Brevet FR2045721A1 — publié le 19710305

La -présente invention cqncerne un procédé permettant d'accroître très sensiblement la précision des mesures effectuees sur des signaux induits par la précession libre de protons autour d'un champ magnetique permanent ou champ directeur, tel que le champ terr-estwe.- sn s'ait que'les noyaux d'-un grand nombre d'atomes possèdent un moment cinétique ou spin auquel est toujours associe un moment magnétique de même direction ce qui permet d'assimiler chaque noyau à un gyroscope d'axe confondu avec celui de son moment magnétique. Ces noyaux, dans un champ magnetique permanent pouvant Entre constitué par le seul champ magnétique terrestre, prennent une aimantation d'équilibre lorsque la résultante de leurs moments magnétiques est orientée dans le sens du champ magnétique dirscteur. Dans le procédé considéré, on applique aux noyaux un second champ magnétique, dit de polarisation, de direction différente de celle du champ directeur. Dans ce cas, la résultante des moments magnétiques nucléaires s'oriente dans le sens de la résultante du champ directeur et du champ de polarisation. Après coupure du champ de polarisation, la résultante "des moments magnétiques ne revient pas directement s'aligner avec la direction du champ directeur, mais par suite du caractère gyroscopique de l'aimantation des noyaux, tout se passe. en l'absence de toute nouvelle perturbation magnétique, comme si cette resultante effectuait un mouvement de précession libre autour de cette direction, c'est-à-dire décrivait un cône d'axe parallèle à cette direction, la fréquence de précession etant,'pour une intensité donne du champ magnétique directeur, caractéristique du noyau, c'est-'è-dire de l'isotope correspondant de l'élément auquel il appartient.L1existence de forces d'amortissement se traduit par une diminution progressive de l'angle au sommet du c8ne de précession, l'axe du moment magnétique résultant se rapprochant peu = peu de la direction du champ Ùgntie directeur. Le mouvement de précession libre peut être détecté en recueillant le signal électrique qu'il induit dans un bobinage électrique pouvant être ou non le neume que celui ayant servi à produire le champ magnétique de polarisation, le signal recueilli ayant sensiblement la forme d'un sinusoïde amortie. De nombreuses méthodes de détection, notamment d'hydrocarbures, dans des ëchantillons ou dans le sous-sol, sont basées sur 1 mesure de caractéristiques d'un tel sional de précession libre, par exemple sur la,,détermination de la constante de tempsde décroissance du signal ou temps de relaxation, ou encore sur l'analyse spectrographique de ce signal, comme dans le procédé décrit dans le brevet français 1 475 608, intitulé procédé de détection des hydrocarbures". La précision des mesures effectuées sur des signaux induits par la précession libre de protons autour d'un champ magnétique directeur est d'autant plus grande que l'amplitudc initiale du signal recueilli après la coupure du champ de polarisation est plus élevée, ce signal ayant, comme déjà indiqué ci-dessus, sensiblement la forme d'une sinusoïde 4 amortie, mais l'amplification du signal recueilli est évidemment' limitée par la nécessité de conserver un rapport signal/bruit acceptable. La théorie classique de l'induction enseigne que l'amplitude initiale A du signal de précession libre induit dans une bobine, après coupure dtun champ magnétique de prépolarisation orienté dans une direction distincte de celle du champ directeur, cette direction étant celle de l'axe de 13 bobine,a sa valeur maximale A lorsque l'axe de la bobine o réceptrice est disposé perpendiculairement à la direction du champ magnétique directeur, avec une loi de la forme A = Ao cos # où O est l'angle enivre l'axe de 13 bine et la direction perpendic laire à celle du champ magnétique directeur. En pratique cependant, lorsque la bobine est situé dans une sonde descendue a' l'intérieur d'un puits, il est très difficile dix donner à l'axe de cette bobine une direction particulière qui permettrait de recueillir un signal d'amplitiude maximal. Les auteurs de la présente invention, après avoir établi expérimentalement que la loi de variation de l'amplitude initiale du signal de précession libre recueilli en fonction de l'orientation de l'axe de la bobine par rapport à la direction du champ directeur, toutes choses égales par ailleurs s'carte très sensiblement de la loi simple indiquée ci-dessus, ont imaginé un procédé, tenant copte de leurs résultats expérimentaux, qui permet d'augmenter considérablement la précision desmesures devant être effectuées sur un signal induit par la précession libre des protons autour d'un champ magnétique directeur Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on effectue au moins deux détections qui sont réalisées avec la même orientation de l'axe de la bobine réceptrice, mais en inversant le sens du champ magnétique de polarisation pour la même valeur de celui-ci et en ce que l'on isole celui des deux signaux de précession libre recueillis par la bobine dont l'amplitude est la plus grande. Le champ magnétique de polarisation pourra être produit en alimentent en courant électrique continu une bobine d'axe parallèle à celui de la bobine réceptrice qui recueille le signal de précession libre à chacune de deux détections, les deux bobines pouvant en partioulier Etre coaxiales. L'inversion du sens du champ magétique de polarisation sera réalisée en changeant le polarit@ dudit courant ocntine d'excitation. Il sera également possible d'utiliser la rême bobine pour produire le champ magnétique de polarisa4io-- et pour recueillir le signal de précession libre. L'invention est décrite ci-aDrès plus en détail en se référant aux dessins annexes, où - la figure 1 rassemble dans un graphique des résultats expérimentaux rolatifs à la précession libre de protons, en regard de-la courbe théorique, - la figure 2 représente très schématiquement un dispositif de détection basé sur la précession libre adapté à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Sur ia figure 1 représentant les résultats d'expériences de précession libre de protons autour du champ magnétique terrestre H (le plan de la figure est le plan méridien magnétique, et h'h l'horizontale de ce plan), on a porté sur chaque rayon vecteur issu de l'origine 0 un segment proportionnel à l'amplitude initiale A du signal de précession libre détecté dans une bqbine lorsque l'are de celle-ci est disposé suivant le rayon vecteur considéré, ce signal de précession libre étant recueilli au moment de la coupure d'un champ de polarisation créé par la bobine elle-même suivant son axe. Selon la théorie de l'induction cette amplitude doit être de la forme: A = A cos O o où # est l'angle que fait l'axe de la bobine réceptrice avec la perpendiculaire au champ directeur H, c'est-à-dire c~e la courbe obtenue doit être formée de deux cercles (dessinés en tirets) symétriques par rapport à la direction du champ terrestre, l'amplitude meximale du signal oyant obtenue lor@@@@ l'axe de la bobine est disposé perpendiculairement à la directior du champ terrestre, suivant t't. a courbe expérimentale relevée est en réalité formé de deux ellipses symétriques par rapport à la direction du champ terrestre et dont les grands axes sont, par rapport à la perpendiculaire t't, inclinés vers la direction opposée à celle du champ magnétique directeur. Tenant compte de ce résultat expérimenta, le procédé selon l'invention de mesure des signaux de précession libre consiste à effectuer pour une même orientation # de la bobine réceptrice au moins deux détections correspondant à des valeurs opposées du champ magnétique de polarisation et à ne mesurer que celui des deux signaux de précession libre recueillis dont l'amplitude initiale est la plus grande ;; dans l'exemple correspondant à la figure 1 on ne considérera que le signal obtenu lorsque le champ magnétique de polarisation a également pour orientation #, puisque sa valeur initiale (valeur au début de ia réception), proportionnelle à la longueur du segment OM1, est supérieure à celle (figurée par 0M2) du signal obtenu en inversant le sens du champ magnétique de polarisation. L'intensité du signal de précession libre ainsi recueilli est supérieure à l'intensité théorique qui devrait être la même pour les deux mesures (OH1 > OM , 0 = 0M'). Le procédé selon l'invention, consistant à effectuer deux mesures (Oh , O@2) pour deux valeurs égales mais de polarités opposées du champ de prépolarisation en ne retenant que celle des deux mesures fournissant le signal de préces.sion libre dont l'intensité (correspondant 3 OM1) est la plus éleva, présente un avantage considérable par rapport au procédé habituel où l'on n'effecute qu'une seule mesure, puisque cette mesure unique peut être celle-correspondant au segment OM2, ce qui donne une moins bonze précision. La figure 2 représente de façon très schématique un exemple d'appareillage pour la mise en oeuvre automatique d procédé selon l'invention. Il comporte une source de tension électrique S connecte à la bobine de polarisation B par l'intermédiaire d'un inverseur I, permettant dtinverser la polarité du courant électrique traversant ia bobine B et par conséquent le sens du champ magnétique de polarisation. Un dispositif de commutation schématisé en C permet la coupure du champ magnétique de polarisation et le passage en position de détection du signal de précession libre induit dans la bobine B au moment de la coupure de ce champ. Ce signal de précession libre est appliqué à un comparateur à mémoire M qui compare les intensités des deux signaux de précession libre obtenus pour les deux positions de l'inverseur I respectivement pour ne laisser passer que le plus grand de ces signaux vers l'enregistreur E. R E V E N D I C A T I 0 N S 1- Procédé pour améliorer la précision des mesures basées sur la précession libre des protons autour d'un champ magnétique directeur, tel que le camp terrestre, comportant les étapes suivantes : a) application à ces protons dlun second champ magnétique, dit de polarisation, de direction. différente de celle du champ directeur. - b) interruption-de ce champ de polarisation et c) détection d'un signal électrique induit dans un circuit récepteur par la précession libre des protons autour du champ magnétique directeur, ce procédé étant caractérisé en ce que lton répète au moins une fois les étapes précédentes avec une même orientation du circuit récepteur, mais en inversant le sens du champ magnétique de polarisation, en recueillant au moins un autre signal de précession- libre et en ce que l'on isole celui de ces signaux de précession libre dont l'amplitude est la plus grande. 2 - Appareillage de mesure de signaux de précession libre des protons dans un champ magnétique directeur, comportant une source de tension électrique, un circuit électrique pour la création d'un champ magnétique de polarisation des protons, réuni aux bornes de ladite source par des moyens de connexion intermittente, un circuit de détection de signaux électriques induits par la précession libre des protons au moment de la coupure du champ de polarisation, cet appareillage étant caractérisé par des moyens de commutation à deux positions correspondant à des sens opposés dudit champ magnétique de oolarisation, en combinaison avec des moyens pour isoler des deux signaux de précession libre détectes dans les deux positions deriii s moyens de commutation respectivement, celui dont l'intensité est la plus élevée.