Brevet FR2473185A1 — publié le 19810710

L'invention concerne un dispositif de détection électromagnétique souterrain, et plus particulièrement un dispositif destiné à des applications telles que la diagraphie de sondages, et à l'exploration géophysique en général, par exemple dans un sondage, un puits de mine ou sur le fond de la mer, en d'autres termes à l'exploration souterraine. Les diagraphies de puits sont utilisées depuis longtemps pour l'acquisition de nombreux critères d'informa- tions concernant la configuration de gisements de pétrole ou de minerais souterrains. Par exemple, dans un gisement de pétrole, si la résistivité peut être mesurée, le pétrole possède une résistivité très supérieure à celle de l'eau ou de la saumure qui lui est normalement associée. Un corps de minerai est communément plus conducteur que la zone souterraine adjacente restante. Les techniques minières pêchent encore par un manque de sensibilité et de qualité des informations. Par exemple, dans une diagraphie classique de conductivité, le puits proprement dit affecte la mesure de la conductivité de la formation. De plus, les structures relati- vement éloignées du puits ne peuvent être détectées. On met en oeuvre des techniques à l'air libre pour obtenir des informations concernant la configuration de corps de minerais ou de gisements pétroliers souterrains. Une technique de l'art antérieur, peu éloignée du concept de l'invention mais uniquement limitée à une utilisation à l'air libre, est la méthode magnétotellurique d'exploration géophysique. Dans ce cas, l'impédance tenso- rielle de la terre envers des champs électromagnétiques d'origine externe est mesurée à la surface du sol. A cet effet, on dispose deux magnétomètres directionnels suivant des axes horizontaux perpendiculaires et deux antennes horizontales suivant généralement les mêmes axes que ceux des magnétomètres. Les magnétomètres mesurent les variations du champ magnétique et les antennes mesurent les variations du champ électrique, toutes deux dans une bande de fréquences intéressante. Suivant l'application, ces fréquences peuvent descendre jusqu'à 10 Hz ou s'élever jusqu'à 10 Hz. Le type de magnétomètre utilisé (sonde électromagnétique, bobine d'induction, "Squid", pour en citer trois) dépend de la bande de fréquences et de l'environnement. L'antenne est constituée d'une certaine longueur de fil métallique dont les deux extrémités sont reliées électriquement à la masse. La longueur peut atteindre 1 km ou plus aux basses fréquences, mais elle doit être plus faible aux fréquences élevées en raison de son effet capacitif avec la terre sur son signal de sortie. Cette longueur est rarement inférieure à 10 ou 15 m, car le signal produit par une antenne courte est proportion- nel à la longueur de cette antenne. C'est la raison pour laquelle il n'a pas été pratique d'effectuer des mesures magnéto-telluriques dans des sondages. Cependant, il existe plusieurs applications dans lesquelles il peut être souhaitable de pouvoir réaliser de telles mesures. On trouve certaines de ces applications dans la prospection pour le pétrole et d'autres minerais et dans l'élaboration de cartes de structures géologiques souterraines. Une autre technique qui utilise des réseaux de gradiomètres/magnétomètres supraconducteurs est décrite dans l'ouvrage "IEEE Transactions on Magnetics', Vol. MAG-ll, N0 2, mars 1975, de Wynn et collaborateurs. Dans ce cas, un réseau spécial mesure simultanément 5 gradients spatiaux indépendants d'un champ magnétique qui est en fait statique et qui exige essentiellement une source magnétique. En d'autres termes, le rythme de variation du champ magnétique est nul dans ce cas, alors qu'il est différent de zéro dans le cas de l'invention. Le dispositif décrit dans l'ouvrage précité ne repose que sur des contrastes apparaissant dans la perméabilité magnétique en opposition à la conductivité électrique. Ce dispositif est similaire à celui de l'inven- tion en ce qui concerne l'utilisation combinée de magnéto- mètres et de gradiomètres supraconducteurs pour dériver certaines informations concernant un champ magnétique. Bien que l'article précité suggère que l'une des possibilités du dispositif réside dans son aptitude à caractériser des structures géologiques, son domaine principal d'application semble résider dans des études biologiques telles que les recherches portant sur les stimulateurs cardiaques. Cepen- dant, le contrôle par satellite du champ magnétique terrestre est également suggéré. L'invention a donc pour objet général un dispositif de détection électromagnétique souterrain perfectionné qui comprend un conteneur refroidi à très basse température destiné à un usage souterrain et contenant des moyens de mesure de gradient destinés à mesurer au moins une composante horizontale de la densité de courant vectorielle dans la zone souterraine adjacente. Le conteneur contient également des moyens de mesure du champ magnétique destinés à mesurer des composantes horizontales de champ magnétique dans au moins une direction perpendiculaire à la densité de courant vectorielle. Des moyens sont prévus pour déterminer la conductivité électrique de l'environnement immédiat du conteneur. Enfin, des moyens sont prévus pour utiliser les quantités ainsi mesurées et déterminées sous la forme d'une fonction de la fréquence du champ électromagnétique afin de déterminer l'impédance de la zone souterraine sous-jacente et environnante en fonction de la fréquence. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une coupe verticale simplifiée et schématique montrant l'application du dispositif selon l'invention dans un sondage; - la figure 2 est une coupe verticale à échelle agrandie de la partie inférieure de la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique montrant plus en détail le dispositif représenté sur la figure 2; - la figure 4 est une vue schématique montrant une opération d'étalonnage pour une sonde particulière; et - la figure 5 est un graphique montrant une famille de courbes obtenues à partir de l'étalonnage illustré sur la figure 4. La figure 1 montre une application typique de l'invention dans laquelle a été descendue, dans un sondage , une sonde 11 contenant les divers instruments électriques destinés à la détection et, par analyse finale, à l'élabora- tion d'un modèle de conductivité de la zone souterraine adjacente 12. Cette zone souterraine se trouve en fait entièrement à l'extérieur de la sonde Il et la zone 12 montrée sur la figure 1 peut être un gisement de minerai ou une roche poreuse contenant du pétrole. La sonde 11 est reliée à un camion 13 d'enregistrement par un câble 14 qui, en plus des. :rterconnexions électriques, peut comporter des interconnexions convenables à hélium afin de maintenir les instruments de détection à une très basse température en l'absence de source interne d'alimentation en hélium. En général, la sonde comporte un compartiment 16 à instruments à très basse température contenant un Vase Dewar" et des électrodes supérieure et inférieure 17 et 18 qui sont placées aux extrémités verticales de la sonde 11. Ces électrodes sont exposées à la boue contenue dans le sondage et elles sont -en matière non magnétique. La sonde comporte également un compartiment 19 pour les circuits électroniques généraux, ce compartiment étant protégé ther- miquement de la partie à très basse température par une isolation thermique 21. Lors de l'utilisation, la sonde 11 contenant les instruments et les circuits électroniques est descendue dans le sondage jusqu'au fond ou jusqu'à toute autre profondeur souhaitée. Elle est ensuite stabilisée au moyen de stabilisa- teurs 22a et 22b afin de ne pas pouvoir se déplacer dans le champ magnétique statique de la terre. Les signaux provenant des capteurs, y compris des capteurs de référence situés à la surface s'ils sont disponibles, sont enregistrés pendant une durée égale à plusieurs fois la plus longue période intéres- sante. Par exemple, si la plus longue période est de 50 secondes, le signal doit être enregistré pendant au moins 200 secondes. Les données enregistrées sont ensuite traitées par la mise en oeuvre de schémas de traitement magnéto- telluriques afin que l'on obtienne les vecteurs de champ magnétique et de champ électrique, l'impédance tensorielle et le vecteur d'induction (Tipper), toutes ces données étant des fonctions de la fréquence, comme décrit ci-après. Un vecteur ("Tipper") champ électrique est également calculé, ce vecteur dépendant de la densité du champ électrique dans la direction verticale Z, ainsi que de la force du champ dans le plan horizontal, par exemple les directions X et Y. Lorsque l'on a acquis toutes les données corres- pondant à une première profondeur, la sonde est déplacée verticalement sur une distance qui dépend de la nature du problème géologique. La saisie des données recommence ensuite. Des signaux du champ électromagnétique naturel, par exemple à des fréquences typiquement de 1 à 10 Hz, sont utilisés. Cependant, ces signaux changent d'amplitude avec le temps d'une manière imprévisible. Lorsque les signaux naturels présents à la fréquence souhaitée sont trop faibles pour permettre l'utilisation de données devant être obtenues, par exemple sous une masse d'eau ou au-dessous d'une hauteur importante de roche conductrice, une source artificielle puissante de champ magnétique peut être mise en place à la surface du sol ou sur le fond de l'eau. A la fin de la saisie précédente de données, la sonde 11 est retirée et une diagraphie de conductivité normale est réalisée. Il s'agit d'une diagraphie de puits donnant à la fois la conductivité îs du sondage et une conductivité réelle 0t de la roche voisine qui est à l'état non perturbé (c'est-à-dire précédant le forage), comme indiqué, par exemple, dans l'édition de 1972 d'une publica- tion de la firme Schlumberger Limited, New York, N.Y., intitulée "Log Interprétation". Cette publication indique des méthodes commerciales de diagraphie de puits connues sous les noms de "Caliper Log" et "Dual Induction Laterolog". La seconde méthode constitue un type convenable de diagraphie par induction. La figure 2 montre des détails intérieurs de la sonde 11. Il s'agit essentiellement d'un cryostat qui doit être de conception spéciale afin de supporter les pressions et les températures élevées rencontrées dans des puits profonds. Il est possible d'utiliser des matières telles que le béryllium pour former des parois d'épaisseurs convenant de façon appropriée à la pression prévue. En général, la sonde 11 comprend le compartiment cryostatique 16 qui possède un conteneur intérieur 26 et un conteneur extérieur 27. Les divers magnétomètres et gradiomètres utilisés dans le dispositif selon l'invention sont logés dans ce compartiment. Des boucliers de protection contre le vide et la chaleur sont placés à l'extrémité supérieure 28 et à l'extrémité inférieure 29 de la sonde. Une pompe 31 à sorption est utilisée, de même qu'un régulateur de température qui maintient la température à une valeur inférieure à 60 K. En particulier, l'hélium peut être pompé par la pompe à sorption reliée à la chambre à hélium délimitée à l'intérieur du conteneur intérieur, et il est soumis à l'action du régulateur. Le signal de commande de ce régulateur est dérivé à partir des données fournies par un capteur de température relié à un détecteur à jonction Josephson. De cette manière, la température est maintenue jusqu'à ce que l'hélium soit consommé. La régulation de température minimise la source principale d'erreur possible pour les instruments, car la source principale de parasite pour un dispositif du type "Squid" (ces initiales ayant pour signification "Superconducting Quantum Interference Device") est constituée par une variation du courant critique de la jonction Josephson par suite d'une fluctuation de la température du bain d'hélium. Une autre technique de régulation de température consiste à maintenir une pression inférieure à celle de l'atmosphère dans un tube souple de décharge contenu dans le câble 14 auquel l'instrument est suspendu. La température de la jonction Josephson est comparée à celle souhaitée et la différence est utilisée pour commander une vanne de réglage de débit de gaz placée dans la chambre à hélium. L'appareillage de commande est disposé dans le vase de Dewar afin de réduire le retard affectant la réponse du système de régulation. Ce procédé est utile lorsqu'il est nécessaire que le dispositif séjourne dans le puits pendant de longues périodes de temps. La figure 3 montre les divers dispositifs de détection du champ électromagnétique contenus dans le compartiment 16 de la sonde 11. On trouve principalement trois magnétomètres indiqués en HxY Hy et Hz destinés à mesurer les composantes magnétiques dans les directions correspondantes, et quatre gradiomètres constitués chacun de deux bobines exploratrices pour la mesure de composantes de la densité de courant de la manière décrite ci-après. En fait, un gradiomètre est identique à un magnétomètre supra- conducteur, hormis ce qui concerne le circuit d'entrée qui utilise deux bobines connectées en montage de différenciation de champ à la place de la bobine unique du magnétomètre. Chaque gradiomètre est destiné à une mesure déterminée, par exemple AHz/ Ax, cette mesure portant sur la variation dans la direction X du champ magnétique dans la direction Z. Trois autres paires sont de conception analogue. La valeur mesurée par un gradiomètre est soustraite de l'autre et on obtient ainsi une composante j de la densité de courant. Cette information, utilisée conjointement avec la diagraphie de résistivité, donne une composante du champ électrique horizontal. Ces données, associées aux composantes de champ magnétique, constituent une information suffisante pour établir un modèle d'impédance de la structure géologique souterraine adjacente. La théorie de la technique mise en oeuvre pour le traitement et l'utilisation de l'information captée sera à présente décrite. Les équations de Maxwell régissant le comportement des champs électromagnétiques indiquent que, à basse fréquence: (1) VX Dy az x - (lb) DH DH az x y (lc) x ax y Dz o x et y correspondent à deux directions horizontales orthogonales et z correspond à une direction verticale descendante. Ce groupe de directions est choisi de manière à former un système de coordonnées cartésiennes droit. Il ressortira de la description qui suit que les équations (la) et (lb) sont critiques pour dresser la carte de l'impédance souterraine et que l'équation (lc) est relati- vement superflue, mais peut être utilisée à certaines fins. Le système d'instruments de la figure 3, qui comprend quatre gradiomètres, produit les quatre dérivées partielles nécessaires aux équations (la) et (lb) pour l'obten- tion, par conséquent, des valeurs ix et j Y. En pratique, les valeurs de ix et jy mesurées à la sonde diffèrent de leurs valeurs réelles à la même profon- deur, mais à l'écart du puits, en raison de la différence de conductivité entre la zone du sondage et la roche environ- nante. Il est connu que ceci est dû au procédé de forage du puits. Il faut donc appliquer le procédé d'étalonnage illustré sur la figure 4. Dans ce cas, un champ électrique continu horizontal est appliqué artificiellement par un générateur de courant I et par des sondes 32 et 33 qui pénètrent dans le sol, sur le lieu de l'essai et qui sont placées à une distance 2r l'une de l'autre. Un puits peu profond 34 est creusé et rempli d'un fluide 36 ayant une conductivité î. La conductivité du sol eS peut être aisément déterminée à partir du rapport (I/V) qui est divisé par (2 Ir r). La sonde ll (d'un diamètre D) est descendue dans le puits et le courant I et la tension V sont mesurés à l'aide des sondes 37 et 38 qui sont adjacentes au puits. Ces sondes sont espacées d'une distance 10 fois inférieure à celle comprise entre les sondes 32 et 33, à savoir la distance 2r, comme représenté. On mesure sur une ligne analogique 14 la valeur j'O (voir équation la). Etant donné que la conductivité réelle du sol est connue et que le champ électrique peut être calculé par la mesure de V et par la distance comprise entre les sondes 37 et 38, l'équation (2) (j = E 0) permet de t calculer la densité de courant vectorielle réelle j. On a x alors: (3) lx = k *o x o k est un facteur de correction. Cependant, ce facteur ne s'applique qu'à une conductivité particulière de fluide a, et à une dimension particulière W du puits. Ainsi, pour obtenir une famille de valeurs k, on répète le processus précédent avec des puits de différentes dimensions W et avec différentes conductivités de fluide pour obtenir les courbes de la figure 5. Dans ce cas, le paramètre des courbes est W/D (diamètre du puits/diamètre de la sonde). En général, les courbes d'étalonnage de la figure 5 ont leurs valeurs dérivées rassemblées autour des mêmes dimensions devant être relevées. Ensuite, sur le lieu même du relevé, des diagraphies industrielles de puits sont réalisées, par exemple la diagraphie du type "Dual Induction Later Log" et la diagraphie "Caliper Log" indiquées précédemment, qui donnent, à chaque profondeur mesurée, la conductivité cs présente dans le sondage et la conductivité réelle et de la zone souterraine environnante avant qu'elle soit modifiée par le forage, ainsi que le diamètre réel W du puits. Etant donné que le facteur de correction k est une fonction de W/D et de e't/ Cos comme indiqué en abscisses sur la figure 5, une valeur particulière de k est choisie. Ensuite, étant donné que d t est connu à cette profondeur à partir du diagramme d'induction, on calcule une information concernant le champ électrique réel à l'aide de la formule (4) Jx x k =x Ex = a,_ __ x ît La même technique est utilisée pour convertir la o t mesure jy en Ey *Dans les bandes de fréquences intéressantes, les corrections précédentes sont indépendantes de la fréquence. Etant donné que Ex et Ey ont à présent été dérivés et étant donné que Hx et Hy ont été mesurés précédem- ment, à l'aide de ces quatre facteurs, à savoir Ex, Ey, Hx et Hy qui sont tous une fonction de la fréquence et qui sont bien connus, en soi, dans les techniques magnéto-telluriques, il est possible de construire un modèle d'impédance sur le plan particulier dans lequel la sonde est placée pour l'essai. Autrement dit, il est possible de calculer Zxx? Zxyl Zyx et Zyy D'une manière générale, les champs électro- magnétiques provenant de sources naturelles et s'étendant sur une large plage de fréquences sont réfléchis par la surface du sol. Ils se propagent verticalement vers le bas et s'atté- nuent de manière exponentielle en induisant des courants telluriques. Lorsque l'on réalise une analyse spectrale des composantes de ces champs, le rapport complexe des champs horizontaux électrique (E) et magnétique. (H) à chaque fréquence ( CJ) donne une impédance Z( J): E(WJ) = Z (wX) H ( c.)) Z est l'impédance tensorielle opposée par le sol à l'onde électromagnétique. Elle est interprétée à l'aide de modèles de manière à donner une conductivité en fonction de la profondeur ainsi que des variations latérales, le cas échéant. D'autres mesures pouvant être réalisées portent sur les valeurs Hz et Ez. Hz est obtenu au moyen d'un il magnétomètre "Squid" supplémentaire placé dans la sonde ou le conteneur 11. Ez est mesuré au moyen de l'antenne verticale 17, 18. Hz, combiné avec Hx et Hy, donne le vecteur d'induction qui est une mesure bien connue. Un vecteur champ électrique est obtenu en combinant Ez avec HX et H Y Il en est de même pour E et E. x y Le rapport signal/bruit peut être sensiblement amélioré par l'utilisation d'un schéma de mesure de "référence à distance", selon lequel les signaux enregistrés simultanément au moyen de deux magnétomètres situés à moins de 5 à 10 km sont utilisés dans l'étage de traitement de données pour rejeter les parties du champ qui ne sont pas communes aux deux groupes d'instruments. Dans de nombreuses situations simples, Hz est beaucoup plus petit que HX ou que Hy, de sorte que jx est à peu près égal à ( bôH / a z) et que j> est à peu près égal à yy - a H / a z). Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de y mesurer ( aHz/ a y) ou ( aHz/ a x). Des valeurs typiques sont î0= 0,03 s/m Ex = 10 6 v/m ix = 3 x 10-8 a/m2. Ainsi, si aHy/ az est à peu près égal à ix, la valeur obtenue en unités pratiques est d'environ 1-2 x 10 nanoteslas/m. Etant donné que la plupart des gradiomètres du type "Squid" mesurent en fait la différence de champ magnétique entre deux boucles, comme montré sur la figure 3, les mesures "delta" sont sensiblement équivalentes à la dérivée partielle souhaitée. Il est évident que plus la valeur delta pouvant être atteinte est grande, plus la sensibilité est élevée. Les dimensions horizontales sont réduites lorsque l'on opère dans un sondage. Les puits de pétrole peuvent avoir un diamètre descendant jusqu'à 17 cm et des forages d'exploration minière peuvent avoir des diamètres encore plus petits. Cependant, la sensibilité de gradiomètres placés dans un sondage de 10 cm doit être suffisante. Les gradiomètres et magnétomètres du type général décrit précédemment sont commercialisés par la firme S.H.E. Corporation, 4174 Sorrento Valley Boulevard, San Diego, Californie. De plus, le catalogue des produits de cette firme indique d'une manière générale l'utilisation de gradiomètres supraconducteurs en combinaison avec des mesures de champs magnétiques pour l'obtention d'informa- tions géophysiques. Cependant, le concept selon l'invention diffère de ceux de l'art antérieur ou de ceux mettant en oeuvre des combinaisons de magnétomètres et de gradiomètres. La différence réside dans le -fait que les courants et les champs électriques j et E sont dus à des variations temporelles 3H aH aH_ x y z at,-- et a t conformément à la deuxième des équations de Maxwell Vx E=-_p aH at Dans d'autres méthodes, on suppose que les composants de H ne varient pas avec le temps, ces variations se présentant sous la forme de bruits et de parasites affectant la mesure. Dans ces méthodes, les variations spatiales des composantes de H sont dues à des répartitions irrégulières des matières magnétiques telles que le fer. De plus, ces autres méthodes ne sont pas indiquées pour l'utili- sation en fond de puits et il n'est pas fait appel à la conductivité électrique '. Dans le cas du dispositif perfectionné selon l'invention, en particulier lorsqu'il est utilisé avec des signaux de champs naturels, dans un sondage ou dans un trou de mine, l'avantage que ce dispositif présente par rapport aux dispositifs classiques de diagraphie électrique et de diagraphie par induction est qu'il réalise un échantillonnage beaucoup plus avancé dans la roche adjacente qui n'est pas affectée par le sondage. Ceci constitue une limitation importante des diagraphies classiques de sondages, car l'opération de forage peut modifier les conditions physiques sur un rayon de plusieurs mètres. Cependant, la sensibilité améliorée du dispositif selon l'invention, en particulier avec l'utilisation de magnétomètres et de gradiomètres "Squid" supraconducteurs, permet d'étendre notablement la zone couverte au-delà de la partie perturbée du sondage. De plus, le dispositif selon l'invention présente un avantage fondamental par rapport aux mesures réalisées à la surface telles que celles effectuées jusqu'à présent par la mise en oeuvre de méthodes magnéto-telluriques. En effet, étant donné que le dispositif travaille à une profondeur proche de la zone intéressante, les signaux relatifs provenant des zones ont une plus grande amplitude, car ils ne subissent pas les atténuations qui les affectent lorsqu'ils sont renvoyés vers la surface. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection d'un champ électro- magnétique souterrain, caractérisé en ce qu'il comporte un conteneur (11) refroidi à très basse température, destiné à un usage souterrain et contenant des gradiométres destinés à mesurer au moins une composante horizontale d'une densité de courant vectorielle dans la zone souterraine adjacente, ainsi que des magnétomètres destinés à mesurer une composante de champ magnétique horizontale dans au moins une direction perpendiculaire à celle de la densité de courant vectorielle, des moyens destinés à déterminer la conductivité électrique de la zone immédiatement voisine du conteneur, et des moyens destinés à utiliser les quantités mesurées et déterminées sous la forme d'une fonction de la fréquence du champ électromagnétique, afin de déterminer l'impédance desdites zones souterraines sous-jacentes et environnantes, en fonction de la fréquence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite densité de courant vectorielle est mesurée dans deux directions hortogonales et horizontales, des champs magnétiques vectoriels étant mesurés dans deux directions perpendiculaires horizontales. 3. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que lesdits moyens d'utilisation calculent un vecteur champ électrique E en utilisant lesdites densité de courant vectorielle et conductivité mesurées. 4. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le conteneur est allongé dans une direction verticale et comprend des antennes (17, 18) destinées à capter un gradient de tension dans ladite direction verticale. 5. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens destinés à déterminer la conductivité électrique de ladite zone souterraine comprennent une diagraphie électrique de puits, du type à induction. 6. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte des moyens d'étalonnage dudit conteneur.