Brevet FR2128738A1 — publié le 19721020

Le procédé le plus utilisé jusqu'à présent en géophysique pour mesurer des grandeurs géologiques, physiques, géométriques ou chimiques concernant des couches de terrain dans lesquelles un trou est foré, consiste à introduire, momentanément, des sondes de mesure dans un trou, après l1exécu- tion de son forage mécanique. Les informations fournies par les sondes, ou détecteurs, sont converties en signaux électriques et transmises habituellement à la surface du sol au moyen de câbles électriques. Dans la mesure où les sondes, ou détecteurs, doivent être alimentés en énergie électrique, celle -ci leur parvient, également, par des câbles depuis la surface du sol. Ces procédés de mesure présentent 11- inconvénient qu'ils ne peuvent être mis en oeuvre pendant l'opération de forage. I1 est, en effet, nécessaire de sortir les tubes pour effectuer les mesures0 Non seulement cette opération supplémentaire prend du temps, mais encore elle présente le risque que la paroi du trou s'écroule. Ces procédés ne permettent pas non plus le contrôle simultané, ctest-à-dire la surveillance permanente simultanée au cours du forage, de sorte qu'il n'est pas possible de prendre des décisions techniques concernant le forage avant que le tube soit sorti. Etant donné que les sondes de mesure connues doivent être reliées, par des conducteurs isolés, au récepteur placé à la surface du sol, près de l'entrée du trou, il est difficile pour des raisons techniques de disposer les Bondes ou détecteurs de mesure directement sur le tube de forage afin d'effectuer des mesures pendant le forage. La présente invention concerne un dispositif grâce auquel les résultats de mesures effectuées dans le trou peuvent être transmis au récepteur, pendant les opérations de mesure, sans l'aide d'aucun câble. Le dispositif selon l'in- vention comporte un générateur de signaux disposé à l'intérieur du trou et un récepteur placé dans le voisinage de l'entrée du trou. Le générateur de signaux est constitué par un transducteur qui délivre des signaux électriques représentant des résultats de mesure et un émetteur commandé par ce dernier et qui délivre des signaux modulés. Le récepteur démodule les signaux reçus et les visualise au moyen d'un appareil de mesure ou d'un appareil enregistreur. L'invention apporte une solution dont le principe consiste à transmettre les signaux par l'intermédiaire du sol conducteur de l'électricité. Selon l'invention, la sortie d'émission du générateur de signaux et l'entrée du récepteur sont connectées chacune, à cet effet, à un dipôle conducteur relié électriquement au solS de telle manière que les si- gnaux électriques soient transmis par le sol conducteur de l'é- lectricité, sans qu'aucun câble ne soit nécessaire. Il convient d'injecter le courant d'émission dans le sol par. l'intermédiaire d'un dipôle parallèle à l'aie du trou et de le recevoir par un dipôle parallèle à la surface du sol.Ce procédé. est connu en soi, dans son application à la géoélectricité en tant que procédé de mesure par diable de la résistance électrique des couches de terrain. I1 n'a néanmoins jamais été appliqué jusqu'à présent à la transmission de signaux électriques de données. Selon ce procédé, un courant électrique est injecté dans le sol par l'intermédiaire d'un dipôle d'émission et il se répand sous la forme d'un champ de circulation. Cette circulation de courant fait apparattre une chute de tension entre les électrodes du dipôle de réception, de laquelle les données de mesure transmises peuvent être extraites après démodulation. Du fait qu'il n'est pas nécessaire de relier l'émetteur au récepteur par des câbles, l'émetteur peut être monté dans un boîtier, équipé avec une source d'alimentation indépendante, par exemple une batterie de piles sèches ou un accumulateur, directement à 1' extrémité inférieure de la massetige. Si la puissance d'émission doit être plus élevée, par exemple dans le cas de mesure à de plus grandes profondeurs, la tension de la batterie de piles ou-de l'accumulateur peut entre élevée au moyen d'un vibrateur connecté en série avec un circuit redresseur. Le dipôle d'émission peut être constitué par deux segments métalliques, de préférence en forme d'an veaux ou de tubes, isolés électriquement l'un de l'autre et disposés l'un au-dessus de l'autre sur le tube de forage. I1 est encore plus avantageux que 1'un des deux segments du dipôle d'émission soit constitué par le tube de forage lui-même. Dans ce cas, le dipôle d'émission est constitué, par exemple, par une source de courant ponctuelle et une source de courant linéaire. Comme la source de courant linéaire se prolonge, par le tube de forage, jusqutà la surface du so, l'intensité du courant dans le champ de circulation est augmentée considérablement dans la zone du dipôle de réception. Par ce fait, une partie plus ou moins importante de l'ensemble des lignes de courant est également ramenée vers le haut par le tube de forage. Le dispositif selon l'invention est susceptible de transmettre toutes sortes de données de mesures géologiques, physiques, géométriques ou chimiques, par exemple la conductibilité électrique, la température, la teneur en sel ou toute information voulue de ce genre. En ce qui concerne les mesures de température, il est connu d'utiliser, comme transducteur, une thermistance ou tout autre élément sensible à la température, dont une propriété caractéristique, la résistance par exemple, varie en fonction de la température. La résistance électrique des couches forées peut être mesurée, également, selon le procédé des quatre points, mentionné ci-dessus. Selon ce procédé, deux segments métalliques qui constituent des électrodes d'émission injectent dans le sol un courant électrique qui provoque l'apparition d'une chute de tension entre deux autres segments métalliques constituant les électrodes de mesure. Selon une autre caracteistique de l'invention, un courant d'intensité constante, ou une quantité d'électricité constante, est appliqué aux électrodes d'émis sion de manière à maintenir aussi faible que possible le nombre des données à transmettre. Si l'intensité du courant d'émission, ou la quantité d'électricité injectée de manière intermittante, est maintenue constante, il suffit pour déterminer les variations de résistance de transmettre la chute de tension entre les électrodes de mesure. C'est par cette tension que l'émetteur doit entre commandé. Si, selon une autre caractéristique de l'invention, les signaux injectés consistent en oscillations modulées par exemple en fréquence ou en phase, le taux de modulation, ou le décalage de phase ou de fréquence, est une fonction des résultats de mesure obtenus, convertis en signaux électriques. Du fait que le décalage de fréquence ou de phase est indépendant des pertes, la modulation de fréquence ou de phase convient particulièrem ent bien. En cas de modulation d'amplitude, il est également possible de produire un signal indépendant des pertes en ne modulant qu'une seule alternance de l'oscillation de l'émetteur, l'autre alternance n'étant pas modulée, le rapport entre l'alternance modulée et celle qu'il ne l'est pas étant fonction des résultats de mesure obtenus, convertis ea signaux électrique 8. Selon le mode de réalisation décrit, les signaux sont transmis au moyen de trains dsimpulsions modulés en fréquence. Mais des trains d'impulsions modulées en amplitude, en longueur, on en phase, conviendraient également. Ici aussi, le taux de modulation, ou le décalage de phase ou de fréquence, ou le rapport d'impulsions, est une fonction des résultats de mesure obtenus et convertis en signaux électriques. Le dispositif selon l'invention est destiné particulièrement à la mesure et à la transmission de la résistivité des couches de terrain dans lesquelles un trou est foré. Ce dispositif est caractérisé en ce que les électrodes d'émission sont parcourues par un courant alternatif à basse fréquence, ou par un train d'impulsions modulées en fonction de la tension entre les électrodes de mesure, ce courant émis ainsi modulé constituant en même temps, le courant d'émission. Selon cette disposition, les électrodes d'émission constituent donc en meme temps le dipôle émetteur, ce qui amène une simplification considérable. En ce qui concerne la production du courant d'émission, il est également possible de combiner, de manière très simple, le circuit électronique avec le transducteur destiné à moduler le courant d'émission. Plusieurs dispositifs conformes à 1'invention sont représentés, à titre d'exemples non limitatifs, sur les figures ci-jointes, dans lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement le dispositif selon l'invention, ainsi que des lignes équipotentiels et des lignes de circulation de courant, - la figure 2 représente schématiquement l'extrémité inférieure de la masse-tige munie d'un dispositif électronique de mesure de température, - la figure 3 est un diagramme schématique d'un circuit électronique comportant un convertisseur tension-fréquence destiné au dispositif de la figure 2, - la figure 4 représente le schéma détaillé du circuit électronique du dispositif de la figure 2, - la figure 5 représente l'extrémité inférieure de la masse-tige munie, à titre de second exemple,-d'- un dispositif électronique de mesure de résistivité. - la figure 6 représente le diagramme schématique du circuit électronique du dispositif de la figure 5, - la figure 7 représente le schéma du circuit électronique du dispositif de la figure 6. La figure 1 illustre schématiquement le mode de fonctionnement du dispositif selon l'invention. Un tube de forage 2 est enfoncé dans le sol 1, de manière à forer un trou 3. Des électrodes d'émission 4 et 5, ainsi que des électrodes de mesure 6 et 7 sont disposées près de l'extrémité avant de la masse-tige. La surface laterale extérieure du tube de forage 2 joue le rôle d'électrodes d'émission. Le champ de circulation produit par ces deux électrodes 4 et 5 est représentépar les lignes de circulation i. Les lignes équipotentielles e qui correspondent aux électrodes 4 et 5 sont représentées en pointillé. Le récepteur 8 est disposé à Ia-surfa- ce du sol, près de l'entrée 3a du trou, et ses bornes d'entrée sont reliées à des sondes 9 enfoncées dans le sol et qui constituent le dipôle conducteur de réception. Les signaux-reçus par ce dipôle sont amplifiés et démodulés dans le récepteur 8 et visualisés au moyen d'un appareil 10 indicateur ou enregistreur. La figure 2 est une coupe partielle de l'extrémité inférieure de la masse-tige selon l'invention. ludessus du trépan 2a, le tube de forage comporte des segments Il et 12 en forme d'anneaux, isolés électriquement l'un de l'autre et du tube de forage 2 par des anneaux isolants 13.. La représentation des anneaux 11 à 13 est purement schématique. Pour des raisons de robustesse, il est préférable que, contrairement.au dessin, le tube soit continu et que des segments il et 12 soient encastrés à sa surface avec interposition d'un isolant. Les segments il et 12 qui constituent un dipôle conducteur vertical sont connectés à la sortie d'un générateur 14 de signaux. Le circuit d'entrée de ce génërateur de signaux 14 comporte une thermitance 15 dont la résistance varie en fonction de la température. Cette thermistance joue ain- si le rôle d'un transducteur qui produit des signaux correspondant à la température ambiante, qui sont démodulés dans le récepteur 8 de la figure 1 et visualisés sur l'appareil 10. Ainsi que le montre la figure :2, l-len-- semble du circuit électronique se trouve dans-un bortier fermd 16 fixé à l'intérieur du tube de forage 2, de manière que la thermistance 15 soit en contact thermique avec ce tube et, par conséquent, avec l'environnement du trou. La figure 3 illustre schématiquement un mode de réalisation possible du générateur de signaux 14. Une thermistance 15 se trouve dans le circuit d'entrée de l'émetteur 14a, qui n'est pas représenté en détail, qui sert en même temps de convertisseur tension-fréquence et qui est alimenté par une batterie 14b. La thermistance 15 est alimentée par la batterie 14c, par l'intermédiaire d'une résistance 17, de manière que la tension UvAR aux bornes de la thermistance 15 soit réduite. Phi-- que la résistance de la thermistance 15 varie en fonction de la température, la tension UvAR varie en conséquence.L'émetteur 14a est réalisé de manière que la fréquence- de sa tension de sortie u varie en fonction de la tension d'entrée et il applique donc au dipôle d'émission dont les segments annulaires tl et 12 sont connectés à sa sortie, des signaux modulés en fréquence, dont la fréquence est fonction de la température ambiante. Entant donné que les sources de tension 14b et 14c forment un tout avec l'émetteur 14a du générateur de signaux 14 et qu'ils sont montés ensemble dans le boîtier 16, le dispositif selon l'invention ne nécessite aucune ligne d'alimentation. La figure 4 représente le schéma de réalisation du circuit électronique de la figure 2, destiné à la mesure des températures. L'émetteur est constitué par un générateur de Wien, de type connu, dont le circuit d'entrée est connecté en pont de Wien. Ce pont de Wien comporte-un circuit RC en série 18, 19 et un circuit RC en parallèle 20, 21. Des thermistances 15a et 15b sont connectées respectivement en série avec les résistances 18 et 20 des deux circuits RC. Les variations de température entraînent des variations des ré-sistances dest deux circuits RC, qui font varier la fréquence propre du générateur constitué, de manière connue, par des transistors 22, ?3 et 24. Les deux thermistances 15a et 15b sont en-contact thermi- que dans les mêmes conditions avec le tube de forage, de sorte qu'elles sont toujours à la même température. Au lieu du segment annulaire Il de la figure 2, toute la partie supérieure du tube de forage 2, -isolée électriquement du segment 12, peut constituer une électrode d'émission du dipôle vertical d'émission. Dans ce cas, le champ de circulation est formé, ainsi que le représente la figure 1, entre l'électrode annulaire 12 et la partie supérieure du tube de forage 2 qui émet comme une source linéaire longue. les figures 5 à 7 illustrent un dispositif destiné à mesurer la résistance électrique du sol autour du tube de forage, dans le voisinage des segments métalliques 25, 26 et 27 qui constituent les électrodes d'émission et de mesure. Le générateur de signaux injecte dans le sol une impulsion de courant, par 1 intermédiaire de la partie supérieure du tube de forage 2' qui Be comporte comme une source linéaire, et du segment 25 qui se comporte commune une source pontuelle. Selon le procédé par dipôle bien connu, la résistivité dans le voisinage du trou foré peut 8tre déduite de la tension d'impulsion obtenue au moyen des électrodes de mesure 26 et 27, au moyen de l'équation ci-après t dans cette formule : UM représente la tension entre les sondes de mesure 26 et 27; iE représente le courant d'émission injecté par le tube de fo rage 2' et le segment 25; représente un facteur de géométrie qui dépend des dimensions des segments et des distances qui les séparent ainsi que de la disposition éventuelle d'autres masses métalliques cons tituant des court-circuits, la partie inférieure de la masse tige par exemple. Afin de connaître la valeur de la résistivité à l'aide d'un appareil de mesure installé à la surface du sol, il faudrait transmettre aussi bien l'intensité du courant d'émission que la chute de tension entre les électrodes de mesure 26 et 27. Cela pourrait être possible sans autre difficulté si ce n'était l'invertissement technique correspondant. Selon une autre caractéristique de l'invention, cet investissement peut neanmoins être réduit à condition d'injecter, soit des courants d'intensité constante, soit des impulsions de courant qui transportent une quantité d'électricité constante e Il suffit alors de transmettre la valeur de la chute de tension entre les électrodes de mesure 26 et 27. Il s'est avéré particulièrement utile d'injecter le courant d'émission sous forme d'impulsions qui transportent une quantité d'électricité connue et toujours constante, de manière que l'intégrale par rapport au temps de la tension entre les électrodes de mesure 26 et 27 représente la valeur de la résistivité de la couche du sol environnante.Un transducteur désigné par 28a sur le diagramme synoptique de la figure 10 permet d'extraire de la tension mesurée une commande pondérée qui, de préférence, module la fréquence de l'émetteur 28b du générateur de signaux 28. Un circuit particulièrement simplifié peut être réalisé lorsque la fréquence de répétition des impulsions de courant émises est modifiée en fonction de la tension entre les sondes. Dans ce cas, le courant d'émission peut simultanément assumer la fonction de courant d'émetteur chargé du transfert des signaux, l'information étant contenue dans la fréquence de répétition instantanée des impulsions émises. Grâce à cette simplicité de la détermination de la résistance et de la transmission des informations obtenues, il suffit de trois segments 25, 26 et 27 isolés électriquement du tube de forage 2'. Selon cette disposition; la source d'énergie, constituée par exemple par une batterie de piles sèches 28c, est montée dans le générateur de signaux placé lui-même dans un boîtier de protection 16' fixé au tube de forage 2'. Le boîtier 16' protège aussi bien le circuit électronique 28 que les fils 29 de connexion aux électrodes. La figure 7 représente le schéma d'un exemple de réalisation très simple de circuit selon l'invention, destiné au dispositif des figures 5 et 6. L'émetteur est constitué, essentiellement, par un circuit oscillateur à relaxation comportant un tube à décharge 30, un condensateur de charge 31 et deux résistances de charge 32 et 33 connectées en série. Une source d'énergie 28c, constituée de préférence par une batterie de piles sèches, est connectée en série entre le condensateur 31 et les résistances 32 et 33. Le tube à décharge 30 est connecté dans le circuit constitué par le condensateur de charge 31, la bobine d'inductance 34 et le sol, entre les électrodes 21 et 25. Ce dispositif fonctionne de la manière suivante. Le condensateur 31 se charge-par l'in- termédiaire des résistances 32 et 33 jusqu'à ce que sa tension aux bornes atteigne la tension d'amorçage du tube à décharge 30. Lorsque la tension d'amorçage est atteinte, le condensateur 31 se décharge par le tube à décharge et le sol, entre les électrodes 2' et 25, jusqu'à ce que sa tension aux bornes atteigne la tension d'extinction, sensiblement plus faible, du tube à déchar- ge. La quantité d'électricité de la charge est déterminée par la tension d'amorçage, la tension d'extinction et la capacité du condensateur. La bobine d'inductance 34 transforme les impulsions de décharge à front raide en oscillations à peu près sinusoSda- les. Les impulsions de courant émises par les électrodes 2' et 25 font apparaître, entre les électrodes de mesure 26 et 27, des impulsions de tension à peu près sinusorda- les dont la tension est élevée par le transformateur 35- qui assure également la fonction d'isolement électrique. aes- impul- sions sont ensuite redressées par un circuit redresseur constitué par une diode 36 et un condensateur 37. Lfélectrode de la diode 36 reliée au condensateur 37 est également connectée, parl'in- termédiaire d'une résistance 38 en série, à la base du transistor 39.Les signaux délivrés par le redresseur, et qui sont néga tifs par rapport à l'émetteur du transistor 39, débloquent ce dernier par impulsions, la durée de ces impulsions étant fonction de la quantité d'électricité transférée et, par conséquent, de la résistance électrique des couches de sol voisines. Le transistor 39 court-circuite donc la résistance partielle 32 par son circuit collecteur-émetteur dont la résistance est faible à ce moment, et le condensateur 31 du circuit à relaxation se charge plus rapidement. La fréquence de répétition des impulsions délivrées par ce circuit est donc augmentée. La fréquence de répétition des impulsions produite par ce circuit augmente avec la résistance électrique du sol environnant, car la quantité d'électricité avec laquelle le condensateur est chargé augmente avec la résistivité du sol. La détection de la fréquence des im pulsions de courant reçues par le dipôle de réception fournit une valeur caractéristique de la résistivité correspondante. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés à partir desquels on pourra prévoir d'autres-modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 'REVENDICAIONS 1.- Dispositif de mesure et de transmission de données de mesures concernant des couches de terrain traversées par un trou de forage, avec un générateur de signaux à l'intérieur du trou, comprenant un convertisseur qui délivre des signaux électriques représentant les données de mesure et un émetteur commandé par ce dernier qui émet des signaux modulés, ainsi qu'un récepteur disposé dans le voisinage de l'entrée du trou, et qui démodule les signaux reçus et les visualise au moyen d'un appareil de mesure ou d'enregistrement, caractérisé en ce que la sortie de l'émetteur du générateur de signaux et l'entrée du récepteur sont reliées à des diables conducteurs qui sont en contact électrique avec le sol de manière que les signaux électriques soient transmis, sans fil, par l'intermédiaire du sol conducteur de l'électricité. 2,- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dipôle d'émission est parallèle à l'axe du trou et le diable de réception est parallèle à la surface du sol. 3.- Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'émetteur est associé à une source d'énergie indépendante, disposée à l'extrémité inférieure du tube de forage 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dipôle d'émission est constitué par deux segments métalliques, de préférence en forme d'anneaux ou de tubes, montés l'un au-dessus de l'autre sur le tube de forage et isolés électriquement l'un de l'autre. 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'un des deux segments du diable d'émission est constitué par le tube de forage métallique luimeAme. 6.- Dispositif de mesure de température selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce queletransducteur est constitué, de la manière connue, par une thermistance ou un élément de ce genre sensible à la température. 70" Dispositif de détermination de la résistivité selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que deux paires de segments métalliques montés sur le tube de forage constituent les électrodes d'émission et de mesure, les électrodes d'émission étant alimentées par un courant d'intensité constante ou par des quantités d'électricité constantes, l'émetteur étant commandé par la chute de tension entre les électrodes de mesure. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'émetteur délivre des oscillations modulées en amplitude, en fréquence ou en phase, le taux de modulation, ou l'excursion de fréquence ou de phase étant fonction des données de mesure déterminées et converties en signaux électriques. 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une seule alternance des oscillations de l'émetteur est modulée, le rapport entre l'alternance modulée et l'alternance non modulée étant fonction des données de mesure déterminées et converties en signaux électriques. 10.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'émetteur émet des trains d'impulsions modulées en amplitude, en longueur, en phase ou en fréquence, le taux de modulation, le rapport d'impulsion, l'excursion de phase ou de fréquence étant fonction des données de mesure déterminées et converties en signaux électriques. 11.- Dispositif selon la revendication 6 et l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'émetteur consiste en un générateur de Wien à résistance et condensateur, dont la fréquence propre est fonction de la tension d'entrée, et dont le circuit d'entrée comporte la ou les thermistances. 12.- Dispositif selon la revendication 7 et l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les électrodes d'émission sont alimentées par un courant alternatif ou par un train d'impulsions de basse fréquence modulées en fonction de la tension entre les électrodes de mesure, le courant émis ainsi modulé constituant en même temps le courant d'émission. 13.- Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de relaxation destiné à délivrer des impulsions qui transportent une quantité d'électricité constante dont la sortie est reliée aux électrodes d'émission, ainsi qu'un circuit de commande dont entrée est connectée aux électrodes de mesure et qui commande la fréquence du circuit de relaxation en fonction de la tension entre les électrodes de mesure. 14.- Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le circuit de relaxation comporte un tube à décharge ou autre, connecté en série avec un condensateur de charge et de préférence une bobine dtinductance entre les électrodes d'émission, le condensateur de charge étant connecté à une source de tension par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs résistances de charge. 15.- Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte un transistor connecté en dérivation sur une résistance partielle de la résistance de charge et commandé par un circuit redresseur alimenté à son'tour de préférence par l'intermédiaire drun transformateur, par les impulsions de tension qui apparaissent entre les électrodes de mesure.