Brevet FR2321709A1 — publié le 19770318

La présente invention se rapporte a un nouveau procédé et à un nouveau dispositif pour déterminer le nombre et l'emplacement des fissures dans les formations géologiques en se basant sur la coxparaison des résultats de mesures simultanées des temps de transmission ou de propagation d'ondes acoustiques de compression et d'ondes acoustiques de cisaillement dans ces formations géologiques. Jusqu'à présent, pour évaluer l'état des formations géolo giques, on mesurait le temps de propagation d'ondes de compression acoustiques dans ces formations géologiques et en se basant sur les résultats de ces mesures, on évaluait quantitativement les coefficients de porosité de ces formations. Toutefois, ce procédé ne permet pas d'évaluer quantitativement le nombre des fissures ou des crevassas présentes dans ces formations géologiques. Le but principal de 4'invention est de permettre d'évaluer facilement et avec précision les positions et le nombre des fissures présentes dans des formations géologiques données par une com paraison continue du temps de transmission ou de propagation des ondes acoustiques de compression, qui n'est pas influencé par la présence de fissures1 et du temps de transmission d'ondes acoustiques de cisaillement qui est influencé par la présence de telles fissures, les temps de transmission des ondes acoustiques de compression et de cisaillement, à travers une partie des formations géologiques, étant mesurés en continu au moyen d'un dispositif de sondage sur lequel des éléments d'émission et de réception des ondes acoustiques de compression sont disposés à une certaine distance l'un de l'autre dans la direction de Iraxe du trou de forage creusé dans les formations géologiques à examiner, et qui comporte aussi un élément d'émission et un élément de réception des ondes acoustiques de cisaillement disposés à une certaine distance l'un de l'autre dans la direction de l'axe dudit trou de forage1 pendant que ledit dispositif de sondage se déplace en continu axialement dans ledit trou de forage. Un second but de l'invention est de permettre de mesurer facilement et avec précision les temps de propagation à travers une partie des formations géologiques des ondes acoustiques de compression et de cisaillement en emp e chant les ondes acoustiques de compression et les ondes eccus'iques de cisaillement respectivement émises par un élément d'émission d'ondes acoustiques de compression et par un élément d'émission d'ondes acoustiques de cisaillement, de gagner directement l'élément de réception correspondant, à travers la monture de ces éléments en réalisant la monture portant les éléments d'émission des ondes acoustiques de compression et de cisaillement et les éléments de réception de ces ondes en une sorte de caoutchouc. Un troisième but de l'invention est de permettre de mesurer facilement et avec précision le temps de propagation à travers une partie de la formation géologique des ondes acoustiques de compression et de cisaillement en empochant ces ondes, respectivement émises par un élément d'émission d'ondes acoustiques de compression et par un élément d'émission d'ondes acoustiques de cisaillement, d'être directement reçues par l'élément de réception correspondant sans passer par une parti des formations géologiques non seulement en fixant l'élément d'émission des ondes acoustiques de compression et l'élément de réception des ondes acoustiques de compression, l'élément d'émission des ondes acoustiques de cisaillement et l'é dément de réception des ondes acoustiques de cisaillement à l'intérieur d'une cavité commune formée dans une monture mais aussi, en remplissant l'espace de cette cavité s'étendant autour de ces élém-ents d'émission et de réception completement avec une matière absorbant les ondes acoustiques. Un Quatrième but de l'invention est de faire en sorte que les éléments d'émission et les éléments de réception montes sur le dispositif de sondage puissent se déplacer le long d'un trou de forage en vue de détecter les fractures en maintenant constamment un contact positif entre lui et la paroi du trou au moyen d'une plaque d'appui fixée du coté opposé auxdits éléments d'émission et de réception et qui est pressée élastiquement contre la paroi du trou, de sorte que cette paroi exerce une force de réaction poussant le dispositif de sondage vers la paroi opposée amenant ainsi lesdits éléments d'émission et de réception en contact étroit avec cette paroi opposée. D'autres caractéristiques et avantages de l'inventjon ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel : - la figure I est un diagramme-montrant les courbes Ca- ractéristiques de transmission des ondes acoustiques de compression et de cisaillement à travers des formations géologiques a' a pression atmosphëri.qae-, - la figure 2 est un diagramme montrant les courbes Ca- ractéristiques de transmission des ondes acoustiques de compression et de cisaillement à travers des formations géologiques à haute pression;; - la figure 3 est une vue latérale schématique montrant le dispositif de détection de l'invention en action; - la figure 4 est une coupe longitudinale partielle du dispositif de la figure 3; - la figure 5 est une coupe longitudinale agrandie de la partie supérieure du dispositif de la figure 4; - la figure 6 est une coupe longitudinale agrandie de la partie inférieure de la figure i, - la figure 7 est une.vue en coupe suivant la ligne A-A de la figure 6; - la figure 8 est un diagramme montrant les courbes des temps de propagation des ondes acoustiques de Compression et de cisaillement mesurées par le procédé de l'invention; et, - la figure 9 est une vue latérale schématique d'une variante de réalisation de l'invention comportant deux éléments récepteurs pour les ondes acoustiques de compression et deux éléments récepteurs pour les ondes acoustiques de cisaillement. Comme le contre la figure 1, une étude récente a révélé que Si le temps nécessaire à une onde de compression acoustique (aussi qualifiée de onde P") de parcourir une distance donnée dans certaines formations géologiques n'est pas influencé par la présence de fissures ou de cassures dans l'intervalle le long duquel l'onde se propage, le temps nécessaire à une onde de cisaillement acoustique (aussi qualifiée de "onde S") de parcourir la même distance ce dans une telle formation géologique augmente quand des fissures sont présentes dans l'intervalle à travers lequel l'onde se propage, et que l'incrément du temps est, dans ce cas, proportionnel au nombre des fissures présentes par unité de longueur dans les formations géologiques à travers lesquelles ltonde chemine. On a également constaté, comme le montre la figure 2, qu'aussi bien dans les formations géologiques à la pression atmosphérique que dans celles supportant une pression élevée, par exem 2 ple de 200 kg/cm , comme celle à laquelle ont soumises les forma- tions très profonde." le nombre des fissures a un effet retarda tour similaire sur Onde de cisaillement acoustique qui se propage dans ces formations géologiques à travers ces fissures. La présente invention est basée sur les deux constatations ci-dessus, à savoir qu'on peut évaluer quantitativement le nombre des fissures ou des crevasses présentes dans les formations géologiques en comparant en continu les temps de transmission ou de propagation mesurés simultanément ou en continu d'une onde de compression acoustique qui n'est pas affectée par la présence des fissures et d'une onde de cisaillement acoustique, dont la vitesse de propagation est influencée par la présence de telles fissures. En se référant aux figures 3 à 7, on voit un exemple d'un dispositif d'essai des formatons géologiques conforme à la présente invention, qui comprend un boîtier cylindrique 3 s'éten- dant verticalement, un circuit de commande de traiismissioit 4 et un préamplificateur-5 installés dans la partie supérieure du boitier, et, dans la face frontale de la partie inférieure du boîtier 3, une ouverture verticale 6 ayant la forme d'une fente. Une monture 7 portant les éléments d'émission et de transmission est étroitement logée dans l'ouverture 6 et entre cette monture 7 et la paroi arrière du boîtier 3 est disposé un éjecteur 9 ayant à ses extrémités supérieure et inférieure, des surfaces inclinées 8. L'extrémité supérieure de la monture 7 est reliée au boi- tier 3 par une biellette 10. Deux goupilles Il sont respectivement insérées dans un trou supérieur et inférieur de la monture 7 et traversent une fente axiale 12 de ltéjecteur 9, l'une des extrémités de ces goupilles étant fixée au boltier 3. Entre les têtes des goupilles Il et la monture 7, sont interposés des ressorts 13, enfilés respectivement sur chaque goupille, et qui sollicitent la monture 7 vers l'intérieur1 pressant ainsi les deux surfaces inclinées 14 de l'extrémité supérieure et inférieure de la monture contre les surfaces inclinée 8 de l'éjecteur 9. Dans une cavité commune 15 ménagée dans la face frontale de la monture 7, sont installés, dans la partie supérieure un élément Tp transmettant une onde de compression acoustique et un élément Rs recevant une onde de cisaillement acoustique, tandis que dans la partie inférieure sont installés un élément Ts transmettant une onde de cisaillement acoustique et un élément Rp recevant une onde de compression acoustique. Pour éviter que ltonde de compression acoustique et lton- de de cisaillement acoustique respectivement émises par les éléments émetteurs Tp et Ts gagnent directement, à travers la monture 7, les éléments récepteurs Pp et Rs, l.a monture 7 est faite d'une matière spéciale, telle que le caoutchouc et, en outre, chaque élément d'émission et de réception est couvert d'un écran acoustique 16 fait d'une poudre métallique, tandis que, autour de ces écrans acoustiques 16, la cavité commune 15 est remplie avec une matière 17, telle qu'une mousse métallique, absorbant les ondes acoustiques. Grace a cette disposition, les ondes acoustiques de compressien et cisaillement respectivement transmises par les éléments émetteurs Tp et Ts sont reçues respectivement par les éléments récepteurs Rp et Rs seulement après avoir traversé la partie des formations géologiques Comprise entre les éléments émetteur et récepteur correspondants. Dans le boitier 3 sont montés, à glissement, un piston 18 et t*h poussoir 19, le piston 18 étant relié à l'éjecteur 19 de la monture au moyen dtun organe de liaison qui traverse un trou percé dans le poussoir 19. La partie centrale d'une plaque d'appui 21 placée derrière le boîtier 3 est articulée à l'extrémité inférieure d'un court levier 22 au moyen d'un axe 23, l'extrémité supérieure de ce levier 22 étant articulée au boîtier 3 au moyen d'un autre axe 24, cepen dant que l'extrémité supérieure de la plaque d'appui 21 est reliée à un grand levier 25 au moyen d'un axe 26, la partie centrale du grand levier 25 étant articulée au boîtier 3 par un axe 27, ce qui fait que les quatre axes 23, 24, 26 et 27 sont disposés aux quatre coins d'un parallélogramme articulé. Une goupille 28, fixée à l'extrémité supérieure du grand levier 25, est engagée. dans une lumière horizontale 29 pratiquée dans le poussoir 19. Entre le piston 18 et le poussoir 19 est interposé un ressort 30 qui sollicite la plaque d'appui 21 élastiquement vers l'extérieur, les extrémités supérieure et inférieure de ce ressort 30 étant respectivement reliées au piston 18 et au poussoir 19. Sur un support 31, fixé au boîtier 3, est monté un moteur démultiplié vertical 32 et une tige filetée solidaire de l'arbre de sortie 33 du moteur démultiplié 32 est visée dans un écrou 35 relié au piston 18 A l'écrou 35 est également fixée l'extrémité inférieure d'une résistance a curseur 36 permettant de mesurer la position du piston. L'extrémité inférieure d'une seconde résistance à curseur 37, pour mesurer le diametre du trou de forage, est fixée au poussoir 19. A la surface, est prévue une installation de mesure 38 comprenant un circuit de commande 39, un circuit de mesure de temps de propagation des ondes acoustiques de compression i0, un circuit de mesure du temps de propagation des ondes acoustiques de cisaillement 41 et un enregistreur/relié à ces deux circuits de mesure 40 et 41, l'installation de surface 38 étant reliée au dispositif souterrain 1 (sonde) au moyen d'un câble 43. Pour rechercher la présence de fissures aans une formation géologique, on commence par abaisser le dispositif de soudage à une profondeur prédéterminée dans un trou de forage2,puîs on met en marche le moteur 32 de façon à faire tourner en sens direct la tige filetée 34, en poussant ainsi vers le bas le piston 18 conjointement avec l'éjecteur 9 par suite de l'effet de vissage de la tige file- tée 32 engagée dans l'écrou 35. Quand l'éjecteur 9 est ainsi poussé vers le bas, ses surfaces inclines 9 poussent les surfaces inclinées 14 de la monture 7 vers l'extérieur.De plus, quand le piston 18 est poussé vers le bas, comme il vient d'être expliqué, le poussoir 19 est, lui aussi, poussé vers le bas par le ressort 30, repoussant ainsi la plaque d'appui 21 vers l'arrière par le grand levier 25, de sorte qu'elle vient s'appliquer élastiquement contre la paroi du trou de forage 2. Quand la plaque d'appui 21 est ainsi pressée contre la paroi du trou de forage 2, cette paroi exerce une force de réaction sur la plaque 21 et par cette force de réaction des éléments d'émission et de réception des ondes acoustiques sont pressés contre la paroi du trou de forage 2. Quand le piston 18 est poussé vers le bas comme il vient d'être décrit, son déplacement est aussi converti, au moyen de la résistance à curseur 36, en un signal électrique permettant de mesurer sa position et ce signal est transmis au circuit de mesure 39 de 1'insta1tatÇ6nuso1 38. - - - Pendant le remontage du dispositif de soudage 1, toutes les variations de diamètre du trou de forage déplacent la plaque d'appui 21 par rapport au boîtier 3, mais ce mouvement relatif est absorbé par le ressort 30; de plus, ce même mouvement relatif est converti, au moyen de la résistance à curseur 37, en signaux électriques qui sont transmis au circuit de commande 39 de l'installation de mesure au sol 38 et servent de signaux du diamètre du trou (calibre) L'élément TP transmettant les ondes acoustiques de com pression -et l'élément Ts *ransmet*ant les ondes acoustiques de cisaillement reçoivent des impulsions électriques, à la cadence d'envairon 10 impulsions seconde, du circuit de commande 4 loé dans le dispositif de soudage 1 afin de transmettre alternativement des ondes acoustiques; en meme temps, le signal de commande d'rémission des ondes acoustiques de compression et le signal de commande d'émission des ondes acoustiques de cisaillement, émis par le circuit de commande 4 sont envoyés séparément au circuit de mesure du temps de propagation des ondes de compression k0 e* au circuit de mesure du temps de propagation des ondes de cisaillement lol logées dans l'installation de mesure au sol 38 par le câble 43. Les signaux reçus par l'élément Rp recevant les ondes de compression acoustiques et les signaux reçus par l'élément Rs recevant les ondes acoustiques de cisaillement sont transmis séparément au circuit de mesure du temps de propagation des ondes acoustiques de compression 4o et au circuit de mesure du temps de propagation des ondes acoustiques de cisaillement 417 à travers le preamplifi- cateur 5 et par le câble 43. Le -circuit 40 mesure et indique la longueur de la période de temps écoulée entre la réception des signaux de commande d'émis- sion de l'onde acoustique de compression et la réception des signas correspondants de l'élément récepteur Rp et affiche aussi la forme de l'onde reçue, tandis que le circuit 41 mesure et indique la longueur de la période de temps écoulée entre la réception des signaux de commande d'émission des ondes de cisaillement acoustiques et la réception des signaux correspondants des éléments récepteurs Rs, et affiche aussi la forme des ondes reçues. De plus, l'enregistreur 42 enregistre ces informations de-temps mesurées et les formes des ondes reçues. Quand la procédure dtexamen de la formation géologique est achevée, on remet en marche le moteur 32 dans le sens inverse afin de reiever le piston 18 et l'éjecteur 19, en rétractant ainsi la monture 7 à l'intérieur du boîtier 3 grace à la force d'extension des ressorts 13. Quand le piston 18 stélève, le poussoir 19 est également levé par le ressort 30; de sorte que la plaque d'appui 21 est rétractée vers le boîtier 3 par le grand levier 25 qui est au contact du poussoir 19. La figure 8 montre des exemples de courbes obtenues en mesurant en continu les temps de propagation d'ondes acoustiques dc compression-et de cisaillement dans des formation géologiques, en levant en continu le dispositif souterrain 1 dans un trou de fardage 2. Dans le cas présent, le sol se compose de deux sommations géologiques A et C ayant une grande vitesse de propagation, disposées au-dessous et au-dessus d'are formation centrale B ayant une faible vitesse de propagation des ondes acoustiques et comportant des fissures. Pendant que le dispositif de sondage 1 s'élève a travers la formation intérieure A, les temps de transmission des ondes acoustiques de compression et de cisaillement dans cette forriation A ont les valeurs représentées par a et al. Quand les éléments d'émission ou de réception arrivent a la formation B, dans laquelle la vitesse de propagation des ondes acoustiques est plus lente, les courbes de temps de propagation des ondes acoustiques et des ondes de cisaillement respectivement P et S se déplacent progressivement vers des valeurs plus élevées jusqu'à ce que, finalement, quand les éléments d'émission et de reception sont tous deux arrivés dans la formation B, 105 courbes restent à des niveaux correspondant aux temps de propagatlon b et b'. Etant donné que les ondes acoustiques de compression se propagent à une certaine vitesse constante, sans être influencées par les fissures présentes le long de la voie de transmission, le temps de propagation mesuré de ces ondes dans la formation B reste à un niveau constant b. D'autre part, du fait que les ondes acoustiques de cisaillement sont ralenties par les mômes fissures, comme il a été expliqué, il est clair que quand des fissures 44 viennent s'intercaler entre l'élément Ts émettant les ondes acoustiques de cisaillement et l'élément Rs les recevant, le temps de propagation de ces ondes est allongé. En supposant que l'incrément du temps de propagation des ondes acoustiques de cisaillement pour une fissure est il est clair que quand une fissure 44 est présente entre l'élément d'émission Ts de l'onde de cisaillement des éléments Rs de réception de celle-ci, le temps de propagation prend une valeur b' + b', tandis que quand deux fissures sont interposées entre ces deux élé- ments, le temps de transmission devient b' + 2 t b'. Quand l'élément d'émission Ts et l'élément de réception Rs des ondes acoustiques de cisaillement dépasse une région fissurée, la courbe des temps de propagation retourne au niveau b' et reste à ce niveau jusqu'a ce que l'élément de réception Rs arrive à la formation C. Après que l'élément d'émission Tp et l'élément de réception Ps des ondes acoustiques de cisaillement sont arrivés a la for maton C, dans laquelle les ondes acoustiques se propagent plus vi- te, la courbe des temps de tranzmission se déplace progressivement vers les durées plus courtes, jusqu'a ce que, finalement, l'élément d'émission des ondes de cisaillement Ts et l'élément de réception des ondes de compression Rp entre dans la formation C, de sorte que les courbes viennent se situer aux niveaux c et c'. De cette manière, il devient possible, en comparant les temps de propagation des ondes acoustiques de compression et les temps de propagation des ondes acoustiques de cisaillement a travers les formations géologiques, de détecter les positions des interfaces 45 entre différentes formations, les positions des fissures 44 et le nombre de ces dernières. il va de soi que de nodireuses modifications peuvent être apportes à l'exemple représenté et décrit, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. C'est ainsi que sur la figure 9, on voit un dispositif d'émission et de réception modifié dans lequel ltélé- ment d'émission des ondes acoustiques de compression Tp est installé dans la partie supérieure de la monture 7, tandis que l'élément d'émission des ondes acoustiques de cisaillement Ts est installé dans la partie inférieure dans la partie inférieure de celui-ci, cependant que deux éléments de réception des ondes acoustiques de compression Rpl, Rp2 et deux éléments de réception des ondes acoustiques de cisaillement Rsl, Rs2 sont installés dans la partie centrale de la monture, en les espaçant convenablement dans le sens longitudinal. REVENDICATIONS 1. Procédé pour détecter la présence de fractures ou de fissures dans des formations géologiques en utilisant des ondes de compression et de cisaillement, caractérisé en ce qu'on déplace en continu un dispositif de sondage géologique comportant un élément d'émission d'ondes acoustiques de compression et un élément de réception d'ondes acoustiques de compression disposés à une certaine distance l'un de l'autre dans la direction de l'axe longitudinal du trou foré dans les formations géologiques à examiner, ainsi qu'un elément d'émission d'ondes acoustiques de cisaillement et un élément de réception d'ondes acoustiques de cisaillement disposés à une cer taine distance l'un de l'autre dans la direction de l'axe longitudi- nal dudit trou de forage, dans ce dernier, dans la direction de son axe longitudinal et en ce que, durant ce mouvement, on mesure et on compare on continu le temps de transmission ou de propagation des ondes acoustiques de compression émises par ledit élément d'émission desdites ondes acoustiques de compression et reçues par ledit élé- ment de réception desdites ondes acoustiques de compression après avoir traversé une partie des formations géologiques et le temps de transmission ou de propagation des ondes acoustiques de cisaillement émises par l'élément d'émission des ondes acoustiques de cisaillement et reçues par ledit élément de réception des ondes acoustiques de cisaillement après avoir traversé une partie des formations géologiques. 2. Dispositif pour détecter des fractures ou des fissures dans des formations géologiques en utilisant des ondes de compression et de cisaillement, caractérisé par un dispositif de sondage géologique qui comprend un élément d'émission d'ondes acoustiques de compression et un élément de réception d'ondes acoustiques de compression disposés à une certaine distance l'un de l'autre dans la direction de l'axe longitudinal du trou foré dans les formations géologiques à examiner, ainsi qu'un élément d'émission d'ondes acous tigues de cisaillement et un élément de réception d'ondes acoustiques de cisaillement disposés a une certaine distance l'un de l'autre dans la direction de l'axe longitudinal dudit trou de forage, et en ce que l'installation de mesure au sol est équipée d'un circuit de mesure du temps de propagation des ondes acoustiques de compression, d'un cir cnit de mesure des temps de propagation des ondes acoustiques de cisaillement et d'un enregistreur connecté à ces deux circuits de mesure, ie dispositif de mesure au sol et le dispositif de sondage géolo gique étant reliés par un câble. 3. Dispositif de détection selon la revendication -I, caractérisé en ce que le dispositif de sondage géologique est équipé non seulement d'une plaque d'appui sur le côté oppose à a celui comportant ltélément de transmission des ondes acoustiques de compression, l'élément de réception des ondes acoustiques de compression, l'élément de transmission des ondes acoustiques de cisaillement et l'élément de réception des ondes acoustiques de cisaillement, mais également, un ressort qui exerce une certaine force sur ladite plaque d'appui en la pressant élastiquement contre la paroi du trou de forage. 4. Dispositif de détection géologique selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément d'émission des ondes acoustiques de compression, l'élément de réception des ondes acoustiques de compression, l'élément d'émission des ondes acoustiques de cisaillement et ltélément de réception des ondes acousitiques de cisaillement sont montés sur une monture faite de caoutchouc. 5. Dispositif de détection géologique selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que l'élément d'émission des ondes acoustiques de compression, l'élément d'émission des ondes acoustiques de cisaillement et 'élément de réception des ondes acoustiques de cisaillement sont montés sur la surface inférieure intérieure d'une cavité commune ménagée dans la base de la monture et en ce que l'es- pace autour desdits éléments d'émission et de réception logés dans ladite cavité commune est rempli avec une matière absorbant les ondes acoustiques.