Brevet FR2138336A1 — publié le 19730105

La présente invention se rapporte aux appareils de diagraphie acoustique des forages et a plus particulièrement pour objet une sonde utilisée dans de tels appareils. Les appareils de diagraphie par voie acoustique utilisent des sondes comportant au moins trois transducteurs. L'un de ces transducteurs sert à émettre des trains d'ondes d'énergie acoustique qui se propagent dans les formations voisines, tandis que les deux autres, montés à des distances différentes de ltémetteur, servent de récepteurs de ces ondes. En fonctionnement, le transducteur émetteur libère un premier train d'ondes acoustiques, en mêe temps qu'il déclenche l'avance d'une échelle comptantedécomptante au rythme des impulsions d'une horloge ; cette échelle est stoppée à 1 l'arrivée des ondes sur le transducteur récepteur le plus éloigné de l'émetteur. Ce dernier libère alors un deuxième train d'ondes acoustiques, en même temps qu'il déclenche le recul de l'échelle au rythme des impulsions de la meme horloge cette cette échelle est stoppée à l'arrivée des ondes sur le transdueteur récepteur le plus proche de l'émetteur.L'état de ladite échelle est alors représentatif du temps mis par le son pour se propager entre les deux récepteurs et l'on peut en déduire sa vitesse qui constitue un paramètre essentiel de l'étude des formations traversées par un forage. Très souvent, pour améliorer la qualité de la mesure et éviter notamment les erreurs dues à une inclinaison de la sonde par rapport au forage, on utilise plus de trois transducteurs mais, quel que soit le nombre de ceux-ci, les sondes de diagraphie acoustique connues à ce jour sont essentiellement de deux types, à savoir les sondes dans lesquelles les transdicteurs sont montés sur un support unique formant le corps même de la sonde, et les sondes qui comportent un corps principal et un patin relié à ce corps par des bras articulés permettant son application contre la paroi du forage ; dans ce cas, les patins portent soit la totalité, soit une partie des transducteurs. I1 apparatt immédiatement que les moyens de support des transducteurs, ctest-à-dire, dans un cas, le corps de la sonde et, dans l'autre cas, le corps de la sonde, le patin et ses bras de liaison au corps, doivent être construits de façon que l'énergie acoustique ne puisse sty propager ou, du moins, que sa propagation se fasse à une vitesse notablement inférieure à celle qu'elle a dans les formations explorées. I1 est clair, en effet, que si cette condition n'est pas remplie, le circuiL de mesure du temps risque d'être stoppé prématurément par les ondes acoustiques libérées par ltémetteur et se propageant dans les supportes, ce qui interdit toute mesure valable.Cette transmission parasite, le long des supports, des ondes provenant de l'émetteur n'est pas, toutefois, la seule qui doit etre combattue. En effet, il est bien connu que le déplacement de la sonde dans le forage engendre des ondes de bruit dues à son frottement - ou même à des chocs - contre les parois. Les supports de la sonde doivent donc également être en mesure d'éviter que ces ondes de bruit aient un effet parasite sur les récepteurs. Pour résoudre ces problèmes de transmission parasite dans les sondes d'exploration acoustique, on a proposé d'utiliser des supports de transducteurs réalisés en un matériau à forte atténuation acoustique, tel qu'un élastomère ou un plastique. Malheureusement, de tels supports sont généralement trop fragiles pour que leur fiabilité soit satisfaisante dans les conditions d'utilisation. On a aussi proposé des supports tubulaires rigides comportant des entailles destinées à allonger le chemin que doit suivre l'énergie acoustique entre les transducteurs, de manière que les ondes qui se propagent dans les formations arrivent sur les récepteurs avant celles qui se propagent dans les supports. On connaît enfin des supports tubulaires rigides formés par un tube intérieur segmenté en sections et un tube extérieur coaxial également segmenté en sections ; les sections intérieures sont placées en quinconce par rapport aux sections extérieures et la jonction entre sections extérieures et intérieures est réalisée au moyen de sections intermédiaires plus courtes réunissant chacune l'extrémité d'une section extérieure à ltextrémité voisine d'une section intérieure.Ainsi, l'énergie acoustique qui se propage le long des supports peut avoir un parcours suffisamment long pour ne pas risquer de provoquer un arret prématuré de 1' échelle de comptage. Ces deux dernières dispositions présentent toutefois l'inconvénient de n'avoir sur les ondes acoustiques qu'un effet essentiellement retardateur, de telle sorte que la protection contre les bruits de déplacement, générés de façon aléatoire et éventuellement très près des récepteurs, est relativement mal assurée. La présente invention propose une structure de support qui répond d'une façon plus satisfaisante aux exigences de la pratique énoncées ci-dessus, car elle constitue un véritable filtre acoustique passe-bas et peut donc assurer une élimination des ondes acoustiques, ce qui, de toute évidence, est plus efficace que l'effet obtenu par les structures antérieures. Suivant l'invention, une sonde d'exploration acoustique des forages, comprenant des transducteurs et des moyens de support de ces transducteurs, est principalement remarquable en ce que lesdits moyens de support présentent, au moins partiellement, une structure périodique formée de masses et d'organes élastiques de liaison desdites masses entre elles. L'invention prévoit diverses variantes de réalisation de cette structure périodique élastique ; à titre d'exemple non limitatif, elle peut être constituée - soit par un bloc métallique dans lequel sont pratiquées des fenêtres définissant des masses reliées entre elles par des portions à section relativement faible ; - soit par des pavés métalliques reliés par des tiges métalliques ; - soit par des pavés métalliques disposés entre deux berceaux métalliques comportant des entailles ; - soit par des pavés métalliques noyés dans un milieu élastique. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnée naturellement à titre explicatif mais nullement limitatif. Sur ces dessins : - les figures 1 et 2 représentent de manière schématique deux types de sondes de diagraphie acoustique, - la figure 3 est une représentation symbolique de la structure suivant l'invention, - et les figures 4, 5, 6, 7 et 8 représentent différentes formes de réalisation d'une structure de sonde conforme à l'invention. Sur les figures 1 et 2 on a représenté à titre d'exemple, de façon très schématique, en 10 et 10' respectivement, deux formes de réalisation d'une sonde de diagraphie acoustique. Ces sondes apparaissent chacune dans un forage 13 suspendues à un câble 12 passant sur une poulie 13 et aboutissant à un équipement de surface 14. La sonde 10 comporte un corps 15 alors que la sonde 10' comporte un corps 16 et un patin 17 relié au corps par deux bras articulés 18. Les deux sondes comportent chacune trois transducteurs acoustiques : un transducteur d'émission 19 et deux transducteurs de réception 20 et 21. Dans la sonde 10, ces trois transducteurs sont naturellement montés sur le corps 15. Dans la sonde 10', le transducteur d'émission 19 est montésur le corps et les transducteurs de réception 20 et 21 sont sur le patin 17. La sonde 10 est maintenue sensiblement dans l'axe du forage 11 à l'aide de centreurs 22 tels que des lames de ressort. La sonde 1G' est par contre excentrée dans le forage suivant la direction de déplacement du patin 17,grace à des bras d'appui 23. Corormément à la présente invention, une sonde de diagraphie acoustique possède, quel que soit son type, une structure périodique formée, comme le symbolise la figure 3, de masses K reliées les unes aux autres par des organes élastiques ou ressorts K. On démontre qu'une telle structure constitue, pour les vibrations auxquelles elle est soumise, et notamment pour les vibrations dues aux ondes énergie acoustique, un véritable filtre passe-bas caractérisé par une fréquence de coupure fc telle que k et m représentant respectivement la constante de rappel des ressorts K et le poids des masses M. Le comportement de cette structure périodique peut se définir de la manière suivante 1. Elle autorise la propagation des ondes acoustiques ayant une fréquence inférieure à la fréquence de coupure t mais elle a sur celles-ci un ef fet ralentisseur d'autant plus important que leur fréquence se rapproche de f c 2. Elle interdit totalement la propagation des ondes acoustiques ayant la fréquence fc. 9 c 3. Elle laisse passer les ondes acoustiques ayant une fréquence supérieure à la fréquence de coupure fct mais elle fait subir à celles-ci une atténuation qui, entre deux masses voisines, est par exemple de 17 dB pour une fréquence f1 telle que f1/f0 1,5 et de 23 dB pour une fréquence f2 telle que = = 2.Dans ces conditions, il suffira de 3 masses pour atténuer de 50 dB environ une onde de fréquence fl et de 2 masses pour obtenir approximativement le même effet sur une onde de fréquence f2. Le nombre de masses entre les transducteurs d'une sonde pouvant être notablement plus élevé, on peut considérer que les ondes de fréquence supérieure à la fréquence de coupure f se trouvent c pratiquement éliminées, ou tout au moins, atteignent les récepteurs avec une énergie négligeàble. On a donc véritablement un effet de filtre passe-bas. En résumé, la structure suivant l'invention se comporte non seulement comme un filtre pour les ondes d'énergie acoustique ayant une fréquence supérieure à une valeur fc, fonction de la nature des matériaux qui la constituent et de ses caractéristiques dimensionnelles, mais aussi comme une ligne à retard pour les ondes de fréquence inférieure à f c Il apparatt immédiatement qu'on a intérêt à choisir une fréquence de coupure f très basse et, en tout cas, notablement inférieure à la fréquence c de travail de la sonde, de telle sorte que les seules ondes se propageant dans les supports seront celles à basse fréquence que comporte le bruit de déplacement.Ces ondes subiront un ralentissement qui diminuera d'une façon très importante les risques de déclenchement et dtarret intempestifs du circuit de mesure du temps ; on pourra cependant, pour garantir la qualité des mesures, éliminer totalement les effets de ces ondes à basse fréquence par un filtrage électrique passe-haut réalisé sur les signaux de réception. La sonde représentée figure 1, dont les transducteurs sont montés sur un corps unique 15, possède la structure périodique filtrante F dans la zone entourant les transducteurs de réception 20 et 21 ; ceux-ci se trouvent ainsi protégés non seulement contre les ondes acoustiques directes provenant du transducteur d'rémission 19, mais aussi contre les ondes du bruit de déplacement susceptibles autre générées sur toute la longueur de la sonde. Naturellement, il est avantageux, pour améliorer l'efficacité du filtrage, d'étendre cette structure sur tout le corps de la sonde. La sonde, représentée figure 2, dont les transducteurs de réception sont montés sur le patin 17, possède la structure filtrante F également dans les zones entourant les transducteurs, c'est-B-dire sur ledit patin, mais aussi sur les bras 18 et également sur le corps 16, ce qui assure une élimination très satisfaisante des effets parasites des ondes directes de l'émetteur et des ondes de bruit de déplacement. L'expression fait apparattre qu'une fréquence de coupure faible est obtenue en utilisant des masses pesantes et des ressorts de liaison à constante de rappel k faible. Compte-tenu de l'intérêt d'avoir un nombre de jasasses élevé, il est avantageux d'utiliser pour les masses des matériaux à haute densité, tels que l'acier, le tungstène ou l'uranium. En ce qui concerne les ressorts de liaison, ils seront de préférence en acier ou en titane. I1 est à noter également que, pour réduire au mieux les effets de propagation des ondes de travail, il y a lieu de choisir un intervalle a entre masses voisines très inférieur à la longueur de ces ondes dans les matériaux composant la structure. Suivant le mode de réalisation représenté figure 4, la structure élastique est constituée par un bloc métallique 40, de forme parallélépipédique, dans lequel on a pratiqué une rangée de fenêtres 41 en forme de H ayant leurs barres trassversales parallèles, qui définissent des portions 42 à volume notable, formant les masses M, et des portions 43 à section relativement faible, qui relient lesdites masses et forment les ressorts de liaison K. Naturellement, le bloc métallique peut présenter aussi une forme cylindrique, l'absence d'arê- tes vives le rendant mieux adapté à l'utilisation dans un forage. La fréquence de coupure d 'une telle structure s exprime par la relation E étant le module d'Young du métal, S la section d'un ressort de liaison, m le poids de chaque masse M et a la distance entre les centres de deux masses voisines. Avec de l'acier, dont le coefficient E est égal à 2,1011N/m2 et en 2 choisissant S = 1 cm , m = 400 gr, a = 5 cm, on obtient une fréquence de cou- pure fc d'environ 104 Hz, valeur satisfaisante pour les utilisations classiques dans lesquelles les ondes de travail à énergie maximale ont un fréquence de l'ordre de 30 Khz. Cette fréquence de coupure peut naturellement être encore diminuée, d'une part, en augmentant les valeurs de m et de a et, d'autre part, en diminuant celles de E et de S. Toutefois, il faut noter que la section S ne doit pas être diminuée aux dépens de la rigidité de la structure et aussi que l'intervalle a doit rester très inférieur aux longueurs des ondes de travail. Dans le cas d'une structure monobloc, telle que celle représentée figure 4, où il n?est pas possible d'utiliser deux matériaux différents, c'est-à-dire, pour les masses, un matériau à haute densité et, pour les ressorts de liaison, un matériau à faible coefficient d'Young, il importe de choisir un matériau présentant le meilleur rapport entre ces deux grandeurs. L'acier convient bien dans ce cas. I1 est évident que la structure monobloc décrite peut, non seulement, utiliser plusieurs rangées d'entailles en forme de H mais aussi que cette forme particulière peut etre remplacée par tout autre forme ayant un effet analogue, c'est-à-dire définissant des parties à volume notable communiquant entre elles par des parties à section faible, les premières pouvant être aussi bien parallélépipédiques que cylindriques. Suivant le mode de réalisation représenté figure 5, un support de sonde conforme à l'invention possède une structure constituée par une série de pavés métalliques 50, formant les masses M, fixés à intervalles réguliers sur deux barreaux métalliques 51 qui forment les ressorts de liaison K. Ces pavés peuvent être parallèlépipédiques, comme le montre la figure 5, mais également cylindriques. Une telle structure présente l'avantage sur la structure précédente d'autoriser l'utilisation de matériaux différents pour constituer les masses 50 et leurs organes élastiques de liaison 51, ce qui permet de choisir, pour les premières, un matériau à haute densité, tel que l'acier, le tungstène ou l'uranium, sans se soucier de son module d'Young et, pour les seconds,un matériau à module d'Young aussi faible que possible, tel que le titane, sans se soucier de sa densité. Avec des ressorts de liaison en titane, dont le module d'Young E est de 10/N/m, et en conservant a = 5 cm et m = 400 gr, on obtient une fréquence de coupure fc de 104 Hz pour une section S de 2 cm , c est-à-dire double de celle utilisée dans la structure monobloc. Ainsi, pour des fréquences de coupure égales, une structure du type représenté figure 5 possède une rigidité nettement supérieure à celle d'une structure monobloc. I1 faut aussi noter que les barreaux de liaison 51 peuvent être creux; ceci permet une diminution appréciable de la section S sans que la rigidité du support en soit notablement affectée. On peut, par ailleurs, se contenter d'un seul barreau mais aussi multiplier leur nombre. Suivant le mode de réalisation représenté figure 6, un support de sonde conforme à l'invention présente une structure constituée par des pavés métalliques 60 formant les masses M, disposés à intervalles réguliers entre deux berceaux métalliques 61 auxquels ils sont fixés soit par soudure, soit par tiges filetées et écrous. Pour que ces deux berceaux constituent les ressorts de liaison entre les pavés 60, ils comportent chacun une première série de fen8tres 62 situées chacune entre deux pavés et une deuxième série de fenêtres 63a-63b situées chacune respectivement en dessus et en dessous de chaque pavé. Corme dans le mode de réalisation représenté figure 5, les pavés 60 sont avantageusement en acier, en tungstène ou en uranium, alors que les berceaux 61 sont en titane. La structure représentée figure 6 peut être réalisée, comme le montre la figure 7, à partir d'un bloc métallique cylindrique 70, avantageusement en acier, qui comporte a) quatre rainures longitudinales 71 disposées dans deux plans symétriques par rapport à an diamètre yy' b) une première série de fenêtres transversales 72 ouvertes suivant le diamètre xx' perpendiculaire au diamètre yy' dans des plans de section droite du cylindre, régulièrement espacés ; c) une deuxième série de fenêtres transversales 73 ouvertes suivant le diamètre yy' entre les rainures longitudinales 71 dans les mêmes plans de section droite que les fenêtres 72 ;; d) enfin, une double série d'entailles transversales 74a-74b débouchant dans les rainures longitudinales 71 suivant des plans de section droite régulièrement espacés qui alternent avec les plans contenant les fenêtres transversales 72 et 73. Ainsi, les rainures longitudinales 71 délimitent avec les fenêtres transversales 72 et 73 une série de masses 75 disposées entre deux berceaux 76 qui constituent, grâce à la présence des fenêtres transversales 72 et des entailles 74a-74b, les liaisons élastiques entre lesdites masses, conférant à la structure les qualités d'un filtre mécanique passe-bas. Lorsque des supports de sonde conformes aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits sont plongés dans un forage, le liquide remplissant ce dernier fait office lui-même de milieu élastique de liaison entre les masses. De ce fait, il peut arriver, pour des longueurs d'ondes sensiblement égales à deux fois la valeur de l'intervalle a entre deux masses voisines, que la transmission à travers l'épaisseur de liquide séparant les masses se trouve en phase avec la transmission à travers les ressorts de liaison. La structure se comporte alors comme un véritable barreau solide et la qualité du filtre s'en trouve considérablement affectée. I1 importe donc que cette transmission parasite particulière soit supprimée ou, du moins, atténuée jusqu'à ce qu'elle puisse astre considérée comme négligeable.Ceci est réalisé, dans l'invention, en augmentant l'espacement a entre masses, mais surtout en donnant à ces dernières, qui se comportent comme des transducteurs, des formes telles qu'elles présentent des directions d'émission privilégiées ayant pour effet d'éliminer une partie importante de l'énergie transférée d'une masse à une autre, donc de rda- liser une atténuation exponentielle en fonction de la distance. Un support de sonde conforme au mode de réalisation représenté figure 8 est exempt du risque précité car il ne comporte aucune entaille susceptible d'être remplie par le liquide du sondage. En effet, il possède une structure isotropique formée de masses 80 de petites dimensions, avantageusement constituées par des billes d'acier, de tungstène, d'uranium au de tout autre matériau à haute densité, noyées à l'intérieur d'un milieu élastique 81 ; avantageusement, ce milieu peut être formé par un plastique, tel que le polytétrafluoroéthylène (FTFE). On démontre, dans ce cas, que si les masses 80 ne sont pas en contact, le module d'Young E du milieu élastique chargé par lesdites masses augmente d'un facteur 2 (9 étant la porosité de la structure) par rapport à son coefficient d'Young lorsqu'il n'est pas chargé (on admet que le module d'Young des masses est infini). La fréquence de coupure d'une telle structure s'exprime par la relation p représentant la densité du matériau formant les masses 14. En utilisant des billes en uranium (f 20 g/c2) noyées dans du PTFE ( E = 2.1 N/m2), avec a = 2 cm et 8 = 1/2, on obtient une fréquence de coupure fc de 104 Hz. REVENDICATI0NS 1. Sonde d'exploration acoustique des forages, comprenant des transducteurs et des moyens de support desdits transducteurs, caractérisée en ce que lesdits moyens de support présentent, au moins partiellement, une structure périodique formée de masses et d'organes élastiques de liaison desdites masses entre elles, constituant un filtre mécanique passe-bas. 2. Sonde suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite structure est constituée par un bloc métallique dans lequel sont pratiquées des fenêtres définissant des masses qui communiquent entre elles par des parties à section relativement faible. 3. Sonde suivant la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites entailles sont en forme de H ayant leurs barres transversales sensiblement parallèles. 4. Sonde suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite structure est constituée par des pavés métalliques reliés les uns aux autres par des barreaux Blktalliques. 5. Sonde suivant la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits barreaux sont creux. 6. Sonde suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite structure est constituée par des pavés matalliques fixés entre deux berceaux métal liques qui comportent des fenêtres situées entre les pavés ainsi qu t en dessus et en dessous de chaque pavé. 7. Sonde. suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite structure est constituée par un bloc métallique approximativement cylindrique qui comporte - quatre rainures longitudinales disposées dans deux plans symétri ques par rapport à un premier diamètre, - une première série de fenêtres transversales ouvertes suivant un deuxième diamètre perpendiculaire au premier dans des plans de section droite du cylindre, - une deuxième série de fenêtres transversales ouvertes suivant ledit premier diamètre entre lesdites rainures longitudinales dans les mêmes plans que la première série de fenêtres, - et une double série d'entailles transversales débouchant dans les rainures longitudinales suivant des plans de section droite du cylindre qui alternent avec les plans contenant les première et deuxième séries de fenêtres transversales. 8. Sonde suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite structure est constituée par des pavés métalliques noyés dans un milieu élastique. 9. Sonde suivant l'une des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que le matériau constituant ledit bloc métallique ou lesdits pavés métalliques est l'acier ou le tungstène ou l'uranium. 10. Sonde suivant l'une des revendications 4, 5 et 6, caractérisée en ce que lesdits barreaux ou lesdits berceaux métalliques sont en acier ou en titane. 11. Sonde suivant la revendication 8, caractérisée en ce que ledit milieu élas tique est un plastique. 12. Sonde suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la fréquence de coupure de la structure filtre passe-bas est plusieurs fois inférieure à la fréquence centrale de fonctionnement des transducteurs.