Brevet FR2469720A1 — publié le 19810522

La présente invention apporte une amélioration aux procédés de mesures acoustiques en ce qu'elle permet d'effectuer celles-ci dans des trous de petits diamètres éventuellement vide de fluide. Il existe une demande accrue dans la connaissance des roches et des matériaux dans le domaine minier, pétrolier, géotechnique, géophysique et plus généralement dans toute étude de structures. Une des bases de cette connaissance est la mesure de la fonction de transfert des roches et des matériaux par des méthodes acoustiques. Cette mesure, sous une certaine forme existe et est couramment employée dans la recherche pétrolière. Pour cette recherche, des forages dits pétroliers" sont exécutés et les mesures y sont faites à partir d'outils dont le diamètre est supérieur à 90 mm et devant être branchés sur des câbles porteurs possédant 7 conducteurs électriques. Or, d'une part, les dimensions de ces outils ne permettent pas de les employer dans des forages d'un diametre réduit, du type minier par exemple, d'autre part, les câbles utilisés habituellement dans ces forages, pour d'autres mesures, comportent un nombre de conducteurs inférieur a sept. Jusqut maintenant, les critères de dimension et les restrictions concernant les câbles porteurs, n'ont pas permis de traîter de façon réellement efficace les informations acoustiques, en particulier la mesure différentielle de temps entre des arrivées d'ondes acoustiques quelconques. Par ailleurs, il est indispensable que ces outils, pour être efficaces, soient plongés dans un milieu assurant une bonne liaison acoustique avec le matériau a mesurer, ce qui dans les forages géotechniques par exemple, n'est pas toujours réalisable. Après une recherche dans le monde des fabricants spécialisés, ainsi qu'auprès des prestataires de services, il est apparu qu'aucun appareil répondant simultanément aux critères de dimension, de branchements tels que définis ci-dessus, ainsi que d'efficacité dans un forage vide de fluide, n'était actuellement disponible sur le marché. Nous avons donc été conduits a concevoir un système compatible avec ces différentes nécessités, c'est-à-dire - Un outil de diametre égal ou inférieur a 55 millimètres dont le branchement est possible sur un câble d'utilisation courante dans les forages de petits diamètres. La réduction du diamètre d'un tel outil, entraînant la réduction, de fait, de l'émetteur, diminue la puissance d'émission de celui-ci. Pour pallier cet inconvénient, il a été nécessaire d'augmenter le rapport signal bruit en agissant sur l'isolement acoustique des récepteurs par rapport au milieu parasite ambiant. D'augmenter les qualités du même rapport signal sur bruit des amplificateurs de réception et d'utiliser une méthode de traitement adéquate en surface. - Un traîtement de l'information en surface par un appareil qui permet de générer un mot constitué par un certain nombre de bits dépendant du nombre d'actions à commander et qui peuvent être par exemple le NO de l'émetteur en fonctionnement, le NO du ou des récepteurs en écoute, la valeur du gain du ou de ces récepteurs, et toute autre commande compatible avec les nécessités de la mesure. Les commandes sont génerées sous forme numérique, par exemple par des roues codeuses. Après conditionnement par un transmetteur parallèle/série en surface, elles sont transmises par le câble à un transmetteur série/parallele situé dans l'outil. d'amplifier et de conditionner des signaux venant de l'outil par un circuit dont le but est d'adapter les impédances, de compenser les pertes d'amplitude dans le câble et de filtrer les signaux parasites qui ne sont pas compris dans le spectre du signal utile. de mesurer automatiquement le temps entre l'émission et la réception d'une partie quelconque de tonde acoustique reçue par un circuit qui permet de générer une fenêtre asservie aux déplacements dans le temps, d'une alternance du signal et est constitué : (voir planche 1/5) d'un amplificateur (8) à la sortie duquel est branché un interrupteur électronique (6) commandé par le monostable (4). L'interrupteur (6) est fermé durant l'application de la fenêtre. d'un compteur (i) dont le début de comptage est déclenché par le signal dit de "syncro" correspondant au moment de l'émission. La capacité totale du compteur correspond à un certain nombre de bits N, telle que pour qu'elle soit atteinte en un temps Tds il faille une période d'horloge adéquate. d'un convertisseur numérique analogique (2) de même nombre de bits que le compteur (I) et dont la tension de sortie à pleine échelle soit égale à Vds. d'un comparateur (3) sur une des entrées duquel est appliquee une dent de scie de durée Tds, d'amplitude maximale Vds et de même origine que le début de comptage du compteur (1), sur l'autre entrée est appliquée une fraction de l'amplitude de la sortie du convertisseur ou d'une source de référence, par le choix fait, grâce à l'interrupteur (7) branché en A pour un fonctionnement en automatique ou en B pour un fonctionnement manuel. d'un monostable (4) dont la période débute sur le basculement du comparateur (3) lorsque la valeur de la tension de dent de scie est égale à la tension de référence donnée par l'interrupteur (7). Le signal issu du circuit (4) ferme I1 interrupteur (6) et applique le signal au détecteur de crête ou de seuil (5). d'un détecteur de crête ou de seuil utilisé en crête si le signal n'est pas saturé ou en seuil, obligatoirement, s'il est saturé. Dès qu'un seuil ou une crête est détecté, un signal est généré qui ouvre l'interrupteur (6) par le monostable (4) arrête le compteur (1) et charge la mémoire (9) interdisant toute autre détection. d'une mémoire (9) chargée, à chaque séquence, à la valeur du compteur (1) valeur dépendant du temps entre l'origine de la "syncro" et la détection d'un seuil ou d'une crête ; la sortie de cette mémoire est appliquée au convertisseur DAC (2) qui délivre une tension, à sa sortie, proportionnelle au temps défini précédemment. Cette proportionalité est réglable par un coefficient K De ce fait, à la séquence suivante le basculement du comparateur, donc l'ouverture de la porte, se fera à un temps inférieur, mais proportionnel au coefficient K et au temps entre l'origine de la "syncro" et l'apparition de la crête ou du seuil choisi. Le coefficient K permet de définir la largeur de la fenêtre précédant le signal à analyser. Cette largeur est fonction des variations maximales possibles du signal entre deux séquences. Il y a asservissement d'une séquence sur l'autre quant à l'ouverture de la fenêtre. de mesurer automatiquement la différence entre 2 signaux reçus par un circuit de mesures constitué : (voir planche 2/5) d'une bascule (10) du type D dont la sortie Q monte au niveau logique "1" lors de la présence d'un signal T1 image de la première arrivée à mesurer. Cette sortie Q redescend à "0" par la remise à zéro de la bascule, lors de l'arrivée du signal T2 image de la deuxième arrivée à mesurer. d'une porte (15) autorisant le passage des impulsions d'horloge du compteur (11) durant la différence de temps T2 - T1. d'un compteur (11) dont le nombre de bits et la période d'incrémentation est compatible avec la différence T2 - T1 à mesurer. d'une mémoire (12) prenant en compte la valeur de sortie du compteur après le temps T2. d'un convertisseur numérique analogique (13) convertissant la différence de temps numérique en une valeur analogique. d'un amplificateur (14) de sortie, destiné à adapter le signal à un enregistreur analogique. d'éliminer automatiquement les erreurs de mesures par un circuit constitué (voir planche 3/5) d'un compteur (16) dont le début de comptage peut être donné par la "syncro" d'émission ou par le temps d'une arrivée quelconque, et dont la fin de comptage est donnée par un autre temps d'arrivée. d'une mémoire (17) prenant la valeur du compteur sur le signal de fin de comptage. d'un convertisseur numérique/analogique (19) transformant la différence de temps numérique en une valeur analogique. d'une mémoire (18) chargée à la valeur donnée par la séquence précédente. d'un convertisseur numériquejanalogique (20) convertissant la valeur numérique en une valeur analogique. de deux amplificateurs (21) et (22) respectivement de gain plus grand que 1 et moins grand que 1 chargés d'amplifier le signal donné par (20). de deux comparateurs (23) et (24) comparant les deux tensions issues de (21) et (22) à la valeur de la tension issue de (19) de la séquence en cours. Si la tension issue de (19) est comprise dans les limites données par les amplificateurs (21) et (22), la mesure en cours est considérée comme bonne, et le circuit logique (25) autorise le chargement de la mémoire (18) à la valeur du compteur (16) Les valeurs des gains des amplificateurs (21) et (22) donnent les limites autorisées, entre deux valeurs du compteur lors de deux séquences successives. Les limites dépendent des caractéristiques des signaux. Si la différence de temps entre 2 séquences successives est anormale, la mémoire (18) reste chargée à la valeur précédente. d'un amplificateur (26) de sortie, destiné à adapter le signal à un enregistreur analogique. d'un sommateur dont l'originalité est de n'effectuer cette sommation que sur la partie du signal intéressant et par là même, de limiter l'importance de la mémoire. Il est constitué : (voir planche 4/5) d'un compteur (27) déclenché par l'origine de temps de la mesure qui peut être, par exemple, la syncro d'émission ou un temps quelconque de référence. La fréquence de comptage de ce compteur dépendra de la précision de la mesure. d'un comparateur (28) numérique, du même nombre de bits que le compteur qui compare la sortie du compteur (27) à une valeur numérique de référence manuelle ou automatique. d'une logique (29) qui a pour fonction de démarrer une séquence lorsqu'il y a égalité entre la sortie du compteur (27) et -la valeur de référence, de générer un certain nombre de séquences identiques,~égales à la valeur affichée par le circuit nombre de séquences (30) et de générer à l'intérieur de chaque séquence une sous-séquence en vue de gérer l'acheminement de la valeur numérique d'un échantillon à travers les différents circuits constituant le sommateur. d'un circuit de conversion analogique numérique (31) recevant le signal analogique à sommer et dont le début de conversion aura lieu après le temps affiché par la référence numérique. Le pas d'échantillonnage du convertisseur est fonction du spectre du signal à convertir. L'ordre de conversion de chaque échantillon est donné par la ligne A venant de la logique (29) qui reçoit l'indication de fin de conversion par la ligne B venant du circuit (31). d'un circuit de sélection (32) géré par la ligne C venant de la logique (29) et qui retransmet directement, lors de la première séquence, les valeurs des échantillons à la sortie du circuit (31) à l'intérieur de la mémoire (33). d'un circuit mémoire (33) du type écriture/lecture géré par la ligne D pour l'adressage de celui-ci et par la ligne E pour la fonction écriture ou lecture. Cette mémoire (33), en dehors de la première séquence, reçoit les informations venant de la sortie du circuit sommateur (34). d'un circuit sommateur (34) permettant la sommation de deux mots numériques M et M2 à N bits. Le mot de sortie de ce circuit est constitué d'un nombre identique de bits aux mots d'entrée M1 et M2. La somme M1 + M2 est donc divisée par deux en laissant le bit de poids le plus faible à la sortie du sommateur et en prenant le bit de retenue comme bit de poids le plus fort. La logique (29) présente à l'entrée du circuit (34) l'échantillon de rang R stocké dans la mémoire, en même temps que se présente l'échantillon de même rang de la séquence en cours et venant de (31). La somme étant effectuée par (34) le résultat est rangé à la même adresse de rang R, à l'intérieur de la mémoire (33) avant que l'opération soit recommencée sur l'échantillon de rang R + 1. Le nombre d'échantillons est déterminé par la logique (29), le nombre de séquences à sommer par un indicateur (30) manuel ou automatique. d'un convertisseur numérique/analogique (35) transformant la valeur numérique en valeur analogique. d'un détecteur de crête ou de seuil (36) validé pour la dernière séquence par la ligne G de la logique (29) qui délivre un signal unique sur le premier franchissement de seuil ou de crête rencontré, le signal arrêtant le compteur (27) et chargeant la mémoire (37). La sortie de cette mémoire est acheminée vers une representation numérique ou analogique. Au début de chaque séquence, et jusqu'au moment où l'égalité entre la référence numérique et le compteur n'est pas obtenue, le sommateur (34) a sa valeur numérique de sortie maintenue à zéro. A la fin de chaque séquence, le compteur (27) est remis à zéro par la ligne F venant de la logique (29). - Un système de liaison acoustique : (Voir planche 5/5), amovible, qui se présente comme une vessie ou un ensemble de vessies gainant l'outil sur lequel il s'adapte. Il comporte en outre, un groupe électro-pompe et un réservoir soit annexés à l'outil, soit indépendants de celui-ci. L'outil (38) généralement suspendu à un câble (39) est descendu dans un trou (45) au niveau d'un point de mesure, la ou les vessies (40) étant vides. Au niveau du point de mesure, à partir d'une commande quelconque, manuelle ou automatique, le groupe électro-pompe (41) entre en fonctionnement et, puisant un liquide dans le réservoir (42), remplit par l'intermédiaire d'une tuyauterie appropriée (43) la ou les vessies dont le volume vient combler l'espace annulaire (44) compris entre l'outil et la paroi du trou (46) réalisant la liaison acoustique recherchée. La mesure terminée, le groupe électro-pompe (41) récupère le liquide des vessies (40) pour le stocker dans le réservoir (42). Les vessies ainsi vidées permettent à l'outil de se mouvoir à nouveau. REVENDICATIONS 1. Ensemble composé d'un outil dit "de fond" et d'un appareillage de surface, permettant la mesure de la fonction de transfert des roches et des matériaux à partir de méthodes acoustiques caractérisé par ce que l'outil peut etre branché sur un câble porteur à quatre conducteurs, que son diametre est inférieur à 55 m/m, que grâce à l'emploi d'un système de manchons amovibles remplis et vidés à volonté, les mesures peuvent être faites dans des trous éventuellement vides de fluide, que l'émission est du type magnetostrictif, que du fait de son rapport signal/bruit l'espace entre emetteurs et récepteurs permet l'exploitation des différents types d'ondes, que l'appareillage de surface, à partir de deux signaux reçus simultanément, issus des récepteurs de l'outil, permet la mesure automatique ou sous contrôle manuel d'un intervalle de temps entre une partie quelconque différenciée de ces signaux. 2. Système de mesure suivant la revendication (1) caractérisé par la possibilité de mesurer automatiquement le temps entre l'émission et la réception d'une partie déterminee d'une onde donnee par l'utilisation d'une fenêtre de mesure asservie. 3. Systeme de mesure suivant la revendication (1) caractérisé par la possibilité de mesurer automatiquement la différence d'arrive d'une onde donnée par des récepteurs différents en utilisant une méthode numérique. 4. Systeme suivant la revendication (1) caractérisé par la possibilite d'éliminer les erreurs de mesure dues à un signal parasite en n'autorisant la prise en compte de la mesure que si celle-ci reste à l'intérieur de limites prédéterminées et en rapport avec la mesure précédente. 5. Système de mesure suivant la revendication (1) caractérisé par l'emploi d'un detecteur de crête. 6. Système de mesure suivant les revendications (1) (5) caractérisé par la possibilite d'augmenter le rapport signal/bruit à l'entrée d'un détecteur de crête ou de seuil en utilisant un procédé de sommation numérique ne s'effectuant que sur la partie jugée utile du signal. 7. Système suivant la revendication (1) caractérisé par la possibilité de restituer sous une forme quelconque, graphique, magnétique, visu, les mesures effectuées.