Brevet FR2199595A1 — publié le 19740412

La présente invention a pour objet une sonde sismique perfectionnée pour étudier les roches traversées par un forage. Le secteur technique concerné par l'invention est celui de l1étude géophysique et géotechnique des propriétés mécaniques du sous-sol pour les besoins des travaux de génie civil et/eelaai construction des appareils utilisés pour mesureur dans un forage certains parametres à partir desquels on peut déterminer la nature des roches et certaines de leurs propriétés mécaniques, notamment leur fissuration. Les techniques dites sismiques sont bien connues en prospection géophysique. Elles consistent à produire en un point d'émission un ébranlement donnant naissance à des ondes de pression, ondes longitudinales et ondes de cisaillement, qui sont captées en un ou plusieurs points situés à une distance connue du point d'émission, distance appelée base, ce qui permet de mesurer la vitesse de propagation des ondes longitudinales et éventuellement des ondes de cisaillement,dites vitesses sismiques, lesquelles sont fonction de la nature et de ltetat des roches traversées. On utilise couramment les mesures dites de "sismique réfraction" pour étudier le couches voisines du sol en produisant un ébranlement en surface et en captant les ondes réfractées dans des géophones disposés en surface. Cette méthode permet d'obtenir des vitesses moyennes significatives lorsque les couches sont continues, relativement homogenes et de compacité croissante avec la profondeur. Elle permet en particulier de détecter le niveau d'ur. banc compact situé sous un recouvrement meuble sur lequel s'effectue la réfraction de l'onde sismique. Par contre, elle ne permet pas de reconnaître avec précision les propriétés des terrains successifs divisés en tranches de faible épaisseur. Depuis quelque temps, on utilise pour la reconnaissance du sous-sol en vue de l'exécution de travaux de génie civil, la technique dite de carottage sismique utilisant une sonde sismique portant un émetteur de chocs et un ou plusieurs capteurs d'onde, laquelle sonde est descendue dans un forage et permet de relever, tout le long du forage, une série de mesures de vitesses de propagation d'ondes sismiques constituant une diagraphie du forage. L'avantage de cette méthode résulte de ce que les bases de mesure sont constituées par la distance entre l'émetteur et chacun des capteurs et/ou par la distance entre capteurs et que, de ce fait, la longueur de ces bases peut être relativement faible, de l'ordre du mètre ou même inférieure, ce qui permet d'cbtenir des mesures représentatives des propriétés de tranches de terrains successives dont l'épaisseur est du même ordre que la longueur des bases. On a déjà utilisé les méthodes de carottage sismique ou les méthodes voisines de carottage acoustique dans les forages pétroliers mais le problème à résoudre est différent du fait que les forages pétroliers sont des forages de gros diamètre, remplis d'un liquide qui transmet les ondes sismiques ou acoustiques et ne nécessite dont pas des dispositifs de couplage avec les parois du forage. Par ailleurs, les sondes utilisées pour la recherche pétrolière sont des appareils complexes, d'un coût élevé, nécessitant l'intervention de spécialistes et ne conviennent pas pour des études de mécanique des sols dont le budget est beaucoup plus limité. On connaît déjà des sondes de carottage sismique destinées à des études de sol, en vue d'implantation d'ouvrages de génie civil composées d'un émetteur et d'un ou plusieurs capteurs placés à l'extrémité d'un train de tiges et descendus simultanément dans un forage. Une sonde connue comporte une tête d'émission émettant des chocs non périodiques déclenchés un par un par un opérateur à partir de la surface. Dans cette sonde connue, l'émetteur est situé à la partie supérieure et est relié à deux capteurs par des éléments élastiques destinés à éviter la propagation directe des ondes sismiques provenant de l'émetteur. Les capteurs sont constitués par des géophones montés sur plusieurs lames de ressort disposées en forme de fuseau qui centrent la sonde dans le forage et maintiennent les géophones appliqués contre les parois. Les géophones sont constitués par des transducteurs électrodynamiques qui transforment les ondes de pression en une tension oscillante. Les tensions émises par les deux capteurs sont visualisées sur un oscilloscope bitrace, à mémoire, muni d'une caméra permettant de photographier la trace des ondes de tension. A l'émetteur de l'ébraalement est associé un transducteur électrodynamique qui émet un signal électrique au moment du choc du piston contre la paroi du forage, ce signal servant à déclencher le cycle de balayage de 1' oscilloscope. La présente invention a pour objet des perfectionnements à une sonde du type décrit ci-dessus. En effet, cette sonde connue présente plusieurs inconvénients. Du fait que les chocs produits par la tête d'émission sont déclenchés par un opérateur, leur cadence est forcément faible et on doit utiliser, pour les observer, des oscilloscopes à mémoire qui sont plus onéreux. La tête d'émission frappe directement la paroi du forage ce qui conduit à des défectuosités de fonctionnement dues au grippage du piston provoqué par les poussières de roches. Le couplage des capteurs avec les parois sous la poussée de ressorts conduit à une qualité de contact très variable qui introduit des erreurs dans les mesures. L'objectif de la présente invention est de remédier à ces inconvénients. Cet objectif est atteint au moyen d'une sonde sismique composée d'une part d'une tête d'émission et d'au moins un capteur qui sont alignés verticalement et qui sont descendus simultanément dans un forage et d'autre part d'un oscilloscope relié aux capteurs, caractérisée en ce que ladite tête d'émission et lesdits capteurs sont portés chacun par un corps cylindrique vertical réuni mécaniquement aux corps voisins par un dispositif de découplage sismique. La tête d'émission et les capteurs comportent un piston creux se déplaçant sous l'action d'un fluide sous pression dans un cylindre ménagé dans chacun desdits corps cylindriques verticaux dans lequel il est entièrement escamotable. Chacun desdits corps cylindriques comporte,en outre, au moins deux vérins de blocage placés à des niveaux situés de part et d'autre du niveau de la tête d'émission ou dudit capteur, lesquels vérins sont entièrement escamotables à l'intérieur desdits corps cylindriques. La tête d'émission comporte une masselotte placée à l'intérieur d'un piston creux et projetée périodiquement contre la face avant dudit piston par des impulsions de fluide sous pression fournies par un oscillateur à fluide. La fréquence des impulsions est constante et supérieure à 5 herz de sorte que la période soit inférieure à la durée de persistance des impressions lumineuses. La masselotte mobile comporte une cavité dans laquelle est logé un élément trans ducteur'piézo-élec trique relié par un conducteur extensible et par un câble à l'oscilloscope auquel il fournit les signaux de déclenchement du cycle de balayage en synchronisme avec les chocs périodiques de la masselotte. Le piston creux contenant la masselotte mobile comporte sur sa face externe une pointe dont l'extrémité arrondie est appliquée sur la paroi du forage et constitue la tête d'émission. Chaque capteur est composé d'une part d'un piston creux contenant une pastille piézo-électrique, laquelle pastille est reliée à une des pistes de l'oscilloscope par un conducteur électrique et d'autre part d'une pointe ayant une extrémité arrondie qui traverse la face avant dudit piston et qui prend appui d'une part sur la paroi du forage et d'autre part sur ladite pastille.Chacun des verins appliquant la tête d'émission et les capteurs contre la paroi du forage est constitué par un piston à double effet mû par un fluide sous pression, lequel piston est prolongé par une tige pouvant faire saillie à l'extérieur pour prendre appui sur la paroi du forage et cette tige comporte un alésage fileté dans lequel peut être vissée une rallonge dans le cas de forages de plus grand diamètre. Les dispositifs de découplage sismique reliant entre eux lesdits corps cylindriques verticaux sont composés de deux fourches entrecroisées, dont chacune est formée de deux disques horizontaux solidarisés entre eux par une coquille verticale périphérique en forme de portion de cylindre, et de trois tampons élastiques collés sur lesdits disques. Le résultat de l'invention est une nouvelle sonde de carottage sismique utilisable pour les études de mécanique des sols en vue de l'implantation d'ouvrages de génie civil, c'est-à-dire à profondeur relativement faible, de l'ordre de quelques dizaines de mètres et dans des forages de petit diamètre qui peuvent être forés au marteau perforateur ou à la perforatrice rotative et qui peuvent ne contenir aucun liquide Les avantages de cette sonde sont les suivants. Du fait que les chocs d'ébranlement sont émis périodiquement avec une fréquence supérieure à 5 herz et que I'oscilloscope est synchronisé avec les chocs, les trains d'ondes captés sur l'écran de l'oscilloscope se superposent parfaitement et la persistance des impressions lumineuses permet de les observer de façon continue, sans nécessiter l'usage d'un oscilloscope à mémoire, plus onéreux. Afin de déterminer avec la plus grande précision le début des ondes captées et donc le temps de trajet de l'onde, on peut ainsi faire varier la sensibilité verticale de l'oscilloscope tout en observant l'image. Du fait que les tetes d'émisason, les capteurs et les vérins de blocage sont entièrement escamotables dans le corps de la sonde, celle-ci peut etre descendue dans des forages de faible diamètre, allant jusqu'à 60 mm qui correspond à un diamètre de forage de reconnaissance que l'on peut réaliser facilement avec un fleuret de marteau perforateur. La constitution de la sonde composée de corps rigides successifs portant chacun des vérins de blocage permet d'obtenir un contact parfait entre la tete d'émission ou les capteurs et la paroi du forage maigre les irrégu- larités de celle-ci d'où un bon couplage sismique La commande, par un même fluide sous pression des verins de blocage, des pistons portant la tête d'émission et les capteurs et de la percussion permet de descendre la sonde suspendue à un c^ahle enrouez sur ur creux et dy programmer le deroulere t du train et Lea e7inFnt=tinnS ew ~~~~~~ soas pression de façon à réaliser automatiquement une diagraphie du forage avec de nombreux points de mesure voisins. Ceci est très important car les mesures de vitesse de propagation des ondes sismique ont une variance élevée et les résultats statistiques sont plus significatifs. La constitution des dispositifs de dé couplage sismique entre les tronçons successifs de la sonde présente l'avantage que le tampon élastique intermédiaire est en compression lorsqu'on retire la sonde donc, même si des décollages entre tampons élastiques et disques se produisent, on peut récupérer la sonde. La tête d'émission constituée par une masselotte logée dans un piston creux entièrement fermé est parfaitement abritée des poussières ce qui évite des grippages. La possibilité d'ajouter des rallonges sur les vérins de blocage permet d'utiliser la même sonde pour des forages de plus grand diamètre. La description ci-après, se réfère aux dessins annexés, qui représentent un exemple non limitatif de construction d'une sonde sismique selon l'invention. La figure 1 est une vue d'ensemble en élévation d'une sonde sismique dans un forage. La figure 2 est une coupe verticale de la tête d'émission. La figure 3 est une coupe horizontale d'un vérin de blocage. La figure 4 est une coupe verticale d'un capteur. La figure 5 est une coupe verticale d'un dispositif de découplage sismique. La figure 6 est un schéma des circuits de fluide sous pression. La figure 1 représente un forage de reconnaissance 1, de diamètre relativement faible, par exemple, de l'ordre de 60 mm, ne contenant ni liquide ni boue de forage, dans lequel est descendue une sonde sismique désignée dans son ensemble par le repère 2. Cette sonde se compose de trois corps cylindriques verticaux 3, 4 et 5 reliés mécaniquement entre eux par des tiges 6 et des dispositifs de découplage sismique 7a et 7b. Le corps cylindrique supérieur 3 porte une tête d'émission 8, placée au contact de la paroi du forage et deux vérins de blocage 9a et 9b placés sur la génératrice diamétralement opposée à la tête 8 et à deux niveaux situés de part et d'autre de la tête 8. La tête 8 et les vérins 9a et 9b sont entièrement escamotables à l'intérieur du corps 3. Le corps 4 porte un capteur 10 et deux vérins lia et 11b, situés à l'opposé do 10, à deux niveaux placés de part et d'autre de 10. Le corps 5 porte également un capteur 12 et deux vérins 13a et 13b ayant des positions respectives identiques à celles de 10 et 11. En variante, la sonde peut comporter un seul capteur 10 et seulement deux corps 3 et 4. Elle pourrait également comporter un nombre de capteurs supérieur à deux et un nombre de corps supérieur à trois. Les capteurs 10, 12 et les vérins de blocage 11, 13, sont entièrement escamotables dans les corps respectifs 4 et 5. La tête 8 et les capteurs 10 et 12 sont alignés verticalement. La tête 8 provoque des ébranlements de la paroi du forage et les ondes sismiques longitudinales et éventuellement les ondes sismiques de cisaillement sont captées par les capteurs 10 et 12. Les vitesses de trajet des ondes entre 8 et je, 8 et 12 et 10 et 12 sont déterminées à partir des temps de trajet respectifs. Les distances entre les points 8 et 10, 8 et 12 et 10 et 12 sont bien déterminées, constantes et constituent les bases de mesure, ctest-à-dire les trajets dont on mesure les temps mis par les ondes à les parcourir. Les ondes captées en 10 et 12 sont transformées par des transducteurs électrodynamiques ou piézo-électriques en ondes électriques qui sont transmises par des conducteurs 14 à un oscilloscope 15 placé en surface. Parallèlement, il est possible d'adjoindre des dispositifs digitaux ou analogiques et un enregistreur permettant d'enregistrer en continu les vitesses de propagation des ondes sismiques. La figure 2 représente une coupe verticale de la tête d'émission 8. Celle-ci est composée d'un piston 16 qui se déplace dans un cylindre 17 creusé dans le corps cylindrique 3. Le piston 16 est entièrement escamotable dans le cylindre 17. Des joints toriques 18 et 19 logés dans des gorges assurent I'étanchéité entre le piston et le cylindre. Le mouvement du piston est commandé par un fluide sous pression, par exemple par de l'air comprimé à 3 bars, qui fait sortir le piston et applique contre la paroi du forage la pointe arrondie 20. Le contact sensiblement ponctuel entre la pointe 20 et la paroi constitue le point d'émission des ondes qui est donc connu avec précision. L'air comprimé est amené au piston par un canal 21 creusé dans l'épaisseur du corps cylindrique 3 et relié à une source d'air comprimé par des canalisations flexibles. Le piston 16 est creux et contient un cylindre 22 à l'intérieur duquel est placée une masselotte mobile 23. Le compartiment arrière du cylindre 22 est alimenté périodiquement par des impulsions de fluide sous pression amenées par un conduit 22a, une canalisation 22b et un canal 22c. Ces impulsions projettent la masselotte 23 contre la face avant du cylindre 16 portant la pointe 20. L'extrémité arrière du cylindre 22 est obturée par un bouchon 24. Le compartiment avant du cylindre 22 communique avec un orifice d'échappement calibré par l'intermédiaire d'un conduit 23a et d'une canalisation flexible 23b. La masselotte 23 comporte une cavité dans laquelle est logée une pastille piézo-électrique 25 qui constitue un transducteur émettant un signal électrique à l'instant de chaque impact de la masselotte sur la face avant du piston 16.Le signal électrique est transmis par un conducteur extensible spiralé 26 et par un câble 27 à ltoscilloscope et commande les déclenchements des cycles de balayage successifs en synchronisme avec les chocs de la masselotte. La figure 3 représente la coupe horizontale de l'un des vérins de blocage 9, Il ou 13. Deux cylindres 28 sont creusés dans l'épaisseur de chacun des corps cylindriques 3, 4 et 5. Dans chacun des cylindres est placé un piston 29 prolongé par une tige 30 qui peut faire saillie à l'extérieur ou être entierement escamotée dans le corps du cylindre. La tige 30 prend appui sur la paroi du forage soit directement soit, si le diamètre du forage est trop grand, par l'intermédiaire d'une rallonge 31 qui se visse dans un alésage fileté 32. Un bouchon 33 obture le cylindre 28. La figure 4 est une coupe verticale de l'un des capteurs, par exemple le capteur 10. Un cylindre 34 est ménagé dans l'épaisseur du corps cylindrique 4. Dans ce cylindre coulisse un piston 35 qui est entièrement escamotable dans le cylindre ou qui peut faire saillie. Des joints toriques 36 et 37 logés dans des gorges assurent l'étanchété entre le piston et le cylindre. Les xQuvements du piston sont commandés, à partir de la surface, au moyen du meme fluide sous pression qui coi ande les mouvements des vérins de blocage et de la tête d'émission Le piston 35 est creux. Une tige 38 terminée par une pointe arrondie 10 qui est placée au contact de la paroi de sondage, traverse la face avant du piston. Dans le piston sont placées deux pastilles 39 de céramique ferro-électrique polarisée qui constitue un transducteur piezo-electrique. Les pastilles 39 sont placées dans un alésage creuxé à travers deux disques 40 et 41. La tige 38 appuie sur les pastilla qui trrmaformnt les ondes sismiques captées en signaux électriques. Les signaux électriques sont amplifiés dans un préamplificateur adaptateur d'impédance loge dans le corps de la sonde. La figure 5 représente les dispositifs 7 d'assemblage mécanique entre les corps cylindriques qui assurent le découplage sismique entre ceux-ci, c'est-à-dire qui s'opposent à la propagation directe des ondes sismiques d'un corps à l'autre. Ce dispositif est composé de deux entretoises rigides 42a et 42b portant à l'une de leurs extrémités une bride 43a, 43b permettant de relier le dispositif aux deux corps cylindriques à assembler. Chacune des deux entretoises 42a et 42b porte, à l'autre extrémité, une deuxième bride 44a et 44b permettant l'assemblage avec le dispositif de découplage. Celui-ci est constitué de deux fourches 45 et 46. Chaque fourche est composée de deux disques 47a et 47b d'une part, 48a et 48b d'autre part, solidarisés entre eux par une coquille verticale périphérique 49, 50 en forme de portion de cylindre, inférieure à un demi cylindre,de sorte que les fourches 45 et 46 n'ont aucun point de contact. Ces fourches sont entrecroisées, c'est-à- dire que le disque 48a est placé à l'intérieur de la fourche 45.Elles sont reliées entre elles par trois tampons élastiques 51, 52 et 53 qui sont collés sur les disques. Les tampons élastiques sont en un matériau élastomère qui atténue et retarde la propagation des ondes sismiques. Lorsqu'on tire sur le train de tiges pour sortir la sonde du forage, le tampon 52 est en compression de sorte que, même si des dEcollements des tampons se produisent accidentellement, on peut récupérer la sonde. La figure 6 représente un schéma des circuits de fluide sous pression alimentant la sonde. Un commutateur 54, placé en surface, permet d'alimenter la sonde sous deux pressions différentes, par exemple, en air comprimé à 3 bars ou à 6 bars. On a représenté schématiquement, d'une part le cylindre 22 contenant la masselotte 23, d'autre part un cylindre 28 contenant le piston 29. Le schéma d'alimentation du cylindre 28 est valable pour tous les vérins de blocage et également pour les pistons creux portant la tête d'émission et les capteurs. Les appareils utilisés s9nt des détendeurs 55, 56, 6 bars-3 bars; des capacités 57, 58, des orifices calibrés 59a, 59b, 59c couplés avec des clapets anti-retour 60a, 60b, 60c; des distributeurs à cinq voies, deux positions et double pilotage repérés 61a, 61b, 61c et un circuit logique OU repéré 63. Les schémas des distributeurs representent par une simple flèche la position du tiroir au repos, c'est-à-dire lorsque le distributeur est alimenté en 3 bars sur les deux circuits de pilotage et par une double flèche la position du tiroir lorsque le distributeur est alimenté en 3 bars sur un circuit de pilotage et en 6 bars sur le deuxième circuit dont l'action est antagoniste à celle d'un ressort 62a, 62b, 62c. Le fonctionnement est le suivant Lorsqu'on alimente la sonde en 3 bars, le distributeur 61a est sur la position repos représentée par une seule flèche. Tous les cylindres tels que 28 sont alimentés en 3 bars dans le sens qui provoque l'escamotage des pistons. La sonde est en position de déplacement dans le forage. Lorsqu'on bascule le commutateur 54 pour alimenter en 6 bars, le distributeur 61a bascule sur la position représentée par une double flèche. Le détendeur 56 reçoit de l'air à 6 bars, le détend à 3 bars et alimente tous les cylindres tels que 28 de sorte que les vérins de blocage et les pistons escamotables font saillie. La sonde est bloquée contre les parois. L'ensemble des distributeurs 61b et 61c, des capacités 57 et 58, des orifices calibrés 59b et 59c, constitue un oscillateur pneumatique bien connu de l'homme de l'art qu'il est inutile de décrire en détail. Cet oscillateur envoie dans le cylindre 22 des impulsions de pressions qui provoquent, en coopération avec l'orifice calibré 59a, les percussions périodiques de la masselotte 23. Les circuits et appareils pneumatiques autres que le commutateur 54 sont logés dans le corps cylindrique 3 de la sonde. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications équivalentes pourront être apportées par l'homme de l'art au mode de réalisation qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1 - Sonde sismique composée d'une part d'une tête d'émission et d'au moins un capteur qui sont alignés verticalement et qui sont descendus simulta nément dans un forage et d'autre part d'un oscilloscope relié aux capteurs, caractérisée en ce que ladite tête d'émission et lesdits capteurs sont portés chacun par un corps cylindrique vertical réuni mécaniquement aux corps voisins par un dispositif de découplage sismique. 2 - Sonde sismique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tête d'émission et les capteurs comportent un piston creux se déplaçant sous l'action d'un fluide sous pression, dans un cylindre ménagé dans chacun desdits corps cylindriques verticaux dans lequel il est entière ment escamotable. 3 - Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce que chacun desdits corps cylindriques comporte, en outre au moins deux vérins de blocage, mûs par ledit fluide sous pression, placés à des niveaux situés de part et d'autre du niveau de ladite tête d'émission ou d'un capteur, lesquels vérins sont entièrement escamotables à l'intérieur desdits corps cylin driques verticaux. 4 - Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la tête d'émission est constituée par une masselotte placée à l'inté rieur d'un desdits pistons creux et projetée périodiquement contre la face avant dudit piston par des impulsions de pression fournies périodiquement par un oscillateur à fluide alimenté par ledit fluide sous pression. 5 - Sonde selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites impulsions périodiques ont une fréquence constante supérieure à 5 herz. 6 - Sonde selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que ladite masselotte comporte une cavité dans laquelle est logé un élément transducteur piézo-électrique relié par un conducteur extensi ble et par un câble audit oscilloscope auquel il fournit les signaux de déclenchement du balayage en synchronisme avec les chocs périodiques de ladite masselotte. 7 - Sonde selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que ledit piston creux contenant ladite masselotte comporte sur sa face externe une pointe dont l'extrémité arrondie est appliquée sur la paroi du forage et constitue la tête d'émission. 8 - Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce que chacun des capteurs est composé d'une part d'une pointe ayant une extrémité arrondie qui traverse la face avant de l'un desdits pistons creux et d'autre part d'une pastille piézo-électrique placée à l'intérieur dudit piston creux, sur laquelle appuie ladite pointe, laquelle pastille est reliée à une des pistes dudit oscilloscope par un conducteur électrique. 9 - Sonde selon la revendication 3, caractérisée en ce que chacun desdits vérins est constitué par un piston à double effet mû par ledit fluide sous pression, lequel piston est prolongé par une tige pouvant faire saillie à ltextérieur pour prendre appui sur la paroi du forage, laquelle tige comporte un alésage fileté dans lequel on peut visser une rallonge dans le cas de forage de plus grand diamètre. 10 - Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits disposi tifs de découplage sismique sont composés d'une part de deux fourches entrecroisées dont chacune est formée de deux disques horizontaux solida risés entre eux par une coquille périphérique en forme de potion de cylindre et d'autre part, de trois tampons élastiques collés sur lesdits disques. 11 - Sonde selon le revendications 2, 3 et 4, caractérisée en ce qu'un commutateur placé en tête du forage, permet d'alimenter la sonde en fluide sous deux pressions différentes, l'une des pressions correspondant à l'escamotage des pistons creux et vérins et l'autre pression à l'appli cation des pistons creux et vérins et à l'alimentation d'un oscillateur à fluide émettant des impulsions de pression qui agissent sur ladite masselotte de percussion.