Brevet FR2303299A1 — publié le 19761001

La présente invention concerne un instrument de diagraphie pour sondages de petit diamètre destiné à la mesure des susceptibilités magnétiques des couches traversées, qu elles soient ferro, para ou diamagnétiques. On sait déjà que la déterminetion de la susceptibilité magnétique fournit un paramètre essentiel dans ltétude de gisements métalliques, notamment lorsqutils sont fortement paramagnétiques ou simplement ferromagnétiques. Tel est le cas également de ltétude de certains massifs éruptifs ou volcaniques. Mois ltexpé- rience montre que l'examen détaillé, grâce à un appareil très sensible, de ltévolution de ces caractéristiques dans des formations à faible concentration d'éléments paramagnétiques ou même comportant des éléments diamagnétiques, peut constituer un mode de reconnaissance avantageux. Dans ce type d'investigation, souvent préliminaire et du domaine géologique, des critères économiques imposent une limitation des moyens utilisés ; cela s'applique aussi bien aux instruments de forage dont l'importance réduite limite le diamètre des trous qu'aulx appareils de mesure dont le prix de revient ne doit pas être excessif. Aux grandes profondeurs, les sondes doivent résister à des pressions élevées en raison de la pression de l'eau et des boues accumulées dans le puits creusé, de sorte que l'épaisseur requise implique une diminution de l'espace intérieur réservé à l'appareillage qui, néanmoins, doit avoir une bonne rigidité autant qu'une grande sensibilité. Par ailleurs, les variations de température ainsi que les variations du champ magnétique ou de capacité du câble ont des incidences sur la précision de la mesure. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant des solutions qui permettent de construire une sonde susceptible d'atteindre des profondeurs dépassant mille mètres, donc de résister à des pressions d'au moins 100 bars tout en utilisant au maximum l'espace interne disponible dans le corps de la sonde. En outre, à ces profondeurs, la sonde présente la particularité d'avoir une très grande sensibilité et un fonctionnement sans dérive appréciable, et transmet des variations de susceptibilité équivalentes à un minimum de 10 3 u.e.m/gr/Oerstedt. Les.,signaux et l'alimentation sont transmis par un cabale, utilisable également pour des sondes destinées à d'autres types de mesure. Ces sondes à plusieurs conducteurs sont de construction courante et de faible prix de revient. A cet effet, l'invention propose un procédé de mesure de la susceptibilité magnétique des terrains par l'analyse des parois d'un trou de sonde, remarquable en ce que - on mesure un signal électrique émis par une bobine de détection placée entre deux enroulements alimentés en courant alternatif, connectés en série et en opposition de phase, de telle sorte que le flux résultant dans la bobine de détection soit nul quand les deux enroulements et la bobine de détection placés dans un corps de sonde sont éloignés de tout objet para ou ferromagnétique et que ce flux prenne une valeur et un signe qui dépendent de cet objet para, dia ou ferromagnétique lorsque le corps de sonde est au voisinage de cet objet. Grâce à cette caractéristique intéressante,tout matériau de susceptibilité magnétique quelconque situé à hauteur de espace ménagé entre les enroulements inducteurs et occupé par l'enroulement détecteur, joue un rôle de "noyau" pour ce dernier en modifiant les lignes de force produites par le champ inducteur. Suivant une autre caractéristique du procédé, on connecte l'enroulement détecteur dans une branche d'un pont de mesure d'inductance et on recueille aux bornes de l'enroulement détecteur un signal basse fréquence proportionnel à la modification d'intensité du champ magnétique alternatif résultant produit par lesdits enroulements. Suivant une caractéristique importante du procédé, le signal détecté (en valeur absolueetensigne) est différent selon que les zones des terrains traversés par la sonde sont dia, ferro, ou paramagnétiques. On obtient un résultat avantageux en excitant les enroulements produisant le champ inducteur par une tension d'amplitude constante ayant une fréquence de l'ordre de 18 KHZ. D'autre part, la mise en opposition des enroulements inducteurs annule les effets des variations de température du milieu ambiant. L'invention s'applique également à un dispositif mettant en oeuvre le procédé et remarquable en ce qu'il comporte - un corps de sonde cylindrique contenant sur un même alignement longitudinal des enroulements inducteurs à courant alternatif connectés en série et en sens inverse, séparés entre eux par un espace, - un enroulement détecteur bobiné perpendiculairement à l'axe longitudinal des enroulements inducteurs et disposé au centre dudit espace, - un appareillage électronique relié d'une part, auxdits enroulements et, d'autre part, à la surface par un câble de liaison à plusieurs conducteurs. Suivant une caractéristique intéressante de ce mode de réalisation, l'axe des enroulements inducteurs est excentré par rapport à l'axe longitudinal de la sonde. Suivant un mode préférentiel de réalisation de l'invention, le corps de sonde cylindrique comporte un patin élastique destiné à plaquer la sonde contre la paroi du trou de sonde, et l'appareillage électronique est intégré dans le corps de sonde. Suivant un mode de mise en oeuvre avantageux, le compartiment contenant lesdits enroulements est réalisé en méthacrylate polymérisé amagnétique. Suivant un autre mode de mise en oeuvre intéressant de l'invention l'appareillage électronique comporte: - un pont de mesure à inductances mutuelles accordées comportant les enroulements inducteurs et détecteur de la sonde, - un oscillateur pilote suivi d'un amplificateur de puissance avec un circuit d'asservissement à boucles de stabilisation pour produire une tension d'excitation à amplitude constante nécessaire aux enroulements inducteurs, - un amplificateur avec filtre de bande relié à l'enroule- ment détecteur, - un démodulateur connecté à la sortie du filtre de bande et à ltentrée d'un amplificateur opérationnel à courant continu, pour amplifier les signaux à très basse impédance produits par l'enroulement détecteur, - un générateur de courant continu pour l'alimentation dudit appareillage, - un câble de liaison à plusieurs conducteurs. Suivant une caractéristique intéressante du mode de mise en oeuvre de l'appareillage électronique, le démodulateur comporte un calage de zéro électrique assuré par un potentiomètre couplé à un moteur électrique inclus dans lq sonde et commandé par l'intermédiaire du câble de liaison. Suivant un autre mode de mise en oeuvre qui permet d'augmenter la sensibilité de l'investigation latérale de la sonde au niveau de l'enroulement détecteur, on bobine les enroulements inducteurs avec des spires inclinées par rapport à l'axe de la sonde de telle sorte que les plans des spires voisines de l'enroulement détecteur sont concourants. On peut également augmenter le rendement du dispositif en rapprochant les éléments actifs des parois du trou de la sonde par des enroulements inducteurs à spires elliptiques qui permettent un aplatissement du champ sans en diminuer l'efficacité. On peut encore doubler l'angle d'investigation dans un plan horizontal en divisant l'enroulement détecteur en deux fractions égales connectées en opposition de phase. Le câble de liaison est du type normalisé non blindé à quatre conducteurs. Il relie la sonde à la surface par l'inter- médiaire d'un treuil à poulie "métrique". La description se rapporte à des exemples de réalisation non limitatifs décrits avec référence aux dessins dans lesquels - la figure 1 est une coupe en élévation de la sonde suivant I'invention, - la figure 2 est une coupe transversale suivant le plan a-a' de la figure 1, - la figure 3 illustre une représentation schématique en perspective des enroulements de détection, - la figure 4 est un schéma électrique de la sonde. Sur la figure 1, le corps 1 de la sonde suivant l'invention comporte dans l'ordre : une ogive 2 avec anneau de suspension 2a, un compartiment d'appareillage 3,un corps de détection 4, une ogive de lestage 5. Ces éléments sont assemblés par des moyens mécaniques 6 qui répondent aux normes classiques et assurent les jonctions mécaniques et électriques ainsi que l'étanchéité. Au moins un patin élastique 8 (figure 2) relie les ogives 2 et 5 de façon à guider le corps 1 de la sonde dans le trou de forage 10. Plusieurs patins 8 peuvent être prévus de façon à permettre un excentrement de la sonde par rapport à l'axe du forage (figure 2). Dans l'exemple choisi, le diamètre extérieur du corps 1 ne dépasse pas 33 mm. L'ogive supérieure 2 est pourvue d'un moyen d'accrochage 7 sur l'anneau 2a pour un cible 12 qui permet à la fois la manoeuvre de la sonde par l'intermédiaire d'une poulie 14 et d'un treuil 16 ainsi que des liaisons électriques nécessaires à la mesure. Le cible 12 est d'un type normalisé non blindé à quatre conducteurs utilisé pour équiper des sondes d'utilisations diverses (mesures de résistivité, rayonnement gamma, densité, ...) La poulie 14 est solidaire d'un odomètre (non figuré) qui mesure la profondeur atteinte par la sonde. Le corps de détection 4 comporte deux enroulements inducteurs 18a, 18b (figures 1 et 3) sans noyau métallique et un enroulement détecteur 19 enrobés dans une masse amagnétique réalisée à partir d'un matériau dur et neutre après polymérisation qui assure la rigidité et la résistance à haute pression du compartiment de détection 4. Le matériau utilisé est du méthacrylate polymérisé. il permet d'obtenir par moulage un corps de détection 4 de même diamètre que le compartiment 3 et les ogives 2,5. Dans un autre mode de réalisation, on utilise une gaine de pyrex ob l'on introduit les enroulements. Les enroulements 18a, 18b sont disposés asymétriquement par rapport à l'axe la de la sonde pour pouvoir les rapprocher de la paroi 1Oa, et accroitre ainsi sa sensibilité transversale. Cette disposition doit autre calculée de manière à conserver toutefois une résistance convenable du corps de détection 4 aux pressions extérieures dues à la présence~des eaux et boues de forage à grande profondeur sans altérer la rigidité longitudinale de l'ensemble, c'est-à-dire du corps 1. Le matériau polymérisé ou le pyrex présente en outre l'avantage d'être non magnétique et peu sensible aux variations de température. Suivant ltexemple de réalisation de l'invention, les enroulements 18a, 18b et 19 sont destinés à répondre aux conditions d'utilisation d'un pont d'inductances mutuelles (figure 4). Sur la figure 1, les enroulements inducteurs sont disposés dans le prolongement l'un de l'autre sur un même axe 18c. A titre exemple, ces enroulements ont chacun une section cylindrique d'un diamètre égal à 22 mm et une hauteur de 25 mm ; ils sont séparés par un espace 20 (figures 1 et 3) de 6 mm. L'enroulement détecteur 19 a son axe 19e perpendiculaire à celui (18c) des enroulements inducteurs 1boa, 18b et il est compris dans le plan a-a' (figure 1). Les enroulements inducteurs 18a, 18b sont disposés symétriquement par rapport à ce plan. Electriquement les deux enroulements 1boa, 1ab sont connectés en série et bobinés en sens inverse (figure 3) c'est-àdire en opposition de phase. Le plan a-a' (figure 1) est le plan neutre dans lequel doivent s'annuler théoriquement les flux lorsque le champ magnétique inducteur résultant n'est pas perturbé par la proximité d'un corps. L'enroulement détecteur 19 est bobiné an forme de paralé- lépipède rectangle (figure 3) ayant, à titre d'exemple : 20 mm de longueur (a) et une section droite (b-c) de 6 x 10 mm. Le c8té (b) de 6 mm est parallèle à l'axe la de la sonde et à celui (18c) des enroulements inducteurs 1boa, 1Bb. Les spires de l'enroulement détecteur 19 sont enroulées suivant des plans parallèles à l'axe la de la sonde. En l'absence de corps ou matériau para ou diamagnétique, les flux des enroulements inducteurs sont en opposition dans l'enroulement détecteur 19 (non figuré). Aucune tension n'est détectée aux bornes 19b, 19c de l'enroulement détecteur 19. Dès qu'un corps de susceptibilité magnétique quelconque (non figuré) passe devant l'espace 20, donc au-voisinage de l'axe 19a, le corps joue le rôle de noyau de proximité en modifiant la concentration des lignes de force, et crée une dissymétrie du champ magnétique résultant dans l'enroulement détecteur 19. Un corps para ou ferromagnétique concentre les lignes de force tandis qu'un corps diamagnétique les fait diverger. L'excentrement de l'axe 18c des enroulements inducteurs par rapport à celui (la) de la sonde permet un effet directionnel, la faible hauteur de l'espace 20 dans lequel est présent le champ magnétique résultant accroit la sensibilité. D'autre part, les dimensions réduites de la sonde et la mise en opposition de phase des enroulements 1Ba, 18b rendent pratiquement nul l'effet sur la mesure, d'une variation éventuelle de température du milieu ambiant. On peut également, sans modifier la portée de l'invention, augmenter la sensibilité de l'investigation latérale de la sonde au niveau de l'enroulement détecteur 19 en bobinant les enroulements inducteurs 18e, 18b avec des spires inclinées (non figurées) par rapport à l'axe 18c, de telle sorte que les plans des spires voisines de l'enroulement détecteur 19 soient concourants suivant un angle ouvert vers le paroi de sondage la plus proche. Un angle d'inclinaison de 60 par rapport au plan orthogonal passant par l'enroulement de détection (axe 19a) a donné d'excellents résultats. Une forme particulière des lignes de force en vue d'accroître la sensibilité de l'investigation latérale peut également être obtenue en donnant aux enroulements inducteurs 18a et 18b une section elliptique (non figurée). L'appareillage électroniquefigure 4) contenu dans le compartiment 3 comporte pour 11 excitation des enroulements inducteurs 18a, 18b un oscillateur pilote 22 à environ 18 KHz suivi d'un amplificateur de puissance 23 avec un circuit diasservissement permettant de maintenir constante l'amplitude de la tension d'excitation ainsi que l'intensité dans les bobines B1, B2, et B3 du pont. Des boucles de stabilisation 24, 25 du type à réseau sélectif avec amplificateur permettent d'arriver à ce résultat. L'accord des bobines d'inductance B1, B2, qui correspondent aux enroulements 18a, 18b (figures 1 à 3) est parachevé avec des condensateurs 24,25. Les circuits électroniques étant accordés sur la fréquence choisie, il ne peut y avoir aucune perturbation de la mesure provenant de champs de fréquence différente ou constants comme le champ magnétique terrestre par exemple. En outre, cette fréquence relativement basse permet d'obtenir une plus grande profondeur d'investigation. L'enroulement détecteur 19 est connecté à un amplificateur 26 qui attaque un filtre de bande 27 et un amplificateur d'adaptation 28 -démodulateur en anneau- lui-même connecté à l'entrée d'un amplificateur à courant continu 29 qui remonte les signaux à basse impédance. Le démodulateur 28 comporte un calage de zéro électrique assuré par un potentiomètre (non figuré) par exemple type "dix tours" couplé à un moteur électrique inclus dans le compartiment d'appareillage 3 et commandé depuis la surface, ce qui est un autre avantage de l'invention. L'alimentation de l'appareillage électronique en 24 Volts continu est produite par un redresseur (non figuré) contenu dans le compartiment 3 et alimenté en alternatif par le câble 12. L'apppareil de lecture, en principe un enregistreur à plusieurs sensibilités (non figuré), est disposé en surface et relié à la sonde par les conducteurs du cible 12. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la susceptibilité magnétique des terrains par l'analyste des parois d'un trou de sonde, caractérisé en ce quton mesure un signal électrique émis par une bobine de détection placée entre deux enroulements alimentés en courant alternatif, connectés en série et en opposition de phase, de telle sorte que le flux résultant dans le bobine de détection soit nul quand les deux enroulements et la bobine de détection placés dans un corps de sonde sont éloignés de tout objet, para, dia ou ferromagnétique et que ce flux prenne une valeur et un signe qui dépendent de cet objet para, dia ou ferromagnétique lorsque le corps de sonde est au voisinage de cet objet. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on connecte l'enroulement détecteur dans une branche d'un pont de mesure d'inductance et on recueille aux bornes de l'enroulement détecteur un signal basse fréquence proportionnel à la modification d'intensité du champ magnétique alternatif résultant produit par lesdits enroulements. 3. Procédé suivant le revendication 1, caractérisé en ce que l'on excite les enroulements produisant le champ inducteur par une tension ayant une fréquence de l'ordre de 18 KHz et une amplitude constante. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on annule les variations de température du milieu ambiant par la mise en opposition de phase des enroulements inducteurs. 5. Dispositif mettant en oeuvre le procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte - un corps de sonde cylindrique contenant sur un même alignement longitudinal des enroulements inducteurs à courant alternatif connectés en série et en sens inverse, séparés entre eux par un espace, - un enroulement détecteur bobiné perpendiculairement à l'axe longitudinal des enroulements inducteurs et disposé au centre dudit espace, - un appareillage électronique relié d'une part aux dits enroulements et d'autre part à la surface par un cible de liaison à plusieurs conducteurs. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'axe longitudinal des enroulements inducteurs est excentré par rapport à l'axe longitudinal de la sonde. 7. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le corps de sonde cylindrique comporte un patin élastique destiné à plaquer la sonde contre la paroi du trou de sonde, et l'appareillage électronique est intégré dans le corps de sonde. 8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le compartiment de détection comporte une masse d'enrobage amagnétique réalisée dans un matériau dur et neutre après polymérisation pour assurer la rigidité et la résistance à haute pression dudit compartiment. 9. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la masse d'enrobage est réalisée en métachrylate polymérisé. 10. Dispositif suivant la revendication 5,caractérisé en ce que le compartiment de détection est introduit dans une gaine de verre "pyrex". 11. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'appareillage électronique comporte - un pont de mesure à inductances mutuelles accordées comportant les enroulements inducteurs et détecteur de la sonde, - un oscillateur pilote suivi d'un amplificateur de puissance avec un circuit d'asservissement à boucles de stabilisation pour produire une tension d'excitation à amplitude constante nécessaire aux enroulements inducteurs, - un amplificateur avec filtre de bande relié à l'en- roulement détecteur, - un démodulateur connecté à la sortie du filtre de bande et à l'entrée d'un amplificateur opérationnel à courant continu, pour amplifier les signaux à très basse impédance produite par l'enroulement détecteur, - un générateur de courant continu pour l'alimentation dudit appareillage, - un câble de liaison à plusieurs conducteurs. 12. Dispositif suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le démodulateur comporte un calage de zéro électrique assuré par un potentiomètre couplé à un moteur électrique inclus dans la sonde et commandé par l'intermédiaire du cible de liaison. 13. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les enroulements inducteurs sont bobinés avec des spires inclinées par rapport à l'axe de la sonde de telle sorte que les plans des spires voisines de l'enroulement détecteur sont concourants. 14. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les enroulements inducteurs ont des spires elliptiques. 15. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le câble de liaison est du type normalisé non blindé à quatre conducteurs. 16. Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que l'enroulement détecteur est divisé en deux parties égales connectées en opposition de phase.