Brevet FR2455275A1 — publié le 19801121

L'invention se rapporte a un procédé et à un appareil de mise en oeuvre pour la mesure de la densite apparente de carottes de forage et de la densite de colonnes de liquides ou de pulpes par absorption de rayons La mesure de la densite apparente d'une carotte ou de la densite d'un liquide au moyen d'une source de rayons # collimatés et d'un détecteur entrainés par un chariot à déplacement automatique le lon, d'un tube sont connus. Les procédés et dispositifs de l'art antérieur effectuent ces mesures au moyen d'une source ayant une activité d'au moins 10 millicuries pour les carottes de forage et d'au moins 100 millicuries pour les colonnes de liquides ou de pulpes et présentent l'inconvénient majeur de ne pouvoir déterminer avec la meme precision les densités de liquides ou de carottes contenus dans des tubes dont les sections sont comprises entre des valeurs relativement étroites et de ne fournir quelles que soient les précautions prises que des valeurs non spécifiques de la densité apparente des carottes. En effet aucun appareillage connu n'a pu aboutir à@une précision des mesures des densités apparentes de carottes en raison de la nécessité de les acheminer jusqu'à un laboratoire, aussi bien en raison de l'encombrement et du poids de l'appareillage que de la nécessité de protéger l'utilisateur contre les rayonnements de la source. L'objet de l'invention est un procédé de mesure de la densité par absorption &gamma; caractérisé en ce que la source de rayonrlement 2r est une source dont l'activité de rayonnement est inférieure à 5 millicuries et lténergie du rayonnement émergent de -l'ordre de 20 à 2000 KeV. L'expérience montre en effet, et contrairement à toute attente, que de telles sources permettent de fournir des résultats comparables aux sources usuelles dont l'activité est deux fois plus forte, par exemple de l'ordre de 10 millicuries, et en outre qu'elles permettent l'obtention de résultats précis sur la dellsité des sédiments contenus dans les sections de tubes de plus grand diamètre, et sans présenter d'effets biologiques sur les utilisateurs. Un autre objet de l'invention est uri procédé utilisant une source df ayonnement &gamma; de ce type caractérisé en outre en ce que l'on eifectue la mesure de densité sur place de façon a éviter toute toute perturbation de la carotte pendant son transport entre le lieu d'extraction de la carotte et le lieu d'analyse. Ainsi selon l'invention la mesure s'effectue soit à la surface du sol à l'endroit où la carotte est extraite ou dans un lieu situé d proximité, soit au fond de l'eau dans le cas d'un carottage sous-marin ou encore en surf ace a bord de tout support de surface. La combinaison d'une part de la réduction de l'activité de rayonnement de la source, d'autre part de l'absence de manipula tion de la carotte multiplie la précision des résultats par un facteur bien supérieur à celui qu'on aurait pu escompter à la fois de cette réduction d'activité et de cette absence de manipula- tion. Un autre objet de l'invention est d'accroître la précision des mesures quels que soient les éléments dont on mesure la densité tout en rendant pratiquement inexistant tout risque de contamination nucléaire par la réduction du rayonnement &gamma; d'une source émettant un rayonnement monoénergétique dont l'activité a une valeur inférieure à 0,5 millicuries, les densités des éléments pouvant varier de 1 a 5, les éléments pouvant etre minéralisés. A titre d'exemple on peut utiliser une source de césium 137 dont l'activité est de 0,107 millicuries - Cette faible valeur du rayonnement à l'avantage de ne nécessiter qu'une très faible protection par exemple au moyen d'une simple brique de plomb usuelle mais de faible épaisseur, tout en accroissant la précision des mesures de densités effectuées aussi bien sur des colonnes de liquides que sur des colonnes de pulpes ou des carottes de sédiments, le carottage pouvant être même effectué dans des tubes de diamètre supérieurs a ceux utilisés avec une source de 200 millicuries. La détermination précise de la densité apparerlte de la carotte permet ainsi de déterminer avec exactitude la porosité des milieux saturés prélevés par carottage. En effet on sait que si lo est l'intensité d'ure rayonnement nucléaire monoénergétique pénétrant dans wi milieu de masse volumique p et de coefficient naos situe fourrai dans des tables, l'intensité 1 du rayonnement t après la traversée de ce milieu lormant écran d'épaisseur x est liée à lo par la relation Io Log = px. Connaissant x et on en déduit p par les mesures de I. En outre la masse voltuîique globale (p) d'un sédiment est liée a la porosité totale #, @ la densité solide P = # pf + (1 - ) Pg La porosité totale # peut être déterminée a partir des valeurs P fournies par l'appareil, les autres valeurs pouvant etre déterminées au moyeu d'abaques et de tables. Dans le cas de milieux noli saturés la relation precédente devient P = @ Sw + (1 - #) Pg ou Sw est le coéfficient de saturation de l'écnantillon égale au rapport de la teneur en eau volurnique a la porosité totale . La valeur de Sw peut donc être fournie par l'appareil. En effet connaissant Pg par les tables or, peut donc déterminer Sw au moyen de deux lectures de p données par l'appareil l'une correspondant a l'échantillon avant étuvage l'autre après étuvage. Le rappel de ces relations n'a d'autre but que de faire ressortir la nécessité absolue d'obtenir -des valeurs p au moyen de l'appareil qui soient suffisamment précises pour interpréter qualitativement et quantitativement les diagraphies fournies par l'appareil. Le choix d'une source de Cs 137 d'activité de rayonnement de 0,1 millicuries combiné à ulve méthode d'exploitation de la source sur place, en raison notamment du tres faible effet biologique des radiations puisqu'un film -dosimetre porté a temps complet par l'opérateur ne dépasse jamais un seuil mensuel de 20 millirems, permet des mesures précises et fiables. En particulier afin d'éviter les perturbations de la carotte l'appareil est pourvu dans une variante du procédé de moyens de liaison a des colonr.es verticales rixes ou mobiles permettant soit l'analyse verticale de la carotte au fond de l'eau au cours de son extraction, l'appareil étant immobilisé, soit le balayage vertical de la carotte au fond de l'eau immédiatèment après extraction. Un autre objet de l'invention est d'adapter l'appareil a des mesures au fond de l'eau et sans opérateur par l'adjonction d'ur; télétransmetteur des signaux fournis par le détecteur en vue de leur traitement en surface pour l'obtention de la densité et de la porosité. Un autre objet de l'invention est d'effectuer en continu et simultanément a la mesure de la densité apparente d'une sec tion de la carotte, celle de la porosité d'ure section voisine de celle dont la densité apparente est mesurée. D'autres objets et caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description suivante iaite en référence aux dessins annexés qui représentent a titre d'exemples non limitatifs deux modes de réalisation de l'appareillage. sur les dessins : la figure 1 une représentation schématique et en plan de l'appareil lorsque la carotte est analysée en position norizontale, la figure 2 une vue en élévation de l'appareil, la figure 3 est une représentation en élévation sous forme schématique de l'ensemble de l'appareil adapté pour une mesure par déplacement vertical de l'appareil par rapport a la carotte venant d'être -extraite et, la figure 4 une représentatior. schématique et en élévation de l'ensemble de l'appareil adaptée pour l'analyse de la carotte au cours de son extraction. La source 1 figures 1 et 2 est essentiellement caractérisée par l'utilisation d'une source a très faible activité de l'Gr- dre de 1/1000 de millicuries a quelques dixièmes de millicuries. A titre d'exemple la source # est le césium 137 ayant une activi- té de 0,1 millicurie. Ce corps ayant une période de 30 ans on ne constate aucune dérive de la source après un mois d'essais. L'éner- gie du pic principal d'émission est de 663 @e@. En dépit de la faible activité de la source utilisée l'expérience montre que l'on peut atlalyser avec précision des carottes de 120 mm de diamètre, les résultats étant pariaitemezit comparables à ceux obtenus avec des sources usuellcs plus puissar.tes,et généralemert meilleurs. En plus de l'iritértt fourni par la précision. et par l'é- tendue des résultats en dépit de la faible puissance de la source, elle présente l'avantage considérable de ne produire qu'un tres faible effet biologique puisque la dosimetrie pour l'opérateur est toujours inférieure au seuil de la mesure, la valeur mensuelle étant en dessous de 20 millirems. On met donc a profit cette tres faible activité pour transformer les équipements lourds de radioprotection en un équipement plus léger de briques de plom@ mais d'épaisseur relativement laible de sorte qu'il devient possible de mouvoir la source 1 et le détecteur 2 montés sur un même chariot 3 à l'aide d'ure moteur électrique de faible puissar.ce. Sur ces figures le chariot 3 se trouve automatiquement disposé perpendiculairement a l'axe 6 de la carotte 7 en raison du guidage de la source I et du détec teur 2 au moyen des rails 4 et 5, parall@les a l'axe 6 de la carotte 7, ces rails guidant des roues d et 9 solidaires du cha- riot. La source permettarit l'analyse précise de carottes de diamètres s'étendant de quelques dizaines de millimètres a plus de 120 mm, le chariot est équipé d'un dispositif de glissière 10 permettant de faire varier l'écartement entre la source 1 et le détecteur 2. La vis de réglage 11 assure le maintien de l'écartement choisi. L'émission des photons &gamma; a partir de la source 1 se fait à travers un diaphragme là de 10 mm par exemple qui peut être constitué d'un simple trou percé darus la brique de plomb antimoinié 13 servant de support a la source. Le détecteur 2 est lui-même supporté par une brique en plomb comportant une fenêtre verticale constituée par une fente de 50 mm de hauteur et de 10 mm de largeur servant a collimater le faisceau ayant traversé la carotte 7. Le chariot 3 est actionné par un moteur 14 a vitesse réglable dont le réducteur comprend un pignon 15 attaquant la crémaillère 16 de telle sorte que l'on peut connaître avec précision la section de la carotte irradiée quelle que soit la vitesse choisie celle-ci pouvant n'être que de l'ordre de cm par minute. Les circuits amplificateur 25 et de calcul 24 fournissant la densité apparente peuvent être quelconques. Dans l'exemple choisi le détecteur 2 cornprend une sonde scintillométrique avec un cristal de NaI, les signaux amplifiés d'énergie comprise dans la bande choisie qui peut être sélectionnée par exemple dans une gamme allant de 50 a 2000 KeV et divisée en 12 bandes d'énergie, sont intégrés er, 24 pendant un temps déterminé qui peut aussi être choisi éventuellement parmi une série de constantes de temps d'intégration, cette constarite de temps pouvant aller par exemple de 0,12 à 12 sec. Après intégration les signaux peuvent être affichés en continu pour fournir sur l'enregistreur 17 une diagrapnie donnant en fonction de la position du chariot la densité apparente mesurée ou etre transmis a ure échelle électronique de comptage ld pour fourrier des signaux numériques transmis à tout dispositif 19 d'impressior. de ces valeurs. L'appareil est étalonné au moyen d'une série d'échantillons de matériaux de densité bien connue. La série d'étalons est choisie pour des mesures ultérieures de densité de carottes contenant argile et sable et correspond a des étalons de densités comprises entre 2,8 g/cm3 et 1 g/cm3. Ces valeurs non limitatives ne sont données qu'a titre exemple, les densités pouvw!t atteindre 5 g/cm3 pour les éléments minéralisés. Lorsque les sédiments recueillis dans une carotte ne sont pas saturés on peut doubler l'appareil par ur dispositif de mesure de la célérité en étudiant le temps de propagation d'une onde a fréquence élevée a travers la section cnoisie de la carotte. On déduit des valeurs obtenues pour la célérité du son la por@sité exacte des éléments analysés et de la densité apparente obtenue par le gamma densimètre la valeur exacte de la saturation en eau du milieu. On a schématisé en 29 l'émission de l'onde a fréquence élevée transmise par le canal 30 et par 31 la réception des s si- anaux ayant traversés la carotte, ce dispositif étant relié d i 'amplificateur 32 et a l'analyseur 33 dor.t la sortie est connec- tée au dispositif d'impression des valeurs 1W. On recueille donc d'une mar.ire continue a la lois la der,- sité apparente de la carotte en une position correspondant a une position donnée du chariot ainsi que la porosité en une position de la carotte décalée d'une distance prédéterminée par rapport a la partie de la carotte dont la densité apparente a été enregistrée. En outre, on profite de la détermination de la vitesse du son à travers l'échantillon pour vérifier le cas échéant s'il existe un contact parfait entre le sédiment et le tube, faute de quoi on ne mesurerait que la vitesse dans les parois du tube contenant la carotte. L'ensemble du chariot 3 équipé de la sourcc 1, du détec- teur 2 ligure 3 et les moyens de protection étant d'un poids réduit, ori équipe l'ensemble source 1, détecteur 2, chariot 3 d'au mcins une colonne verticale de guidage 20 le long de laquelle, ou desquelles, l'ensem@le peut autre déplacé a la vitesse requise le long d'un tube vertical 21 pouvant contebir soit un liquide, soit ure pulpe soit une carotte. Il devient ainsi particulièrement aisé d'étudier tous phénomènes mettant en jeu les vitesses de sédimentation et de turoidité ainsi que les mouvements d'eau.L'ap pareil permet alors d'analyser les carottes avant même tout transport et avant même tout basculement de la carotte à l'horizontal ce qui accroit encore la précision des mesures. On a représenté figure 4 urie variante du mode de réalisa tiers de la figure 1 dans laquelle l'ensemble source 1, détecteur 2, chariot 3 est fixe, la carotte 7 étant soulevée verticalement au moyen du dispositif 22. Ce dispositif descendu de la surface à l'aide du câble 28 et du dispositif conr.ecteur27 qui peut être un moteur assurant la descente et la refllortée du tube de- carottage 7 aussi bien par motovibrateur que par tout autre moyen convention- nel. Lorsque les variantes représeritées aux figures 3 et 4 sont utilisées au fond de l'eau l'ensemble est étanche et le détecteur 2 est relié par un câble transmetteur 23 à tout support de surface contenant des équipements semblables à ceux décrits figure 1. Le cible 23 peut en particulier être directement connecté à un moyen de calcul, ordinateur par exemple facilitant la mémorisation des signaux détectés et leur télétraitement selon tout programme choisi. En résumé, l'appareil ainsi réalisé, présente l'avantage non seulement d'être d'wi faible encombrement et de poids réduit mais encore d'opérer sur des échantillons non altérés, l'analyse pouvant s'effectuer au lieu même de la prise des échantillons. Etant donné la précision que procure le choix de la source, son absence de danger d'irradiation tant en raison de la protection mise en place que du rayonnement extrèmement faible dont les effets se limitent à quelques millirems par mois. L'activité de cette source de Cs 137 est de l'ordre 0,100 millicuries et peut encore être diminuee si on le désire. I1 devient ainsi possible d'obtenir très rapidement et avec une précision de l'ordre de 3 % en valeur relative des densites apparentes de carottes, notamment d'éléments de faibles densités.La précision des mesures permet alors une interprétation qualitative correcte des sédiments meubles, l'identification de la lithologie, la visualisation de l'homogénéité ou de l'hétérogénéité des sédiments, et la localisation précise des zones fissurées ou compactes. En outre l'adaptation de l'appareil aux analyses verticales des échantillons permet du même coup d'étudier tous phénomènes sur colonnes de liquides ou de pulpes. De même un dispositif de débrayage 26 permet la commande manuelle du déplacement du ciiariot 3 permettant d'établir rapidement et avec précision des comparaisons de mesures a effectuer sur des parties non voisir.es des carottes ou liquides contenues dans des tubes horizontaux ou rion. Le dispositif de débrayage 26 peut etre aussi bien un dispositif permettant de débrayer du réducteur 35 le pigr.on attaquant la crémaillère 16, qu'une simple roue auxiliaire permettant de soulever le chariot pour écarter le pig@on d'attaques hors de la crémaillère 16. REVENDICATIONS 1 ) Procédé d'analyse des carottes et des colories de liquides ou de pulpes par mesure de la densité apparente a l'aide d'une source de rayonnement &gamma; pénétrant dans la section analysée et d'un détecteur du rayonnement émergeant de ladite section caractérisé en ce que la source de rayonnement &gamma; est ur.e source dont l'activité du rayonnement est inférieure a 5 millicuries et l'é- nergie du rayonnemeIit émergeant de l'ordre de 20 a cQOO KeV. 2 ) Procédé tel que revendiqué en 1 caractérisé en ce que l'on effectue la mesure de densité sur place de façon à éviter toute perturbation de la carotte entre le lieu ou la carotte est extraite du terrain et celui de l'analyse. 30) Procédé tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 a a selon lequel on accroit la précision des mesures de densités de sédiments en choisissant urie source &gamma; monoénergétique dont l'activité est d'une valeur inférieure à 0,500 millicuries, les densités étant comprises entre 1 et 5. 4 ) Appareil de mise en oeuvre du procédé d'analyse des carottes et des colonnes de liquides ou de pulpes au moyen d'une source de rayonnement &gamma; et d'un detecteur du rayonnement ayant traversé la section analysée, la source et le détecteur étant reliés au moyen d'un chariot se déplaçant à l'aide d'un moteur le long de rails parallèles à l'axe de la carotte en cours d'analyse caractérisé en ce que ledit appareil est adapté à la mise en oeuvre du procédé revendiqué, en ce qu'il répond au moins à l'une quelconque desdites revendications 1 à 3 et en ce que la distance entre source et détecteur est réglable. 5 ) Appareil comportant un moyen de protection contre les rayonnements # émis par la source et contre les rayonnements &gamma; analysés par le détecteur comportant des moyens de collimation obtenus par des ouvertures pratiquées dans lesdits moyens de protection caractérisé en ce qu'il est conforme à la revendication 4, en ce que l'ouverture côté source est une ouverture circulaire et l'ouverture côté détecteur une fenêtre rectangulaire dont la largeur est égale au diamètre de ladite ouverture circulaire. 6 ) Appareil tel que revendiqué en 5 dol t l'épaisseur desdits moyens de protection est au plus égale a 5 cm et en ce que l'effet biologique total mensuel sur un utilisateur est in férieur a 20 millirems. 7 ) Appareil tel que revendiqué dans l'une quelconque des des revendications 5 et 6 dont l'ensemble source, détecteur chariot coniprend un moyen de liaison a au moins une colonne verticale en vue d'analyser les colonnes de fluides, de pulpes ou des carottes verticalement. 80) Appareil tel que revendiqué en 7 dont la source, le détecteur et le chariot sont fixes au cours du déplacemeijt vertical de la colonne de fluide, de pulpes ou de la carotte. 90) Appareil tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 3, 7 el: 8 dont l'ensemble de l'appareil est étanche et dont les circuits de sortie du détecteur sor.t reliés en surface a l'aide d'un câble ae télétransmission pour enregistrer et traiter les signaux du détecteur. 10 ) Appareil tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 4 à 9 dont la source est le césium 137 et l'activité de rayonnement de 0,107 millicuries. 110) Appareil tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 7 à 10 dont le chariot comporte un dispositif de débrayage de son entrainement moteur permettar.t le passage rapide d'une position du cnariot a toute autre position le long de la carotte ou du tube contenant pulpe ou liquide. 12 ).Appareil tel que revendiqué dards l'une quelconque des revendications 4 à 11 dont le chariot est pourvu en outre d'un dispositif d'émission d'une onde de fréquence élevée et d'un dispositif de réception après traversée d'une section de la carotte, ledit récepteur étant connecté a un détecteur transmettant la mesure opérée au dispositif d'enregistrement de la densité mesurée simultanément sur la section voisine de la carotte.