issues de matière de
l'ailette 233A en étant reparties
côte-à-côte le long de l'ailette 233A depuis l'extrémité distale en direction
de
l'extrémité proximale. Dans l'exemple des figures, notamment à la [Fig.4],
chaque
organe de forage 230 comprend cinq dents de forage 233B.
[0057] Comme illustré sur les figures 2 à 4, chaque dent de
forage 233B s'étend depuis
l'ailette 233A dans une direction orthogonale à l'axe de rotation X du trépan
230 de
sorte à creuser la roche efficacement. Comme illustré sur la [Fig.2],
l'ensemble
comprenant chaque première dent de forage de chaque organe de forage 233
constitue
l'extrémité du corps de trépan 231 venant en premier lieu en contact avec la
roche.
[0058] L'électrode haute-tension 232C est disposée en retrait
des premières dents de forage
233B de chaque organe de forage 233, c'est-à-dire en retrait dans le canal
traversant
231C de passage de fluide, afin de la protéger des frottements de la roche
lors de la
rotation du trépan 230.
[0059] En référence aux figures 3 et 4, chaque dent de forage
233B comporte une embase
233B1 et un élément de coupe 233B2. L'embase 233B1 est issue de matière de
l'ailette
233A et est de forme sensiblement cylindrique en s'étendant dans une direction
or-
thogonale à l'axe de rotation X du trépan 230. L'élément de coupe 233B2 est
disposé à
l'extrémité de l'embase 233B1 dans le sens de rotation du trépan 230 afin de
forer la
roche par rotation de l'ensemble de rotor 20. L'élément de coupe 233B2 est
réalisé en
un matériau de forage dur et abrasif, par exemple à partir de particules de
diamant po-
lycristallin liées entre elles, notamment du type compact en diamant
polycristallin
(PDC). Les éléments de coupe 233B2 peuvent être fabriqués séparément du corps
de
trépan 231 puis fixés sur les embases 233B1 grâce à un matériau de liaison tel
qu'un un
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alliage de brasage.
[0060] Chaque organe de forage 233 comprend une électrode de
masse 233C placée à
l'extrémité de l'ailette 233A, au niveau de l'électrode haute-tension 232C, de
sorte à
s'étendre au moins en partie au droit de l'ouverture faciale centrale 231A1.
De même
que l'électrode haute-tension 232C, chaque électrode de masse 233C est
disposée en
retrait des premières dents de forage 233B des organes de forage 233, c'est-à-
dire en
retrait dans le canal traversant 231C de passage de fluide, afin de la
protéger des
frottements de la roche lors de la rotation du trépan 230. Avantageusement,
chaque
électrode de masse 233C présente une forme de demi-sphère dont l'axe peut être
lé-
gèrement incliné en direction de l'électrode haute-tension 232C, par exemple
entre 0 et
30 , afin d'améliorer la formation d'arc électrique entre l'électrode haute-
tension 232C
et ladite électrode de masse 233C.
[0061] L'électrode haute-tension 232C et les électrodes de
masse 233C sont réalisées en un
matériau électriquement conducteur, par exemple du métal tel que, de
préférence, de
l'acier.
[0062] Chaque couple d'électrodes formé par l'électrode haute-
tension 232C et une
électrode de masse 233C est configuré pour déclencher un arc électrique
lorsque ledit
couple reçoit une tension délivrée à ses bornes par le générateur d'impulsions
hautes-
puissances 220.
[0063] II) Mise en oeuvre
[0064] Le trépan 230 de forage à coupe fixe peut être placé
dans un trou de forage de sorte
que les éléments de coupe 233B2 viennent en butée contre la formation de roche
à
forer, l'électrode haute-tension 232C et les électrodes de masse 233C étant
protégées
de la roche par les dents de forage 233B.
[0065] Afin d'entrainer l'ensemble de rotor 20, et donc le
trépan 230, en rotation, un fluide,
par exemple de type boue, est envoyé par la tige de forage 2 dans la turbine
210 afin de
l'entrainer en rotation.
[0066] Le générateur de puissance 240, entrainé par la turbine
210, génère alors un courant
de charge permettant de recharger les condensateurs du générateur d'impulsion
hautes-
fréquences 220 par le biais d'un circuit électronique adapté.
[0067] Une fois qu'il a traversé la turbine 210, le flux de
fluide traverse le moteur de forage
250 qui augmente la puissance (couple) transmise au trépan 230 afin de forer
la roche
par rotation.
[0068] Lors de la rotation du trépan 230, les éléments de coupe
233B2 raclent et cisaillent la
surface de la formation sous-jacente. Dans le même temps, le générateur
d'impulsion
hautes-fréquences 220 applique périodiquement, par exemple entre 0,5 et 50 im-
pulsions par seconde, de préférence 30 impulsions par seconde, une tension
entre
l'électrode haute-tension 232C et les électrodes de masse 233C afin de
déclencher la
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formation d'un arc électrique permettant de générer des fragments de roche ce
qui
supprime les contraintes mécaniques importantes sur le trépan qui auraient
dues lui être
appliquées pour générer ces fragments.
[00691 En traversant le corps de trépan 231 pour déboucher au
niveau de l'ouverture faciale
centrale 231A1, le canal traversant 231C permet d'acheminer le flux de fluide
à travers
le corps de trépan 231 de manière à ce que le fluide circule en continu autour
de
l'électrode haute-tension 232C, formant ainsi un écran de fluide ayant une
fonction de
diélectrique permettant à l'arc électrique de se former entre l'électrode
haute-tension
232C et l'une des électrodes de masse 233C. Le flux de fluide acheminé à
travers le
trépan 230 permet aussi d'évacuer les débris de roche au niveau de la zone de
forage
vers le haut du puit de forage.
[0070] Avec la rotation du trépan, les électrodes de masse 233C
présentent une vitesse tan-
gentielle supérieure à la vitesse tangentielle de l'électrode haute-tension
232C, qui est
proche de zéro étant donné que l'électrode haute-tension 232C est située au
centre de
la face de forage 231A du corps de trépan 231. Ainsi, lorsqu'une tension est
appliquée
entre l'électrode haute-tension 232C et les électrodes de masse 233C, le flux
de fluide
entourant l'électrode haute-tension 232C crée un milieu efficace qui assure la
formation d'un arc électrique dans la roche entre l'électrode haute-tension
232C et
l'une des électrodes de masse 233C alors que le trépan 230 est en rotation.
[0071] Le fluide présente ainsi une double fonction : une
fonction de diélectrique car, entre
le fluide et la roche, l'arc électrique va privilégier le passage dans la
roche et ainsi la
fracturer et une fonction de boue de forage car la circulation du fluide
permet
d'évacuer les débris de roche, en le convoyant à la surface. En outre, le flux
de fluide
permet de nettoyer la zone inter-électrodes.
CA 03205050 2023- 7- 13
