Brevet FR2477714A1 — publié le 19810911

La présente invention concerne les sondes destinées à la détermination de la conductivité thermique du milieu qui les entoure et, plus précisément, de la roche entourant un trou de forage. Au cours des deux dernières années, des recherches géothermiques ont été effectuées dans des trous de forage peu pro- fonds, d'environ 30 à 40 m de profondeur. Le but de ces recherches était de déterminer le flux thermique terrestre vertical, c'est-à- dire le produit du gradient de température verticale par la conduc- tivité thermique de la roche environnante. On ne peut ttre assuré de disposer des échantillons carottés voulus pour la détermination de la conductivité thermique par des méthodes statiques en labora- toire. Ainsi, il fallait mettre au point des procédés de détermina- tion in situ de la conductivité thermique de la roche. L'invention concerne le principe de la mesure, la structure de la sonde et les- premiers résultats de mesures in situ utilisant cette sonde. Le principe de la mesure à l'aide de la sonde de l'invention a été établi après l'exécution de certaines études fondamentales, et ce principe consiste à utiliser une source thermi- que cylindrique dont on élève la température à l'intérieur d'un trou tubé, ou cuvelé. Matériellement, la source est constituée par une section séparée de trou de forage, tubé ou non tubé, rempli d'eau. On élève la température de cette section en appliquant une puissance constante, puis, après un certain temps, l'élévation de température résultante devient une fonction linéaire du logarithme de la durée d'échauffement. La pente de la courbe résultante, c'est- à-dire de sa partie rectiligne, est en proportion inverse de la conductivité thermique de la roche environnante. Une telle méthode d'interprétation des données repose sur l'hypothèse que la source forme une ligne illimitée, ce qui est justifié par les conditions suivantes: (I) le rapport longueur-diamètre de la source dépasse , (II) la roche environnante a une conductivité thermique uniforme et isotrope; et (III) l'espace annulaire compris à l'intérieur du trou de sonde est rempli d'un matériau permettant d'éviter les effets de convection thermique. 24 7 7 714 Selon un aspect de l'invention, il est proposé une sonde permettant de déterminer la conductivité thermique du milieu qui l'entoure, la sonde comprenant un élément chauffant allongé qui est destiné à atre inséré dans un trou de forage, un capteur de température permettant de contrôler la température du liquide entourant l'élément chauffant, et un moyen assurant le contact élastique avec les parois du trou de forage dans lequel la sonde est insérée à l'une et l'autre extrémité de l'élément chauffant allongé de façon à retenir un certain volume de liquide autour de l'élément chauffant. L'invention propose également un procédé de détermina- tion de la conductivité thermique de la roche entourant un trou de forage rempli d'eau, ce procédé consistant à descendre dans le trou de forage une sonde de l'invention, à mettre en service le moyen de contact de façon à retenir un certain volume d'eau autour de l'élément chauffant, à agiter (opération facultative) l'eau retenue afin de minimiser sa stratification thermique, à chauffer l'eau retenue à l'aide de l'élément chauffant à un taux constant de dissipation de puissance, et à contrôler la vitesse d'augmentation de la température de l'eau retenue au moyen du capteur de température. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe simplifiée de la sonde de mesure de conductivité thermique présentée en position dans un trou de forage tubé rempli d'eau; et - la figure 2 est un exemple montrant la mesure effectuée au moyen de la sonde de conductivité thermique de la figure 1, pour le cas o la roche environnante est constituée de roche argileuse. Comme le montre la figure 1, pour séparer une section du trou de forage 1 rempli d'eau possédant un tubage, ou cuvelage, 2, on utilise deux garnitures d'étanchéité 3 et 4 au-dessus et au- dessous de cette section. On chauffe la colonne d'eau thermiquement isolée à l'aide des-fils chauffants 5, et on mesure la température de l'eau entourant les fils chauffants au moyen du capteur de tempé- rature 6. Pour éviter une stratification thermique, une petite pompe de circulation 7 disposée dans la garniture inférieure 3 effectue le mélange de la colonne d'eau séparée. Il s'est révélé suffisant d'enregistrer la température au centre de la colonne d'eau, l'unité d'enregistrement et de commande 8 se trouvant à la surface de la terre. Cette unité 8 consiste en un dispositif (non représenté) qui mesure et mémorise les données de température et est associée à une unité 9 permettant de manipuler et de commander les garnitures, ainsi que de les gonfler. Une unité 10 disposée également à la surface sert à délivrer un courant électrique cons- tant aux fils chauffants 5. Le rapport longueur-diamètre de la sonde est prévu supérieur à 20 et, dans le mode de réalisation décrit, le rapport est de 200 cm à 5 cm. La figure 2 montre un exemple de données de mesure pour un trou de forage tubé. La roche environnante est constituée de roche argileuse. Le temps d'échauffement est d'environ 3 h et l'intervalle d'échantillonnage est de 10 s, La dispersion des données entraîne la nécessité de faire appel à un filtrage et une interpolation numériques, tandis que le calcul de la pente de la partie rectiligne est effectué par une méthode d'adaptation par moindres carrés sur un intervalle d'environ 2 h. L'adaptation se révèle remarquablement bonne. A titre de comparaison, des mesures statiques ont été effectuées en laboratoire sur des échantillons carottés de roche prélevés à la même profondeur. La valeur in situ se trouve dans les limites d'environ + 10% de la valeur de labora- toire. Pour la roche argileuse, les résultats sont Conductivité thermique A (in situ) = 1,80 W/m.K à + 10%. Conductivité thermique X (laboratoire) = 1,88 W/m.K à - 9%. Les résultats obtenus à l'aide de la sonde de l'inven- tion sont très encourageants puisqu'il existe un bon accord entre les données de laboratoire et les valeurs in situ. Les avantages du procédé proposé peuvent être résumés de la manière suivante: (1) la sonde présente une structure méca- nique simple; elle est donc appropriée aux applications sur le 2477 7 1 4 terrain; (II) la sonde peut être adaptée très facilement à diffé- rents diamètres de trous de forage; (III) les mesures sont possibles aussi bien dans les trous de forage tubés que dans les trous non tubés; (IV) les valeurs obtenues au moyen de ce procédé correspondent à des valeurs moyennes de conductivité thermique prises sur un important volume de roche; et (V) ces valeurs sont mesurées dans les mêmes dimensions spatiales que le gradient de température. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et de la sonde dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Sonde de détermination de la conductivité thermique du milieu qui l'entoure, caractérisée en ce qu'elle comprend un élément chauffant allongé (5) destiné à être inséré dans un trou de forage (1), un capteur de température (6) permettant de contrôler la température du liquide entourant l'élément chauffant, et des moyens (3, 4) permettant d'assurer un contact élastique avec les parois du trou de forage dans lequel la sonde est insérée à l'une et l'autre extrémité de l'élément chauffant afin de retenir un certain volume d'eau autour de l'élément chauffant. 2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de contact sont constitués de deux anneaux gonflables. 3. Sonde selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'il est prévu un moyen (7) pour agiter le liquide entourant l'élément chauffant. 4. Sonde selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que le rapport de la longueur au diamètre du volume de liquide pouvant être retenu autour de l'élément chauffant par les moyens de contact est supérieur à 20. 5. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'élément chauffant est un élément chauffant électrique. 6. Procédé de détermination de la conductivité thermique de la roche entourant un trou de forage rempli d'eau, caractérisé en ce qu'il consiste à abaisser dans un trou de forage une sonde telle que définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 5, à mettre en service les moyens de contact de manière à retenir un certain volume d'eau autour de l'élément chauffant, à facultativement agiter l'eau retenue afin de minimiser sa stratification thermique, à chauffer l'eau retenue au moyen de l'élément chauffant à une vitesse constante de dissipation de puissance, et à contrôler la vitesse d'élévation de la température de l'eau retenue à l'aide du capteur de température.