Brevet FR2467414A1 — publié le 19810417

-1- La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif de reconnaissance de sols et de milieux rocheux. L'exploitation rationnelle des ressources naturelles du sous-sol exige une évaluation précise des ressources exploitables. Ainsi dans les domaines de l'hydrogéologie et-dans la recherche et l'exploitation pétrolière il est nécessaire de disposer de connaissances de plus en plus fines des caractéristiques géo- logiques, géométriques et hydrauliques des réservoirs souterrains. Cette préoccupation prévaut également pour les géotechniciens qui pour prévoir le comportement hydromécanique des massifs rocheux traversés par des écoulements d'eau doivent disposer d'une des- cription approfondie des paramètres géométriques, hydrauliques et mécaniques. D'autres disciplines, notamment la géothermie et le stockage de produits tels que des produits radioactifs dans les massifs rocheux souterrains, dont le développement est récent, ont également besoin de ces informations pour établir les modèles de prévision. Ainsi des disciplines différentes par leurs objectifs, et leur technologie rencontrent, tout au moins dans une phase de leur activité, les mêmes problèmes de détermination des paramètres à introduire dans le modèle de prévision. Les écoulements en milieu fissuré d'abord interprétés par la modélisation classique d'un milieu poreux caractérisé par une distribution de porosité et de perméabilité font l'objet actuellement de modèles dans lesquels les discontinuités sont prises en compte. Cette description dite analytique considère le milieu rocheux comme un matériau continu homogène séparé par des discontinuités franches appelées fissures ou fractures. Des procédés de technologie très différents sont à la disposition du technicien pour obtenir l'information sur le milieu rocheux qu'il étudie. Les procédés modernes de géologie structurale associés à des mesures géophysiques permettent de bien préciser la géométrie du milieu. Les paramètres hydrauliques sont déterminés en général par des essais de pompage ou d'injec- tion en régime transitoire ou pseudo-permanent. Les procédés d'analyse géologique structurale consistent à effectuer un levé systématique des fractures dans les zones intéressées par l'écoulement étudié. Ce levé est réalisé à partir d'observations en sondages, en galeries ou sur des affleurements. -2- Les procédés géophysiques consistent en l'application aux roches des grandes lois générales de la physique. Par la mesure ils déterminent les valeurs, pour le massif rocheux étudié, des paramètres associés à ces lois (résistivité élec- trique, susceptibilité magnétique, radio-activité, vitesse du son, conductibilité thermique,...). Par l'interprétation des paramètres ils permettent d'obtenir des informations sur le milieu étudié telles que nature et position des couches, frac- turation, porosité,.... On connaît ainsi des procédés gravi- métriques, des procédés électriques, des procédés magnétiques et électromagnétiques, des procédés de prospection sismique, des procédés de radioactivité, et des procédés thermométriques. Ces procédés connus sont décrits en détail dans le livre: "Géophy- sique appliquée à-l'hydrologie" de Monsieur J.L. ASTIER édité chez Masson en 1967. Les procédés hydrauliques consistent essentiellement en des essais de pompage ou d'injection dans des sondages tubés ou non tubés et partiellement crépinés. Ces procédés associent à des techniques d'essai telles que par exemple des essais Lugeon, l'utilisation d'une sonde dite hydraulique triple ou l'utilisation d'un piezofor ou d'un piezo- perméamètre, des procédés d'interprétation qui sont rappelés dans un rapport publié par la Société Internationale de mécanique des roches en Août 1977, et ayant pour titre " Suggested Method for Determining Hydraulic Parameters and Characteristics of rock Masses". Ces procédés d'interprétation peuvent être classés en modèles permanents ou pseudopermanents qui permettent une détermination de la perméabilité globale ou locale et en modèles transitoires qui permettent d'interpréter des mesures dans les milieux fissurés de géométrie simple et dont l'échelle de fissu- ration est petite par rapport à la passe de l'essai. Des essais interprétés par ces différents procédés on tire une information encore très incertaine sur le milieu rocheux fissuré. En effet, cette information se traduit le plus souvent par la détermination d'une perméabilité locale qu'il est diffi- cile de relier au paramètre analytique de la fissuration du milieu. Par exemple, l'extension des fissures ou fractures est un paramètre particulièrement délicat à estimer. La présente demande propose un procédé et un dispositif pour reconnaître des milieux rocheux et des sols permettant de -3- fournir des signatures spectrales des zones explorées et per- mettant par interprétation des résultats obtenus de déterminer qualitativement et quantitativement les paramètres des milieux étudiés, notamment les dimensions des fissures. Le procédé selon l'invention se caractérise essen- tiellement par le fait que l'on isole une zone de hauteur pré- déterminée d'un puits de forage, que l'on provoque dans ladite zone du puits, un débit alternatif du fluide se trouvant dans le puits entre celui-ci et le milieu environnant, selon une fonction prédéterminée, de préférence sinusoïdale, que l'on équilibre, de façon à la compenser, la pression statique dans ladite zone, que l'on fait varier la fréquence de ladite fonction de débit selon une gamme de valeurs de fréquence, que l'on détecte pour chacune desdites valeurs de fréquence la pression dynamique engendrée dans ladite zone de puits par ledit débit alternatif de fluide, et que l'on compare par rapport à des modèles, de référence, notamment mathématiques, les variations, en fonction de ladite fréquence, du rapport des modules desdites fonctions de pression dynamique et de débit. Le procédé selon l'invention consiste donc à étudier un système qui dans le cas d'un essai d'eau en milieu fissuré peut être considéré comme étant le milieu à deux phases, solide et eau, dans lequel est mis en place un dispositif d'essai. On provoque dans ce système une excitation ou signal d'entrée qui dans le cas présent est le débit alternatif, la réponse du système étant fournie par détection et mesure de la pression dynamique provoquée par cette excitation, la pression dynamique étant après établissement d'un régime stationnaire, une fonction sinusoïdale comme la fonction de débit excitatrice. Le procédé selon l'invention, vise à fournir des signatures spectrales des zones étudiées, ces signatures spectrales étant les variations en fonction de la fréquence du module de la fonction de transfert du système, une bonne approximation de ce module de la fonction de transfert étant donné par le rapport des modules de la fonction de pression dynamique engendrée et du débit alternatif de fluide créé. Il est remarquable, comme on le verra par la suite, qu'une fissure dans un milieu rocheux se comporte vis-à-vis d'une excitation comme un résonateur, la fréquence de résonnance étant caractéristique de l'extension de la fissure. -4- L'isolement de la zone de mesure peut se faire avan- tageusement, de manière en soi connue, à l'aide d'obturateurs gonflables ou packers, commandés hydrauliquement depuis la surface. Le débit alternatif sinusoïdal peut avantageusement être provoqué par des déplacements alternatifs d'une membrane, notamment sous forme de soufflet métallique, constituant une partie de paroi externe tubulaire d'une sonde introduite dans le puits. iO Dans un mode particulier de réalisation, les mouvements alternatifs de cette membrane peuvent être provoqués par le mouvement alternatif de va-et-vient dans une chambre, d'un piston solidaire d'un arbre entraîné en rotation continue notamment à partir d'une turbine. Cette réalisation est particulièrement avantageuse dans la mesure o le module de la fonction de débit est alors pour un piston de caractéristiques déterminées directement proportionnel à la fréquence de rotation de la turbine qu'il est facile de mesurer. Par mesure de cette fréquence de rotation et par un étalonnage approprié on connaît directement le module de la fonction de débit, c'est-à-dire en fait, l'amplitude moyenne du débit engendré dans le fluide en régime sinusoïdal stationnaire. Le dispositif selon l'invention se caractérise essen- tiellement par le fait qu'il comprend une sonde susceptible d'être descendue dans un puits de forage à l'extrémité d'un train de tiges, cette sonde comportant des obturateurs gonflables susceptibles de venir s'appliquer contre les parois du puits en étant alimentés en fluide hydraulique depuis la surface, et définissant entre eux une zone de mesure isolée, la sonde compor- tant des moyens pour provoquer depuis sa périphérie, un débit alternatif du fluide dans le puits entre celui-ci et le milieu environnant, notamment une chambre dans laquelle est mobile en va-et-vient un piston, ledit piston étant solidaire d'un arbre entraîné en rotation à partir d'une turbine, ladite chambre étant en communication avec une chambre dont la paroi externe est une membrane annulaire, de préférence un soufflet métallique, la sonde comportant en outre un mécanisme de contre- pression pour équilibrer et compenser la pression statique dans la zone de mesure, un capteur de pression dans la zone de mesure du puits, et des moyens de liaison entre la sonde et la surface pour 2467414 3 acheminer les différents fluides de commande et remonter les informations fournies par le capteur de pression. Avantageusement, le piston présente une forme cylin- drique dont les faces d'extrémité sont biseautées et est guidé dans ladite chambre de manière que le mouvement continu de rotation de l'arbre de la turbine soit transformé en mouvement alternatif de va-et-vient du piston. La vitesse de rotation de l'arbre peut avantageusement être controlée par des moyens photo-électriques disposés dans la sonde. Le mécanisme de contre-pression comporte avantageu- sement à la partie inférieure de la sonde un réservoir de gaz comprimé à une pression au moins égale à la pression statique à la profondeur maximale à laquelle on souhaite descendre la sonde, un orifice à la partie inférieure de la sonde, isolé du réservoir par un clapet, une liaison par capillaire étant réalisée entre ledit clapet et un point de la périphérie de la sonde dans la zone de mesure entre les obturateurs gonflables. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple nullement limitatif de mise en oeuvre en se référant au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente très schématiquement un dispositif selon l'invention mis en place dans le puits de forage, la partie gauche de la figure représentant la partie supérieure du dispositif qui se raccorde à la partie inférieure de celui-ci représentée à la partie droite de la figure. - les figures 2 et 3 sont des graphiques d'exemples de signatures spectrales de fissures de différentes dimensions. Le dispositif selon l'invention représenté sur la figure l se présente sous la forme d'une sonde allongée suscep- tible d'être fixée à la partie inférieure d'un train de tiges i comportant des lignes de liaison hydrauliques et électriques pour fournir les différentes energies nécessaires au fonctionnement de la sonde et acheminer vers la surface les informations recueillies. La sonde comprend un obturateur gonflable supérieur 2 et un obturateur gonflable inférieur 3, appelés communément packers et susceptibles d'être gonflés depuis la surface par une alimentation en-fluide hydraulique de façon à venir-s'appliquer -6 - 2467414. contre les parois du puits 4. Après gonflement des obturateurs on définit donc entre ceux-ci une zone de mesure isolée à l'intérieur de laquelle on a schématisé une fissure ou fracture 5. Le dispositif selon l'invention comprend une turbine 6, du type turbine de forage hydraulique, dont le fluide hydraulique d'alimentation est évacué au travers d'un clapet 7 extérieur à l'obturateur gonflable supérieur 2. L'arbre de sortie 8 de cette turbine 6 est solidaire d'un piston 9 présentant des surfaces d'extrémités biseautées 10 selon une pente pouvant atteindre 60 %, la pente moyenne préférée étant de l'ordre de 45 %. Le piston 9 par suite du mouvement de rotation de l'arbre 8 est ainsi déplacé selon un mouvement de va- et-vient vertical dans la chambre 11, de préférence.remplie d'huile, dans laquelle il est disposé. Le piston est guidé dans cette chambre et ses déplacements sont limités par des tiges de came supérieure et inférieure. Au-dessus de la chambre 11 et en communication d'huile avec celle-ci se trouve une chambre 12 dont la paroi périphérique est constituée par une membrane sous la forme d'un soufflet métallique 13. Le mouvement alternatif du piston 9 dans la chambre 11 sous l'action de la rotation de la turbine 6 provoque ainsi des déplacements pulsatoires alternatifs de la membrane 13 provoquant des déplacements du fluide entourant la sonde dans la zone de mesure, et, pour chaque pulsation, provoquant an alter- nance, un débit du fluide se trouvant dans le puits vers la fissure 5 puis le reflux du fluide de la fissure 5 dans le puits au niveau de la zone de mesure. L'agencement du piston et de la membrane est de préférence tel que la fonction de débit ainsi engendrée présente une forme sinusoïdale. Dans un mode particulier de réalisation on a ainsi utilisé un piston présentant une section de 78,5 cm2 ayant une course de 10 cm ce qui pour chaque demi-tour d'arbre, donc de course de piston provoque un débit de fluide dans la fissure de 785 cm3 par alternance. A sa partie inférieure le dispositif selon l'invention comprend un mécanisme de contre-pression permettant de compenser et d'équilibrer la pression statique régnant à la profondeur à laquelle la sonde est mise en place. -7- Le mécanisme de contre-pression comprend essentielle- ment une réserve de gaz 14 comprimé à une pression élevée corres- pondant à celle régnant à la profondeur maximale à laquelle on désire descendre la sonde, par exemple 200 bars, cette mise en pression s'effectuant en surface. Le mécanisme comprend à sa partie inférieure un clapet 15 au-delà duquel se trouve un orifice de sortie 16. Un capillaire 17 assure une liaison entre le clapet 15 et un orifice 18 débouchant dans le puits dans la zone de mesure entre les obturateurs gonflables. On comprend qu'au fur et mesure que l'on remonte la sonde dans le puits pour effectuer des mesures dans des zones différentes il se produit un échappement progressif du gaz comprimé se trouvant dans le réservoir 14. La pression du réser- voir est ainsi constamment en équilibre avec la pression statique extérieure dans le puits au niveau considéré. Le dispositif comprend également un capteur de pression 19 associé éventuellement à un capteur de température. La pression dynamique mesurée par le capteur 19, sous la forme d'un signal sinusoïdal après établissement d'un régime stationnaire, à une fréquence déterminée correspondant à la rotation de la turbine, est acheminée vers la surface de préfé- rence sous la forme de trains d'ondes de fréquence variable (système VCO). Le dispositif comporte en outre des moyens de contrôle de la vitesse de la rotation de l'arbre 8 de sortie de la tur- bine, schématisés sous la forme d'une cellule photoélectrique 20. La mesure de la fréquence de rotation de l'arbre de sortie de la turbine fournit, après étalonnage approprié corres- pondant aux dimensions et à la course du piston, la valeur souhaitée du module de la fonction de débit. Le dispositif comporte également dans la partie corres- pondant à la zone de mesure un clapet 21 en communication de fluide hydraulique avec la surface, et permettant, si on le souhaite, d'effectuer une modification de l'ouverture des fissu- res et des claquages hydrauliques du milieu rocheux. Enfin, il est avantageux de prévoir à la partie infé- rieure de la chambre il un mécanisme de sécurité représenté globalement par 22 et comportant des clapets 23 et une membrane métallique 24 dans une chambre 25 contenant de l'air comprimé. 2467414 3 Ce mécanisme de sécurité permet d'éviter des endomma- gements de l'ensemble piston 9/membrane 13 en surface lors du remplissage du réservoir 14 et est également efficace pour assurer cette même protection dans le cas de surpressions acci- dentelles en cours d'utilisation. Pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, dans une zone de mesure, on fait varier selon des valeurs prédé- terminées la fréquence de rotation de la turbine et pour chacune des fréquences on receuille le signal correspondant à la fonction de pression dynamique engendrée par le débit alternatif sinusoïdal provoqué dans le milieu environnant. On compare alors les courbes obtenues, représentant le rapport du module de la pression dynamique au module du débit en fonction de la fréquence, à des courbes obtenues à partir de modèles mathématiques ou expérimentalement et qui chacune corres- pondent à des caractéristiques déterminées de fissures ou de natures de sols. Ainsi, les figures 2 et 3 représentent de telles courbes. Dans la figure 2, on a illustré les signatures spec- trales pour des fissures d'une extension ou rayon de 300 m à partir du puits et pour des épaisseurs de 0,5 mm, 2 mm et 3 mm. Le pic de résonnance correspondant à une fréquence de 2,84 hertz est caractéristique de l'extension de la fissure. La figure 3 illustre des courbes obtenues pour des fissures ayant une épaisseur de 1 mm et des extensions respec- tives de 175 m, avec une fréquence de résonnance de 4,86 hertz, et 225 m avec une fréquence de résonnance de 3,78 hertz. Le troisième pic représenté sur la figure 3 correspond à la seconde fréquence de résonnance pour la fissure de 225 m. Il suffit pour l'interprétation des résultats en ce qui concerne l'épaisseur de la fissure, de s'intéresser à la forme de la courbe avant le premier pic de résonnance. Dans la pratique, on disposera de catalogues de signa- tures spectrales et la comparaison des valeurs obtenues par la mise en oeuvre du procédé selon l'invention avec les courbes théoriques, fournira les renseignements recherchés. L'exemple décrit montre l'utilisation de l'invention pour la détermination quantitative des dimensions des fissures dans des milieux rocheux. On doit cependant comprendre que l'invention n'est pas -9 - limitée à une telle nature de sol et trouve son application dans de nombreux domaines, notamment de l'hydrogéologie et des ressour- ces en eaux, non seulement dans les roches fissurées, mais également dans les roches poreuses ou Karstiques et dans les sols, dans le domaine de la géothermie en roche humide pour des questions de ressources géothermiques ou dans le domaine pétro- lier quelles que soient les roches magasins. De même l'invention peut s'étendre au domaine de la géothermie profonde en roches sèches, à la géotechnique à partir d'un ou plusieurs forages ou à la détermination des caractéristiques d'un milieu à utiliser pour le stockage de déchets, notamment radio-actifs, à forte profon- deur. Enfin, bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier de dispositif, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut apporter à celui-ci de nombreuses modifications sans pour autant sortir ni du cadre, ni de l'esprit de l'invention. -10- 2467414 I4 REVENDICATIONS 1. Procédé de reconnaissance de sols et de milieux rocheux, caractérisé par le fait que l'on isole une zone de hauteur prédéterminée d'un puits de forage, que l'on provoque dans ladite zone du puits un débit alternatif du fluide se trouvant dans le puits, entre celui-ci et le milieu environnant, selon une fonction prédéterminée, de préférence sinusoïdale, que l'on équilibre de façon à la compenser, la pression statique dans ladite zone, que l'on fait varier la fréquence de ladite fonction de débit selon une gamme de valeurs de fréquence, que l'on détecte pour chacune desdites valeurs de fréquence la pression dynamique engendrée dans ladite zone de puits par ledit débit alternatif de fluide, et que l'on compare, par rapport à des modèles, notamment mathématiques, de référence, les variations en fonction de ladite fréquence du rapport des modules desdites fonctions de pression dynamique et de débit. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit débit alternatif est provoqué par des déplacements alternatifs d'une membrane, notamment sous forme de soufflet métallique, constituant une partie de paroi externe tubulaire d'une sonde introduite dans le puits. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les mouvements alternatifs de ladite membrane sont provoqués par les mouvements alternatifs de va-et-vient dans une chambre de la sonde d'un piston solidaire d'un arbre entraîné en rotation continue, la mesure de la fréquence de rotation dudit arbre déterminant ledit module de la fonction de débit. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une sonde susceptible d'être descendue dans un puits de forage à l'extrémité d'un train de tiges, cette sonde comportant des obturateurs gonflables susceptibles de venir s'appliquer contre les parois du puits en étant alimentés en fluide hydraulique depuis la surface et définissant entre eux une zone de mesure isolée, ladite sonde comportant des moyens pour provoquer depuis sa surface périphérique un débit alternatif du fluide dans le puits entre celui-ci et le milieu environnant, un mécanisme de contre-pression pour équilibrer et compenser la pression statique dans la zone de mesure, un capteur de pression dans la zone de mesure du puits et des moyens de liaison entre la -11- sonde et la surface pour acheminer les différents fluides de commande et remonter les informations fournies par le capteur de pression. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits moyens pour provoquer un débit alternatif de fluide comprennent une chambre en particulier remplie d'huile dans laquelle est mobile en va-et- vient un piston, ledit piston étant solidaire d'une tige entraînée en rotation à partir d'une turbine, ladite chambre étant en communication avec une seconde chambre dont la paroi externe est une membrane annulaire, de préférence un soufflet métallique. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit piston présente une forme cylindrique dont les faces d'extrémité sont biseautées, et guidées dans ladite chambre de manière que le mouvement continu de rotation de l'arbre de la turbine soit transformé en mouvement alternatif de va-et-vient du piston. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications et 6, caractérisé par le fait que la vitesse de rotation de l'arbre est contrôlée par des moyens photoélectriques disposés dans la sonde. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que le mécanisme de contre-pression comprend à la partie inférieure de la sonde un réservoir de gaz comprimé à une pression au moins égale à la pression statique à la profondeur maximale à laquelle doit être descendue la sonde, un orifice à la partie inférieure de la sonde, isolé du réservoir par un clapet, une liaison par capillaire étant réalisée entre ledit clapet et un point de la périphérie de la sonde dans la zone de mesure entre les obturateurs gonflables.